野外地質測量中GPS定位的誤差分析

張濤

（湖南省地質礦產勘查開發局402隊 湖南長沙 410000）

野外地質測量中GPS定位的誤差分析

張濤

（湖南省地質礦產勘查開發局402隊 湖南長沙 410000）

GPS由于其具有一定的優越性和方便性，被廣泛應用于工程測量、導航定位中，在野外地質測量中小巧的GPS機起到一定的輔助定點和導航作用，是新時期實現現代化數字地質調查的基礎設備，但由于野外地形、樹木等多種環境因素的影響，其測量精度和應用無法得到保障。本文主要對野外地質測量中GPS定位的誤差進行分析，并得出有效的修正方案，僅供參考。

野外地質測量；GPS定位；誤差分析

1 引言

GPS，就是利用衛星的導航功能，在進行測量時間以及距離的基礎上對相關領域進行實時的位置確定，從而實現全球定位系統的作用。由于科技的不斷進步，GPS接收機也朝著種類多樣化、體積逐漸減小、輕質化的方向發展，在此基礎上手持式的GPS被研究并使用，這種手持式的GPS主要是利用藍牙的無線傳輸功能，對影響手持式GPS的精度的相關因素進行調查，主要可以分為以下幾種：基于GPS衛星的相關原因；基于GPS接收機的相關原因；基于傳播途徑的相關原因以及數據分析軟件和硬件所產生的誤差等。

2 野外地質測量中GPS定位的誤差分析

2.1 實驗方案設計

在該實驗中所使用的手持GPS是GPS315手持式儀器，定位經緯度可精確到秒級，GPS誤差受到多方面因素的影響，在統計分析原則的基礎上，可通過GPS在野外制定若干個樣點的坐標，并利用微地形法將其實際位置標注在地形圖圖紙上，再回到室內進行相關的計算和統計分析，并將分析結果記錄下來，分析的內容主要包括每個點的GPS坐標、地形、高程、天氣和時間。在實際操作過程中，可利用相關的計算機輔助地質調查系統Geo-Survey，對比計算實際點和GPS所指定點的距離誤差以及方位角誤差，最后得出各種地形、天氣、高程等對GPS定位誤差所造成的影響。該實驗的流程為：精確數據的獲取、數據轉錄、統計結果的比較、原因分析、提出相應的校正模型。地形圖底圖自身的誤差、野外定點誤差、室內轉標誤差等是導致測量實際點出現誤差的主要原因。本次實驗主要使用地形圖的比例尺為1：2000，在一定程度上，可忽略地形圖底圖誤差和室內轉標誤差，來分析地形、高程等因素對GPS定位誤差所產生的影響。

2.2 數據分析

在本次實驗中，對某地區的眾多樣點進行有效的對比和研究，從該地區的實際情況出發，對手持GPS的精度誤差進行針對性分析，實際取得100多個點位的有效數據，見表1。

表1 野外原始定位數據點的實際記錄情況

通過對多個樣本和手圖的實際值進行對比后可得出如圖1所示的現象，可以看出GPS點是具有一定的秩序性，從統計結果中可得出：72.2%的漂移距離誤差一般在0～80m范圍內，72.0%的方位誤差可集中在0～90°范圍內，誤差的分布規律一般認為其是在GPS定位精度中諸多因素中一個具有指導性的指示因素。地形的影響主要是引起信號傳播過程中產生多路徑效應。

由于接收機受到周圍環境的影響，導致接收機所接受到的衛星信號還包括各方面反射及折射信號的影響，甚至接收機無法獲取衛星信號，大大降低了定位精度。在城市或者野外使用GPS時，接收機通常只能接收3～4顆衛星信號，而一般6～8顆衛星，才能保障定位精確，再加上時間較短。另外，在地形因素中，水是另一個重要問題，水對電磁波具有較強的反射能力，因此，在有水的地方，GPS定位的精度就無法得到有效保障。通過數據的離散程度可對這種地形下的誤差大小進行衡量，通過使用統計學中的AVEDEV函數來對某地形下數據絕對偏差的平均值進行計算。

圖1 極坐標系內GPS定點相對于實際點的漂移投影散點圖

各種地形因素下的偏差平均值的實際情況可見表2。在地形因素的影響下，偏差平均值越大，數據就越復雜，在這種情況下，GPS的誤差也就越大。

表2 地形因素下的偏差平均值

從表2可得出，在野外使用手持型GPS時，在山頂、山脊、山腰、平坦處等地形下，GPS定位誤差受到的影響較小，但在陡崖、溝谷等地形，GPS定位誤差受到的影響較大，在這種地形，可使用GPS相對定位來代替絕對定位，在山腰等地形處的定位點可加上修正模型予以更正。另外，對誤差產生影響的關鍵因素不是時間和高程，甚至在地表范圍內，高程是不會對GPS定位精度產生影響。還有一點應注意的是手持型GPS高程的定位能力較差，在GPS能夠接受4顆以上衛星的信號時，可準確計算出本地的三維坐標：經度、緯度和高度。如果只能接受到3顆信號的話，只能將二維坐標計算出來：經度和緯度，且在這種情況下，經度和緯度的值也不準確，這時也可能會計算出高度的數據值，但這個數據是無用的。因此，在野外定點時，不建議使用手持型GPS進行高程測量。

2.3 總結

GPS在野外地質測量中的應用，具有方便攜帶、定位速度快等特點，但容易受到外界各方面因素的影響，導致定位精度不高。通過各因素對距離誤差和方位角誤差的影響分析可以看出，相比其它外界因素對GPS測量誤差的影響來看，地形因素（多路徑效應）對GPS測量誤差的影響最大。與此同時，GPS自身的定位精度對其精度的提高起到一定的限制作用，比如GPS315，其定位的精度可精確到秒級，接收機本身可能會存在0.15～0.2m的誤差。

與此同時，通過計算機輔助填圖系統主要是通過投影轉換將GPS所測量的經度和緯度坐標，投影至地圖平面上大地坐標的對應位置上，如果不經過坐標轉換直接將數據輸入進去的話，則會產生一定誤差，但誤差范圍較小，僅在1～3m，實際誤差的計算需要通過相應的功能軟件進行。

衛星在運動過程中不停的發送信號，接收機在接收到信號后也在不停運算，在這種情況下，可將手持型GPS放在空曠堤防，并保持不動，在定點后，其坐標數據難免會出現波動的現象，且高程的波動值比經度和緯度的波動值要大。在實際定位操作過程中，GPS在開機后不宜立即讀數，可按照GPS的手持姿態要求在運行幾分鐘后在進行讀數。

2.4 修正方案

根據以上誤差類型的分析，修正方案可分為兩種，一是對圖2的二維坐標將坐標進行平移，并重新設定原點，并按照以一定半徑的圓內落入點數目最多的原則，經過相關實驗，選定（36m，50°）為新原點，也就是說對GPS點向50°的方向偏移36m進行修正，修正的數據可見表3。

從表3中可得出，在對其進行修正后，GPS數據的精度在不斷得到保障，在對不同地形進行綜合考慮后，在山腰及山頂等地形下的數據進度是最為適用的，可將其作為手持型GPS在開闊地區進行測量的主要參考依據。

另外，從計算機輔助區域調查系統所顯示的相對定位來看，消除隨機誤差，可通過未知點在已知點的相對方位進行定點，并在運用這種相對定位方式的過程中，同一類地形條件之間的相對定位較為有效。

3 結束語

綜上所述，手持型GPS在野外地質測量的應用中，充分發揮了GPS自身的功能優勢，在對手持型GPS的定位精度產生影響的因素進行分析，可獲取更為準確的數據，并利用計算機輔助調查系統的定位功能來代替絕對定位功能，并在該基礎上，消除隨機誤差，從而不斷擴大手持型GPS在人們生產生活中的應用規模。

[1]朱麗偉.野外地質測量中GPS定位的誤差分析[J].黑龍江科技信息，2011（36）：94.

[2]鞏錫橋.野外地質測量中GPS定位的誤差分析[J].農家科技旬刊，2015（3）.56.

[3]周蓓，陶彣君，湖北省國土測繪院.手持GPS定位在野外地質測量中的誤差分析[J].資源環境與工程，2009，23（3）：311.

P228.4

A

1004-7344（2016）24-0169-02

2016-8-3

張濤（1987-），男，助理工程師，本科。