用静态GPS进行控制测量的精度分析
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摘 要：本文简述了全球定位系统（GPS）的结构特点、测量原理及应用，对影响静态GPS进行控制测量方面精度因素进行了分析，并提出了一些合理的建议，以供参考。
关键词：静态GPS;控制测量；精度分析
１引言
GPS即全球卫星定位系统的英文缩写，该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统。 GPS，开始时只用于军事目的，其主要目的是为海、空、陆三大领域提供全天候、实时和全球性的导航服务，还具备良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术在工程测量、军事、通信、海洋测量等测绘领域展开研究及得到了广泛应用及研究［１］。
２ 静态GPS的概况
2.1 静态GPS构成特点及其原理
GPS包括三大部分：空间GPS卫星星座、地面监控系统、用户GPS信号接收机。
（1）用户GPS信号接收机，接收机机内软件、硬件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。
其主要特点是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，同时跟踪这些卫星的运行状况。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的距离变化率，据此就可解出卫星轨道参数等数据。利用这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经度、纬度、高度等信息。
（2）GPS地面监控站地面控制系统由主控制站、监测站、地面天线所组成。地面控制站负责收集由卫星传回的信息，并计算相对距离、卫星星历、大气校正等数据。
（3）GPS的空间部分是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，即24颗工作卫星组成，它均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4 颗) ，轨道倾角为55°。此外还有3 颗有源备份卫星在轨道运行。卫星的分布使得在全球任何时间、任何地方都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息。不过静态GPS的卫星会因为大气摩擦等问题，且随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。
2.2 静态GPS的定位原理
GPS定位的基本原理为：卫星不断的发射自身的星历参数和时间信息，GPS信号接收机接收到信号后，解算得到接收机的位置。三颗卫星可进行2D定位（经度、纬度），四颗卫星则可进行3D定位（经度、纬度及高度）。通过接收机不断的更新接收信息，就可以计算出移动方向和速度。
2.3 静态GPS测量的特点
相对于常规测量来说，GPS测量主要的特点：（1）高精度；（2）测站间无需通视；（3）观测时间短；（4）仪器操作简便；（5）全天候作业；（6）提供三维坐标。
3 影响控制测量精确性的因素
3.1 静态GPS系统
测量工作者无法控制的因素，如GPS系统本身，这些因素主要包括：
（1）搜索到卫星的颗数，星数越多，解算模糊值的速度越快、越可靠。一般最少要四颗才能定位，越多精度会越高；有时候为了完成测量，采用较低的截止高度角，也能获得足够的共同星数；
（2）卫星相对接收机的位置，如果接收到的四颗卫星与接收机相互之间的角度比较好，精度会比较高，如果卫星靠近地平面，那精度就会降低；
（3）大气状况，特指电离层和对流层对GPS信号的延迟；星信号到达GPS接收机之前，要穿过对流层和电离层，都会对GPS信号传播造成影响。对流层延迟指的是对于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。此外，电离层的电子含量将随空间和时间发生剧烈变化，因此信号到达基准站和流动站时将产生不同的影响，且基线越长时，其影响越大。
（4）卫星时钟误差，即使卫星是非常的精密复杂，它可以计算出一些极微小的信息，即使卫星的定位依然持续的被监控，但倘若只要有一秒都不处于被监视的状态之中，且这期间一旦产生微小的定位误差或卫星星历的误差，将会影响到接受器在定位计算时的准确性。
（5）多径效应，就是指经过其他表面反射到接收机天线中的静态GPS信号：所谓的多路径效应就是指，由于接收终端受周围环境的影响，导致接收机所接收到的卫星信号中还含有折射信号和反射的影响。比如在高楼林立的楼群中或者山脉密林中，卫星信号接收到的折射或者反射的几率相当大。
3.2 观测方法
观测方法将对GPS结果的精确度有很大的影响。观测方案的主要内容有：坐标系统的选择、基准站位置的选择、观测次数等。基准站位置的选择除了要考虑周围环境因素外，基准站的坐标的精度也是必须考虑的1个问题。如果基准站的坐标精度较差，则全部新点坐标的精度决不会超过基准站。坐标系的选择对所测成果的精度影响很大。
3.3人为因素
GPS控制部分，即人为操作而产生的影响，这主要是因为静态GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时产生的误差等。这些误差的产生主要有两个方面：（1）运算数据处理的软件：（2）数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响，这是因为在启动地图程序的同时，导航仪进行了其他数据处理，导致数据误差的产生从而影响GPS定位的准确性。
静态GPS实践证明，观测者的专业水平和经验对成果的精度和可靠性影响很大，此外，观测者必须垂直握住测杆，使其位于测点的铅垂线上，如果进行控制测量，建议流动站采用三脚架基座对中整平。观测者也应认真检校GPS设备，三脚基座和流动站测杆上的水准器必须检查校正，以免任何系统误差对观测值的影响。
3.4其他因素
如接收机的灵敏度，观测环境的影响，如地形、地面建筑物、高庄线、较大的水面及发射天线等将影响无线电信号的传播。因此在观测过程中，观测者必须注视周围环境的变化，以保证观测质量。
4 结论及精度分析
通过GPS测量在控制测量中的应用，和经典测量学相比较，在时间上，人力、物力的投入及测量的精度都具绝对的优势。GPS精度因各点情形而异，总结如下：
4.1 GPS控制网选点灵活，布网方便；
4.2 GPS测量精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+lppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出；
4.3 GPS控制测量操作简便，观测无人为因素，基本实现了智能化、自动化；
4.4提供三维坐标。GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。
综上所述，GPS控制测量精确度主要受观测时卫星信号的质量和卫星空间分布的影响。GPS接收终端出现信号漂移和位置偏差现象，并不是源自于接收终端本身，外界有许多不可变的因素，无时无刻都在影响着GPS接收卫星信号，从而使GPS本身出现种种定位偏离现象。因此，应严格按有关要求选点，选择最佳时段观测，尽可能地避免人为因素对于接收终端本身的影响，最大程度的给予GPS一个良好的使用环境，保证GPS测量的精度。
参考文献:
[1] 张勤，李家权，全球定位系统(GPS)测量原理及其数据处理基础[M]，西安：西安地图出版社．2001，8．
[2] 魏二虎，黄劲松．GPS测量操作与数据处理[M]．武汉：武汉大学出版社，2004，6．31南方测绘仪器公司．9600型GPS使用手册[s]．2006.4，
[3] 张勤，李家权，全球定位系统(GPS)测量原理及其数据处理基础『M1，西安：西安地图出版社．2001，8．
[4] 陈树新．GPS整周模糊度动态确定的算法及性能研究[J]．西北工业大学博士学位论文，2002
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