張濤

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局402隊(duì) 湖南長沙 410000）

野外地質(zhì)測量中GPS定位的誤差分析

張濤

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局402隊(duì) 湖南長沙 410000）

GPS由于其具有一定的優(yōu)越性和方便性，被廣泛應(yīng)用于工程測量、導(dǎo)航定位中，在野外地質(zhì)測量中小巧的GPS機(jī)起到一定的輔助定點(diǎn)和導(dǎo)航作用，是新時期實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化數(shù)字地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)設(shè)備，但由于野外地形、樹木等多種環(huán)境因素的影響，其測量精度和應(yīng)用無法得到保障。本文主要對野外地質(zhì)測量中GPS定位的誤差進(jìn)行分析，并得出有效的修正方案，僅供參考。

野外地質(zhì)測量；GPS定位；誤差分析

1 引言

GPS，就是利用衛(wèi)星的導(dǎo)航功能，在進(jìn)行測量時間以及距離的基礎(chǔ)上對相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)時的位置確定，從而實(shí)現(xiàn)全球定位系統(tǒng)的作用。由于科技的不斷進(jìn)步，GPS接收機(jī)也朝著種類多樣化、體積逐漸減小、輕質(zhì)化的方向發(fā)展，在此基礎(chǔ)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(lán)牙的無線傳輸功能，對影響手持式GPS的精度的相關(guān)因素進(jìn)行調(diào)查，主要可以分為以下幾種：基于GPS衛(wèi)星的相關(guān)原因；基于GPS接收機(jī)的相關(guān)原因；基于傳播途徑的相關(guān)原因以及數(shù)據(jù)分析軟件和硬件所產(chǎn)生的誤差等。

2 野外地質(zhì)測量中GPS定位的誤差分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在該實(shí)驗(yàn)中所使用的手持GPS是GPS315手持式儀器，定位經(jīng)緯度可精確到秒級，GPS誤差受到多方面因素的影響，在統(tǒng)計(jì)分析原則的基礎(chǔ)上，可通過GPS在野外制定若干個樣點(diǎn)的坐標(biāo)，并利用微地形法將其實(shí)際位置標(biāo)注在地形圖圖紙上，再回到室內(nèi)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，并將分析結(jié)果記錄下來，分析的內(nèi)容主要包括每個點(diǎn)的GPS坐標(biāo)、地形、高程、天氣和時間。在實(shí)際操作過程中，可利用相關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)Geo-Survey，對比計(jì)算實(shí)際點(diǎn)和GPS所指定點(diǎn)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(shí)驗(yàn)的流程為：精確數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄、統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較、原因分析、提出相應(yīng)的校正模型。地形圖底圖自身的誤差、野外定點(diǎn)誤差、室內(nèi)轉(zhuǎn)標(biāo)誤差等是導(dǎo)致測量實(shí)際點(diǎn)出現(xiàn)誤差的主要原因。本次實(shí)驗(yàn)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(nèi)轉(zhuǎn)標(biāo)誤差，來分析地形、高程等因素對GPS定位誤差所產(chǎn)生的影響。

2.2 數(shù)據(jù)分析

在本次實(shí)驗(yàn)中，對某地區(qū)的眾多樣點(diǎn)進(jìn)行有效的對比和研究，從該地區(qū)的實(shí)際情況出發(fā)，對手持GPS的精度誤差進(jìn)行針對性分析，實(shí)際取得100多個點(diǎn)位的有效數(shù)據(jù)，見表1。

表1 野外原始定位數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)際記錄情況

通過對多個樣本和手圖的實(shí)際值進(jìn)行對比后可得出如圖1所示的現(xiàn)象，可以看出GPS點(diǎn)是具有一定的秩序性，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可得出：72.2%的漂移距離誤差一般在0～80m范圍內(nèi)，72.0%的方位誤差可集中在0～90°范圍內(nèi)，誤差的分布規(guī)律一般認(rèn)為其是在GPS定位精度中諸多因素中一個具有指導(dǎo)性的指示因素。地形的影響主要是引起信號傳播過程中產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。

由于接收機(jī)受到周圍環(huán)境的影響，導(dǎo)致接收機(jī)所接受到的衛(wèi)星信號還包括各方面反射及折射信號的影響，甚至接收機(jī)無法獲取衛(wèi)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(jī)通常只能接收3～4顆衛(wèi)星信號，而一般6～8顆衛(wèi)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(qiáng)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(shù)據(jù)的離散程度可對這種地形下的誤差大小進(jìn)行衡量，通過使用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的AVEDEV函數(shù)來對某地形下數(shù)據(jù)絕對偏差的平均值進(jìn)行計(jì)算。

圖1 極坐標(biāo)系內(nèi)GPS定點(diǎn)相對于實(shí)際點(diǎn)的漂移投影散點(diǎn)圖

各種地形因素下的偏差平均值的實(shí)際情況可見表2。在地形因素的影響下，偏差平均值越大，數(shù)據(jù)就越復(fù)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(diǎn)可加上修正模型予以更正。另外，對誤差產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素不是時間和高程，甚至在地表范圍內(nèi)，高程是不會對GPS定位精度產(chǎn)生影響。還有一點(diǎn)應(yīng)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(wèi)星的信號時，可準(zhǔn)確計(jì)算出本地的三維坐標(biāo)：經(jīng)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(biāo)計(jì)算出來：經(jīng)度和緯度，且在這種情況下，經(jīng)度和緯度的值也不準(zhǔn)確，這時也可能會計(jì)算出高度的數(shù)據(jù)值，但這個數(shù)據(jù)是無用的。因此，在野外定點(diǎn)時，不建議使用手持型GPS進(jìn)行高程測量。

2.3 總結(jié)

GPS在野外地質(zhì)測量中的應(yīng)用，具有方便攜帶、定位速度快等特點(diǎn)，但容易受到外界各方面因素的影響，導(dǎo)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(yīng)）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(jī)本身可能會存在0.15～0.2m的誤差。

與此同時，通過計(jì)算機(jī)輔助填圖系統(tǒng)主要是通過投影轉(zhuǎn)換將GPS所測量的經(jīng)度和緯度坐標(biāo)，投影至地圖平面上大地坐標(biāo)的對應(yīng)位置上，如果不經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換直接將數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去的話，則會產(chǎn)生一定誤差，但誤差范圍較小，僅在1～3m，實(shí)際誤差的計(jì)算需要通過相應(yīng)的功能軟件進(jìn)行。

衛(wèi)星在運(yùn)動過程中不停的發(fā)送信號，接收機(jī)在接收到信號后也在不停運(yùn)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(diǎn)后，其坐標(biāo)數(shù)據(jù)難免會出現(xiàn)波動的現(xiàn)象，且高程的波動值比經(jīng)度和緯度的波動值要大。在實(shí)際定位操作過程中，GPS在開機(jī)后不宜立即讀數(shù)，可按照GPS的手持姿態(tài)要求在運(yùn)行幾分鐘后在進(jìn)行讀數(shù)。

2.4 修正方案

根據(jù)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(biāo)將坐標(biāo)進(jìn)行平移，并重新設(shè)定原點(diǎn)，并按照以一定半徑的圓內(nèi)落入點(diǎn)數(shù)目最多的原則，經(jīng)過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，選定（36m，50°）為新原點(diǎn)，也就是說對GPS點(diǎn)向50°的方向偏移36m進(jìn)行修正，修正的數(shù)據(jù)可見表3。

從表3中可得出，在對其進(jìn)行修正后，GPS數(shù)據(jù)的精度在不斷得到保障，在對不同地形進(jìn)行綜合考慮后，在山腰及山頂?shù)鹊匦蜗碌臄?shù)據(jù)進(jìn)度是最為適用的，可將其作為手持型GPS在開闊地區(qū)進(jìn)行測量的主要參考依據(jù)。

另外，從計(jì)算機(jī)輔助區(qū)域調(diào)查系統(tǒng)所顯示的相對定位來看，消除隨機(jī)誤差，可通過未知點(diǎn)在已知點(diǎn)的相對方位進(jìn)行定點(diǎn)，并在運(yùn)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(jié)束語

綜上所述，手持型GPS在野外地質(zhì)測量的應(yīng)用中，充分發(fā)揮了GPS自身的功能優(yōu)勢，在對手持型GPS的定位精度產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行分析，可獲取更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算機(jī)輔助調(diào)查系統(tǒng)的定位功能來代替絕對定位功能，并在該基礎(chǔ)上，消除隨機(jī)誤差，從而不斷擴(kuò)大手持型GPS在人們生產(chǎn)生活中的應(yīng)用規(guī)模。

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P228.4

A

1004-7344（2016）24-0169-02

2016-8-3

張濤（1987-），男，助理工程師，本科。