標準化視域下GPS接收機檢定中數據后處理關鍵問題研究

張月峰

（山東省國土測繪院，山東 濟南 250013）

隨著我國經濟快速發展，國土建設方面也取得了極大成就。而通過對國土建設項目的持續、快速投入與推進，促使我國在國土相關項目基礎設施中實現了跨越式發展，進一步發揮了國土資源對我國經濟建設的促進作用。而在實際進行國土項目建設中，為保證建設質量，需要重視GPS接收機使用，以此獲取相關數據信息，為建設工作開展提供數據支持。但在使用GPS進行信號接收時，數據后處理關鍵問題會影響數據準確性以及國土建設工作開展質量。因此，在相關工作開展中，應加強對GPS以及數據后處理關鍵問題的研究。

1 GPS信號接收機

使用GPS衛星發送導航定位信號，能夠為大量用戶提供信息并實現信息共享，將其應用于海陸空等領域中，能夠滿足不同領域需求。在相關設備支持下，用戶利用接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的設備，即GPS信號接收機，可隨時隨地借助GPS信號獲取定位信息進行導航，滿足了使用者的要求。而根據使用目的不同，用戶對GPS信號接收機的需求存在差異。現階段，世界范圍內已有幾十家GPS接收機生產工廠，產品包含幾百種類型，可滿足不同領域信息接收需求。結合產品的原理、用途、功能等可進行準確分類。

從靜態定位角度而言，GPS接收機捕獲和跟蹤GPS衛星過程維持固定不變狀態，通過提升接收機測量的GPS信號精度，并對時間進行精準把控，在GPS衛星支持下可獲取用戶所在地信息，并且可在短時間內，解算出接收機天線所在位置三維坐標信息。從動態定位角度而言，是利用GPS接收機對運動物體的運行軌跡進行實時定位。在這一過程中，GPS信號接收機放置位置為載體，利用載體上GPS接收機天線對GPS衛星相對地球運動的過程展開跟蹤，可獲取接收機GPS信號實時運動載體狀態參數，主要包括瞬間三維位置和三維速度。

在GPS信號接收機中，接收機硬件、機內軟件、GPS數據后處理軟件包等作為GPS用戶設備的重要組成部分，在接收機中發揮著不同功能。同時根據GPS接收機結構，可將該設備劃分為天線單元與接收單元兩部分。對于測量的接收設備而言，通常需要將兩個單元視為兩個獨立部件，在進行測量時，需要將天線單元安置于測站處，并在測站附近安置接收單元，并利用電纜線將天線單元與接收單元聯系起來，以此使兩者成為一個整體，或者是直接將天線單元和接收單元制作成一個整體，并將其安置在測站點上進行觀測。

2 GPS衛星定位系統

2.1 空間星座部分

現階段，GPS空間部分是由圍繞地球運行的24顆衛星組成，衛星距地面約1.7萬km，全部衛星中21顆為工作衛星，軌備用衛星為3顆。24顆衛星于6個繞地球軌道上均勻分布并運行，不同軌道間傾角為55°，軌道平面間相距60°，平均高度為20 200 km，經計算衛星繞地球一周時間約為12個恒星時，具體為11時58分。對地面觀測人員而言，日常見到一顆GPS衛星時間與前一天相比會提前4分鐘。而衛星顆數會隨時間、地點變化而產生不同，地平線以上同一時間至少可見4顆衛星，最多為11顆。在使用GPS設備進行信號檢測時，為更好地滿足用戶需求，需要解算觀測站獲取到的三維坐標信號，觀測時必須同時至少對4顆GPS衛星進行觀測，各顆衛星均可發出導航定位信號，為用戶進行定位提供相應信息，而GPS工作衛星也是利用自身的功能為地面導航工作開展提供支持。在使用GPS工作衛星系統工作中，其功能如下：

（1）GPS工作衛星工作期間，主要使用時L波段19 cm和24 cm無線載波發送信息以及進行導航定位。而獲取到的型號內容包括：粗略導航定位偽距C/A碼、精密時間標準、精密測距碼，其中，精密測距碼包括衛星運行空間位置、衛星工作狀態導航電文。

（2）當衛星運行位置處于地球注入站上空的時候，地面注入站一般會使用S波段（即10 cm波段），將工作狀態導航電文與當下運行空間位置等信息發送到衛星，并由衛星將信息發送給用戶，采用這種方式展開國土測繪工作，既可減少測量工作量，又可提升測量精準度和測量工作開展效率。

（3）地面主控站工作期間，主要是經過注入站向衛星發送調度命令，衛星在接收到調度命令后，根據需求對衛星姿態進行調整，能夠對衛星運行軌道偏差進行糾正。

2.2 用戶接收部分

在用戶接收部分中，接收機是一項十分關鍵的部分，主要相關的配套設備包含天線、電源以及數據處理軟件等。用戶接收部分的主要功能是接收來自GPS衛星播發的信號，這些信號是根據設定的一定數值的衛星高度截止角選擇待測衛星，并對其信號進行接收。除了接收信號外，還需要對衛星運行狀態進行跟蹤，以便能夠及時獲取定位信息和導航信息，并將導航電文中的廣播星歷、衛星鐘改正等參數提取出來，通過一定的數據處理后能夠為后期導航工作的開展提供數據支撐。

3 GPS衛星定位原理

在使用GPS進行衛星定位中，通常會應用將“一點與另外幾個點間距離交會確定點位”的方法，GPS定位原理與這種方法類似，其定位原理是借助空間分布衛星以及衛星與地面點距離交會確定地面點位置。簡而言之，GPS定位原理是一種空間距離交會原理。在使用GPS進行定位的時候，主要是在已經確定的地面位置上安裝好GPS接收機，而同時獲取到的GPS衛星發射信號至少來源于4科衛星，結合衛星星歷可獲取到衛星在瞬間位置，并在短時間內計算出兩個地點間距離數據信息。

4 GPS接收機數據后處理關鍵問題及應對措施

通過對數據后處理的關鍵問題展開分析，主要高度角、數據采樣間隔等，會對測量結果產生較大影響，針對此類問題為減少其負面作用，需要加強對其研究，并將GPS接收機檢定工作作為切入點，思考關鍵問題應對措施。

4.1 衛星高度截止角

衛星高度角的截取直接關系到衛星數據觀測以及基線處理，若觀測角相對較低，一旦衛星信號強度太弱或信噪比較低，就易引發信號失鎖現象，或者導致信號在傳輸路徑中受大氣折射影響，進而引發搜索失敗。若選擇的衛星高度角較大，易導致觀測衛星數不足或取得的衛星圖形強度較低，該高度角下的衛星數據信息難以獲取到最佳基線值。一般而言，在進行高度接視角設置時，通常設置為默認值，即20°，若同步觀測衛星較少或觀測時間較短，對短基線而言，應適當降低高度角，并對獲取到的信息進行重新計算，這樣能夠保證獲取到的基線結果滿足要求。但同時應注意必須保證觀測站數據穩定性，且環視條件良好，并對結算后的基線進行審核，重點審核同步環和異步環，從而保證獲取到的信息正確性。若采用設置默認值方式對基線進行結算后失敗，同時連續觀測時間較長，衛星數量較多，圖形強度因子GDOP值較小，應適當增加衛星高度角并進行重新計算，這樣才能保證取得的結果更加符合要求，而該現象產生與觀測環境地仰角衛星信號的多路徑效應與時間延遲有關。

4.2 采樣間隔

在衛星接收機中，內部采樣頻率指的是野外作業期間設置的數據采集間隔時間，通常在1～255 min，采用自由設置方式，通常默認為15 min，接收機內部采樣率通常較高。而對基線進行處理時，并非全部數據需要進行處理，而是根據優化原則選擇對部分數據進行處理。處理期間通過采集高質量載波相位觀測值，能夠有效解決周跳問題。同時通過適當提升采集密度，能夠實現對周跳的診斷與修復。因此，在采用快速靜態作業或該基線觀測時間較短情況下需要對采樣間隔時間進行設置，通常需要將其縮短，這樣能夠進一步保證衛星系統獲取到的數據準確性，可為監測工作開展提供更加可靠的信息。

4.3 無效歷元

在國土測繪工作中，利用衛星系統獲取到的數據并非完全準確，通常會受到一些因素影響導致出現偏差，如衛星健康情況較差，觀測站環境不理想，衛星數據信號經常失鎖，衛星低仰角受衛星信號太弱、信噪偏低影響引發失索等。此時需要對衛星星歷進行處理。通過觀察基線情況，并對其進行詳細分析，可實現對衛星觀測中周跳情況檢查，便于剔除衛星中失鎖次數較多或觀測理元數較少的衛星，以便于及時進行衛星更換，能夠為定位工作開展提供有效服務。

4.4 坐標系統確定

在使用GPS接收機期間，確定坐標系統直接關系的信息獲取水平，而針對不同坐標系統與之相應的坐標獲取或確定方式不同。

4.4.1 標準坐標系統

標準坐標系統使用中主要采用標準的WGS-84、北京54以及國家80坐標系，選擇時可直接在網平差設置中選擇，并嚴格按照投影中央子午線，確定正確原點經度。

4.4.2 自定義坐標系統

從已知參數方面而言，常規自定義坐標系是從標準國家坐標系轉換而來，多數情況下需要重新定義常數、中央子午線或投影橢球高，在這期間需要對相應的參數進行選擇與確定，包括橢球的參數、加常數、投影中央子午線、投影橢球高等。從未知參數方面而言，若對工程坐標系進行完全獨立自定義，尤其是與國家點聯測或與投影變形超過規范要求時，可以選擇標準橢球，如北京54橢球參數，然后利用固定一點或和一個方位角方式進行處理，具體的處理方法是，將基線某一點的單點作為起點，利用高精度紅外激光測距儀將基線另一段另一點的邊長測出，經修改后投影到確定高度，即側區的平均高程面。然后采用真北方向假定一個方位角計算出基線中點坐標，以獲取到的兩點為結束點。采用與截面相同的橢球參數、投影橢球高以及可測去中央子午線，這樣能夠保證滿足規范要求，且在小比例尺圖上可與國家坐標系聯系起來。當下一些工程單位經常采用自定義坐標系統方式，若設計單位在設置時確定了控制點，并在提供坐標成果情況下，施工單位利用GPS加密控制點進行網平差，可簡化信息獲取過程，并獲取更加精確檢測結果。因此，很多工程施工中僅需要聯測設計提供的成果進行平差即可。若有關單位未提供控制點成果，在使用GPS進行控制點觀測時，需要確定好坐標系統，而在選擇自定義坐標系統時，需要結合未知數情況進行網平差。在使用GPS進行具體觀測時，可在某端選取一個點，并以該點經緯度坐標為起點設計平面直角坐標，然后借助高精度紅外激光測距儀將其與基線另一端的邊長測出，經嚴格改正后投影到側距平均高程面，然后假定一個方位角確定基線中點坐標，并采用相關參數進行進算，以此進行約束平差。

5 結論

在國家建設過程中國土測繪工作發揮著至關重要作用，通過獲取準確的數據，不僅能夠為建設工作順利開展提供可靠參考，而且利于提升建設工作開展效率。標準化視域下，在進行測繪工作的過程中，GPS信號接收機是不可或缺的工具。同時為保證獲取到的數據準確性與可靠性，需要落實對GPS信號接收機檢定工作，并對檢定中數據后處理關鍵問題展開分析研究。