浅谈利用GPS进行控制测量的精度控制
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【摘要】本文在阐述GPS工作原理的基础上，分析了GPS测量的主要误差来源及消弱方法，包括卫星历的误差控制、信号传播误差控制、观测误差精度控制、接收机时钟精度控制、天线中心位置偏差精度控制，从布网、选点、外业观测、数据处理及网内平差处理四方面探讨了如何提高GPS控制测量的精度，对实际测量工作具有指导性意义。
【关键词】GPS；控制测量；误差
在测量中主要应用GPS的静态功能和动态功能。静态功能是指通过接收到的卫星信息确定地面某点的三维坐标；动态功能是指通过卫星系统，把已知的三维坐标点位实地放样到地面上。笔者基于多年从事GPS进行测量工作 的经验，对GPS在控制测量中的应用及其误差处理有一定的认识，这里要探讨的是如何在使用过程中提高GPS的测量精度。
1 GPS工作原理及精度分析
1.1 实时载波及相位差分
GPS静态测量是各个测点独立观测，然后用处理软件进行差分解算。而RTK测量其实是实时的差分计算。也就是说基准站的接收机和流动站接收机同时都在观测卫星数据，同时基准站通过其发射装置把所接收的载波相位信号(或载波相位差分改正信号)发射出去；那么流动站在接收卫星信号的同时也通过其接收电台接收基准站的发射信号。在这两信号的基础上，流动站上的固化软件进行差分计算，从而精确地定出基准站与流动站的空间相对位置关系。
1.2 坐标转换
通过坐标变换把GPS的观测数据变成适合我们工程常用的坐标。这项工作可以由多种形式来实现。FDC软件采用的是平面与高程分开处理，平面坐标转换采用的方法是先将GPS测量成果转化成平面坐标，再用已知控制点计算二维相似变换的四参数；高程则采用平面拟合或二次曲面拟合模型，通过已知水准点计算出该测区的待定点的高差，从而求出他们的高程。坐标转换也会带来误差，该项误差主要取决于已知点的精度和已知点的分布情况。
2 GPS测量的误差来源及消弱方法
2.1 卫星历的误差控制
利用区域性GPS跟踪网就可以确定GPS的卫星轨道。跟踪站的地心坐标误差对于卫星的轨道影响是10倍或者更大。所以，要提供优于2m精度的卫星轨道，要求跟踪站的地心坐标精度要优于0.1m，要采用强约束全球基站的松弛轨道的加权约束基准方法，就可以得出优于5cm的相对坐标值，基本上可以满足我国现阶段的区域性定轨需要。如果以我国现有的GPS卫星跟踪基站，根据对各个卫星所记录观测的数值，计算出对现有的卫星历轨道根数的误差改正值，可以进一步计算长弧轨道的精密星历，从而就能直接向用户播发精密的星历。
2.2 信号传播误差控制
首先，电离层的延迟我们可以通过以下三种方法来减弱其影响：①利用电离层的模型加以改正。②利用双频的接收机减少在电离层延迟。③利用同步的测量来求差。
其次，减少对流层的折射影响，我们主要有两个方面的措施：①利用模型来改正。实测地区气象资料利用模型改正，能减少对流层对电磁波延迟达92％～93％。②利用同步的观测求差。
2.3 观测误差精度控制
现今已有的太阳光压改正模型有：多项式光压模型、ROCK4光压摄动模型与标准光压模型，而这几种光压模型的精度基本上是相当的，都可以满足1m定轨的要求。也可用附加随机的过程参数或是对较长轨道运用一阶三角多项式逼近非模型化的长期项影响，可以得到更为理想的结果，甚至可以满足到0.1~0.2m精度定轨的要求。
2.4 接收机时钟精度控制
接收机的天线附近水平面、斜面与垂直面都能对GPS的信号产生镜反射。而天线附近的地形和地物，例如池塘、建筑物、树木、沙滩、山谷、水沟、山坡和道路等都可以构成镜反射。所以，在选择GPS的点位时要特别注意避开这些地物和地形。解决接收机钟差的办法有以下几种：单点定位时，就是要将钟差作为一个未知数在方程当中求解；而在载波相位相对的定位当中，要采用对观测值的求差(星间单差，星站间双差)方法，就能有效地去除接收机钟差。高精度定位时，要用外接频标的方法，为接收机提供高精度的时间标准。
2.5 天线中心位置偏差精度控制
在设计天线时，要尽量减少这一误差，其要求天线盘上方向标指北。这样，在相对定位时，就可以通过求差法来削弱其相位中心偏差以及影响。在野外观测时，要求天线严格对中整平，之后还要将天线盘上的方向标指向北。
3 提高GPS控制测量质量的做法
3.1 布网要求
GPS网应根据工程项目的要求、测区地形情况、交通条件进行设计，既要考虑近期建设的需要，又要考虑远期规划的需要，以及1:500数字化测图图根点加密的需要。本着确保测量精度的前提下，力求速度快、费用合适的原则布设。
3.2 选点要求
选点的合理性也是影响GPS外业观测质量和GPS网的精度的重要因素。选点应考虑GPS网的设计要求及测区的自然地理情况并结合规范的要求，一般来说选点应满足以下要求：①点位应选在交通方便、便于埋设和长期保存的地方，便于安置接收设备、便于观测操作的地方。②点位应考虑方便日后的加密，点位之间最好通视或至少有一个方向通视。③点位应选在视野开阔处，高度角15°以上的天空没有障碍物。④原有旧控制点的利用应选成果精度符合要求的点。⑤距点位200m范围内没有大功率无线电发射源，50m以内没有高压输电线，并应避开强烈干扰接收卫星信号的物体。
3.3 外业观测
外业观测的精度是保证GPS测量原始数据的质量的重要因素。为提高其观测精度，在外业观测前，要制定科学周密的观测计划。首先，通过微机设置测区近似经纬度，作业日期及时间，编制GPS卫星可见性预报表，包括可见卫星数、号，卫星高度角、最佳观测卫星组，最佳观测时间，点位精度因子等。根据上述预报选择最佳观测卫星组，最佳观测时间，制定好观测计划。确定每组观测使用接收机的台数和型号。具体还应满足要求：①全网的同步观测时间均应安排在每天的最佳观测时段，每时段最少跟踪4颗卫星，精度因子PDOP值均小于6。②每时段观测时间，根据规范要求其时间长短，应根据基线的长短而定。基线长小于20km时，观测时间取90分钟为宜，数据采集间隔为10-60秒，一般采用15秒。在测站上，天线要精确整平与对中，天线固定标志朝北，在测前、测后量取天线高，读数精确到1mm，互差不得超过3mm，取平均值做最终结果。
观测过程中，观测者应坐在接收机旁，头顶不要超过天线观察数据接收情况，如卫星数、信噪比及精度因子变化及点位周围环境、观测边的长度等因素，灵活掌握观测时间。若出现观测质量不佳的情况，应及时联络各测站可延长观测时间。为确保数据安全，每天的观测数据应及时传输至微机存盘保存。每天测站的点名、点号、仪器高、天线高的输入应准确无误。
3.4 GPS的数据处理及网内平差处理
GPS网的平差和质量控制是以全网的坐标起算点起算，以GPS基线向量为观测值，在WGS-84坐标中进行三维无约束平差。平差后提供了WGS-84坐标系的大地坐标和地心坐标以及相应的精度指标。通过对精度指标是否超限来考察GPS网是否达到了较好的内部符合精度。如平差后的最弱边的相对精度必须符合规范规定的限差要求。
要提高GPS网基线解算的精度，必须做好观测数据的处理工作，检验每天观测数据的精度和有效性，每天必须及时地对外业观测数据进行计算、检验，即进行基线解算及同步环、异步环坐标分量相对闭合差、复测基线较差的统计和误差衡量。对误差超限的基线进行适当处理或进行复测，以确保外业观测数据的质量和精度。
参考文献
[1]许其凤，GPS卫星导航与精密定位[M]，北京：解放军出版社。
[2]张守信，GPS卫星测量定位理论与应用[M]，北京：国防科技大学出版社。
[3]刘基余，全球定位系统原理与其应用[M]．上海：同济大学出版社。
作者简介：
张燕君 河南省建筑工程学校工程师 测量工程专业
郑日忠：河南建筑职业技术学院高讲测量工程专业
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