GPS基站與地理因素

1、GPS基站與地理因素杜國牛西南石油大學建筑工程學院07級測繪工程專業(yè)摘 要此文主要是對于GPS測量中地理因素等通過影響衛(wèi)星信號和UHF信號對GPS精度影響進行理論討論，系統(tǒng)的分析討論GPS基站架設位置與其測量精度的外力作用，并結合生產(chǎn)實際總結出GPS測量基站選擇合適地理因素位置的方法以及應該注意的問題，給沒有實際GPS測量操作經(jīng)驗的同仁以粗淺的指導。關鍵字GPS測量基站、地理因素、方法1、前言GPS（Global Positioning System）是全球定位系統(tǒng)的簡稱，它是美國為滿足自己在全球軍事戰(zhàn)略上的需求，于70年代發(fā)展起來的適用于全球的定位技術。到90年代這一技術進入完全運行狀態(tài)，隨

2、著它在定位精度上的提高，開始在測量領域發(fā)揮顯著作用。從最初用于高精度大地測量和控制測量，建立各種類型等級的測量控制網(wǎng)，到現(xiàn)在用于各種類型的施工放樣、測圖、變形觀測和地理數(shù)據(jù)的采集等。尤其是在各種類型的測量控制網(wǎng)的建立方面，GPS定位技術已基本取代常規(guī)測量手段，成為主要的測量技術手段。目前我國采用GPS技術布設了新的國家大地測量控制網(wǎng)，很多城市也都采用GPS技術建立了城市控制網(wǎng)。GPS-RTK技術與常規(guī)儀器相比，明顯地提高了作業(yè)效率和作業(yè)精度。但在GPS應用方面，測量人員的測量操作受到許多地理因素的影響，地理因素影響最大的就是測量基站位置的選擇；如果不能很好的認識和處理這些地理因素，就不能選擇一

3、個好的基站位置和測量模式，在實際測量過程中就會浪費不必要的時間和精力。為了更好的完成GPS測量任務，有必要對與基站選擇有關的地理因素詳細認識了解清楚！并總結出選擇方法！2、GPS基站與地理因素GPS基站的正確架設需要考慮很多的因素，這些因素是影響GPS精度高低的重要來源，GPS衛(wèi)星信號從高空向地面發(fā)射,若接收機天線周圍有高大建筑物或水面時,建筑物和水面對電磁波具有強反射作用,天線接收的信號不但有直接從衛(wèi)星發(fā)射的信號(直接波),還有從反射體反射的電磁波信號(反射波),這兩種信號產(chǎn)生干涉,從而使觀測值偏離真實值,GPS定位產(chǎn)生誤差,該誤差稱為多路徑效應。多路徑效應誤差會嚴重影響GPS測量的精度,甚

4、至還會引起信號的失鎖；測量人員為了提高GPS測量精度和減少架設基站次數(shù)節(jié)省時間提高效率，就有充分對這些因素認識和了解，在實際運用時便能夠為實現(xiàn)高精度高效率的目標提供穩(wěn)定可靠的前提條件！下面就各種因素具體詳細分析各自對GPS基站信號接收的影響。2.1、地物因素 各種地形對衛(wèi)星信號的影響作用原理不同，需要對其影響原理和大小有清楚認識了解。影響比較大的地形因素主要有：高大山體和建筑物、大型水面、人為電輻射干擾物等，影響作用一般表現(xiàn)為阻擋、吸收、反射、干擾等，在GPS測量操作中首要考慮因素便是地形因素。、高大山體和建筑物首先測量員在山區(qū)進行GPS測量時，高大山體是最常見的地物，基站選擇的時候?qū)τ谏襟w位

5、置、大小、高低都要進行詳細的研究和考慮，做出正確的基站位置選擇。山區(qū)多高大的群山，群山間的平坦開闊地是大部分人聚居場所，也是有許多測量工作的區(qū)域，測量工作得在兩山之間進行；山的高度就決定了GPS信號的強弱，GPS接收機接收信號的時候只能夠接受到一定高度角的衛(wèi)星信號，對于地球上的某個地點，衛(wèi)星高度角是指衛(wèi)星與地面點連線方向和地平面之間的夾角,專業(yè)上講衛(wèi)星高度角是指某地衛(wèi)星地面點連線與該地作垂直于地球半徑的地表切線的夾角，山峰越高，能夠收到信號的衛(wèi)星的高度角越大，于是能夠進行長時間鎖定的衛(wèi)星也就越少，因為衛(wèi)星在不斷地運動過程中，GPS衛(wèi)星在距地表20 200km處，周期12恒星時（恒星時是天文學和

6、大地測量學標示的天球子午圈值，是一種時間系統(tǒng)，以地球真正自轉為基礎：即從某一恒星升起開始到這一恒星再次升起為23時56分4秒?？紤]地球自轉不均勻的影響的為真恒星時，否則為平恒星時），其運行速度很快，在峽谷地形，很快會離開接收機能夠接受信號天空區(qū)域，地面高山峽谷里的接收機也許只能在很短的時間里收到其信號；對于很高的山體峽谷中的接受機來說能夠鎖定4顆及4顆以上衛(wèi)星的時間很短，進而進行定位解算的時間也就不夠，不能解算出高精度的坐標信息；有的時候只能搜索并鎖定4顆以及更少的衛(wèi)星，這個時候進行坐標精確解算的觀測量不夠，定位精度將會更低，考慮到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、

7、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經(jīng)緯度和高程! U" p9 e) J5 j: H% R0 y，所以在實際的大型工程中這時的數(shù)據(jù)便沒有了運用價值。山區(qū)的地形多曲折，能夠收到衛(wèi)星信號的情況下還要考慮山體對UHF（超高頻UHF -Ultra High Frequency）電臺信號的阻擋作用，移動站與基站之間通過UHF電臺接受和發(fā)送差分信號，進行實時差分。山體峽谷地形曲折，高山之間相互阻擋，會降低差分信號的強度，甚至移動站根本接受不到UHF電臺的信號，這個時候就不得不進行基站的搬動并聯(lián)測上一基站的兩個及兩個以上的點位！在山區(qū)地形搬站是個很麻煩的事情，

8、如果開始的時候基站沒有選擇好，搬站的次數(shù)多了，就會浪費很多的時間，降低工作效率。于是山區(qū)地形GPS測量僅考慮地形因素的時候，需要綜合分析山體的高度、位置、大小、曲折情況和測區(qū)的相對位置關系，選擇合適的地點架設基站，以減小定位位差并提高效率。綜合上述的分析，在山區(qū)測量時，應將基站架設在山區(qū)中地勢開闊的區(qū)域、山頂上空曠處（如果能夠很短時間到達山頂）、半山腰地勢開闊處（一面背靠大山，山腰所面對的其他三個方向沒有大山阻擋），盡量避開高大山體的阻擋，事實上測站不宜選擇在山坡上。由于無論測站選在山坡的任何地方,都會產(chǎn)生多路徑效應的影響，同樣測站也不宜設在山谷或盆地中。另外,當山坡的坡度過大時,在截止高度角

9、以上就會出現(xiàn)障礙物,影響衛(wèi)星信號的接收，架設基站的同時考慮測區(qū)內(nèi)移動站的最遠位置是否能夠收到UHF電臺的信號，避免不必要的遷站浪費時間。其次在城市區(qū)域，基站架設面臨許多人為高大建筑物的干擾問題，其對衛(wèi)星信號影響原理基本同上述山區(qū)高大山體部分內(nèi)容。但是城市區(qū)域的建筑物畢竟沒有山區(qū)的高山高，所以架設基站的時候盡量選擇高大建筑物的頂層空曠平臺上是個最佳的選擇，也不存在儀器難以運輸?shù)膯栴}，城市便利的運輸條件為基站的搬站和架設提供的快捷的渠道。2.1.2、大型水面GPS在水利工程方面的運用也很廣泛，特別是大型河流的橋梁架設、電站修建、庫區(qū)維護以及其變形監(jiān)測等等，常用在水利設施控制網(wǎng)的建立和碎部點位的測量

10、記錄。水利設施附近有著大片的匯水區(qū)域，測區(qū)范圍也在匯水區(qū)域的周圍，GPS測量工作時基站與匯水區(qū)域的距離直接影響到測量精度的高低。水面對電磁波有強烈的反射作用，可以充分利用反射波能量的衰減原理,有效地減少反射波的干涉。由于電磁波在大氣中傳播會衰減,衰減公式為:I=I0e-D式中:I0入射能量;I反射到天線的能量;D光程;衰減系數(shù)。 圖-1 鏡面反射當取=0.23時,相距10 m時,信號衰減到1/10;相距100 m時,信號衰減到1×10-10。所以,為減少多路徑效應影響,在安置天線時,應盡量避開或遠離強反射物,如水面、平坦光滑地面和平整的建筑物。水面幾乎100的反射微波信號，對于平靜的

11、水面屬于鏡面反射（如圖-1），經(jīng)過反射到達接收機的衛(wèi)星信號與直接到達接收機的信號重疊干涉，改變信號的強弱（電磁波振幅大?。┏潭龋邮諜C在進行坐標解算時使得觀測值偏離真實值；另外在大型水面周圍架設基站時，高頻電磁波波長小，在現(xiàn)實中障礙物的尺寸一般都比較大，不容易發(fā)生衍射而穿過，于是UHF電臺發(fā)射的高頻差分信號也會在水面有很強的反射，在大型水面周圍進行測量和放樣作業(yè)時，移動接收機接收到得信號也會出現(xiàn)干涉的多路徑效應誤差影響。這就要求在選點時應盡可能地遠離大面積水域，當無法遠離時，由于灌木叢、草地和其他地面植被應能較好地吸收微波信號的能量，反射很弱，因此在相同情況，可根據(jù)地表植被來判斷選點位置，來減

12、弱多路徑效應影響。在這個時候還要考慮一個因素，植被在不同的時間段對電磁波的吸收作用也是不同的，下一小節(jié)講會說明。、人為電輻射干擾物GPS測量工程區(qū)域能夠遇到的常見人為電輻射干擾物主要有：雷達、電視電話信號發(fā)射塔、高壓輸電線線、大功率電器等等，這些地物本身在不斷地發(fā)射很強的電磁波信號，雷達、高壓電線、微波中繼站等,這些強輻射源不僅自身會導致反射波產(chǎn)生多路徑效應,而且它們所輻射的強電磁波,會很容易燒壞靈敏度極高的GPS天線單元。人為電輻射干擾物常常對GPS衛(wèi)星信號進行電磁波干擾，電磁干擾(EMI) 是干擾電磁信號并降低信號完好性的電子噪音，電磁干擾（Electromagnetic Interfer

13、ence 簡稱EMI），是指電磁波與電子組件作用后而產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象，有傳導干擾和輻射干擾兩種。對于GPS衛(wèi)星的電磁干擾主要是輻射干擾，輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡，在高速PCB(印刷電路板)及系統(tǒng)設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其它系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其它子系統(tǒng)的正常工作，輻射干擾傳輸是通過介質(zhì)以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。常見的輻射耦合由三種：1. 甲天線發(fā)射的電磁波被乙天線意外接受，稱為天線對天線耦合；2. 空間電磁場經(jīng)導線感應而耦合，稱為場對線的耦合；3.兩根平行導

14、線之間的高頻信號感應，稱為線對線的感應耦合。在實際工程中，兩個設備之間發(fā)生干擾通常包含著許多種途徑的耦合。正因為多種途徑的耦合同時存在，反復交叉耦合，共同產(chǎn)生干擾，才使電磁干擾變得難以控制影響GPS接收機的精度?！案蓴_”指設備受到干擾后性能降低以及對設備產(chǎn)生干擾的干擾源這二層意思。第一層意思如雷電使收音機產(chǎn)生雜音,摩托車在附近行駛后電視畫面出現(xiàn)雪花,拿起電話后聽到無線電聲音等。任何一個電磁干擾的發(fā)生必須具備三個基本條件：首先應該具有干擾源；其次有傳播干擾能量的途徑和通道；第三還必須有被干擾對象的響應。為了減少電磁干擾帶來的誤差，在測量區(qū)域基站的架設位置需要遠離能夠發(fā)射強電磁波的設備。、植被植被

15、是含有大量的水分的生物，在實際測量區(qū)域，基站周圍或者移動站周圍有大量高大的植物存在，將會嚴重降低測量定位的精度，影響差分信號的發(fā)射和接受，造成信號的不穩(wěn)定和不連續(xù)性；且在一天時間里，隨著時間的不同太陽光照的入射角度變化，植被對GPS衛(wèi)星信號和UHF電臺信號的影響作用也不同。測量人員有必要清楚認識其中的規(guī)律，在實際的測量作業(yè)時才能很好的處理基站架設問題。GPS衛(wèi)星信號在植物區(qū)域主要受到植物周圍大氣濕度的影響以及植物本身對電磁波信號的吸收作用，電磁波的空氣折射率與空氣密度和水汽密度（即水汽濕度）成正比，植物周圍的大氣濕度相對高于其他干土壤地區(qū)，于是高濕度區(qū)域?qū)﹄姶挪ㄓ泻軓姷母蓴_作用。當相對濕度相同

16、時，溫度越高，蒸汽壓越大；當溫度相同時，相對濕度越大，蒸汽壓就越大。當大氣溫度增高時，氣孔下腔蒸汽壓的增加大于空氣蒸汽壓的增加，使葉內(nèi)外的蒸汽壓差加大，有利于水分從葉內(nèi)逸出（如圖-2），蒸騰加強，特別是中午的時候氣溫升高，在中午的時候氣溫相對于一天中式氣溫最高，對電磁波的干擾作用最高；植物葉片水分的含量在一天中的變化隨著溫度的變化而變化，表現(xiàn)出來現(xiàn)狀的就是蒸騰作用的強弱，影響蒸騰作用的因素主要有： （1）外界條件，光照、空氣相對濕度、溫度、風；（2）內(nèi)部條件，氣孔頻度（數(shù)量、大?。?、 圖-2葉片的吐水作用細胞間隙面積（葉片內(nèi)部面積大?。?。其中光照是影響蒸騰作用的最主要外界條件，它不僅可以提高大

17、氣的溫度，同時也提高葉溫，一般葉溫比氣溫高210。大氣溫度的升高增強水分蒸發(fā)速率，葉片溫度高于大氣溫度，使葉內(nèi)外的蒸汽壓差增大，蒸騰速率更快。此外，光照促使氣孔開放，減少內(nèi)部阻力，從而增強蒸騰作用，于是增加植物周圍的大氣濕度增加了對電磁波的干擾作用。并且植物密集區(qū)域?qū)τ赨HF高頻電臺信號有很強的阻擋作用，使得接受機不能很好的收到差分信號。實際作業(yè)時，對于測區(qū)有大量的植物，架設儀器時需要盡量避開這些區(qū)域；如果測區(qū)內(nèi)有大量密集的植物，測量時間盡量選擇在早上或者下午，避開中午溫度高的時段。2.2、時間因素 在GPS運用中的時間因素主要表現(xiàn)在對星歷預報的使用以及一天之中在其他因素相同情況下合適觀測時間

18、的選擇，星歷預報可以為測區(qū)內(nèi)所能接受衛(wèi)星進行提前預報輔助，為最佳觀測時間段的選擇提供參考依據(jù)。GPS衛(wèi)星播發(fā)的導航電文中包含廣播星歷,可用于GPS實時定位計算,而預報星歷(歷書)則用于較長周期內(nèi)對衛(wèi)星位置進行預報。在 GPS定位測量中,我們最常見的是應用預報星歷預報未來一段時間內(nèi)可見星的分布情況，以輔助測量工作的實施；應用預報星歷可以預報衛(wèi)星未來一段時間內(nèi)的衛(wèi)星位置,預報衛(wèi)星幾何分布精度因子。因此,在GPS衛(wèi)星定位測量中,可以根據(jù)前期觀測獲得的衛(wèi)星預報星歷,完成以下工作:(1) 未來一段時間內(nèi)可見星個數(shù)及其分布情況的預報。這方面的工作,相關文獻都有研究。GPS解算軟件都有可見星的預報功能。在此

19、基礎上根據(jù)當?shù)匦l(wèi)星星歷預報就可以選擇最佳的時間區(qū)域架設基站，而能夠提高作業(yè)效率以減少不必要的弱信號區(qū)間等待。(2) 根據(jù)預報星歷對GPS測量網(wǎng)形和觀測方案進行優(yōu)化。GPS測量有關規(guī)范規(guī)定 , 無論是絕對定位或相對定位,衛(wèi)星絕對定位幾何精度因子( PDOP)和相對定位幾何精度因子(RDOP)的值均不能超過一定限值。因此在布設 GPS網(wǎng)時,可以根據(jù)接收到的預報星歷計算PDOP和RDOP值,對網(wǎng)形和觀測方案進行優(yōu)化設計?？梢娫跍y量任務中使用星歷預報也是一個很好的輔助，我校測繪教研室經(jīng)常使用的中海達GPS；在測量時，可以使用HDS2003數(shù)據(jù)處理軟件上的星歷預報功能輔助測量任務的完成。2.3、大氣因素

20、GPS衛(wèi)星位于大氣層之外的高層太空中，其發(fā)射的定位電磁波信號需要經(jīng)過電離層和對流層到達地面的接收機，在穿過電離層和對流層時，電磁波定位信號會出現(xiàn)電離層折射誤差和對流層折射誤差。對于一般的工程GPS用戶需要了解這些誤差的大小及其原理，在實際的測量中運用各種方法提高測量精度消弱這些誤差的影響。、電離層電離層通常是指地球上空距地面在60-1000KM之間的大氣層，電離層中的部分氣體分子由于受到太陽和其他天體強烈輻射的影響，產(chǎn)生強烈的電離并形成大量的自由電子和正離子。當GPS衛(wèi)星信號通過電離層時，與其他電磁波信號一樣，信號的路徑會發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化。所以用信號的傳播時間乘以真空光速而得到的

21、距離就不會是等于衛(wèi)星與接收機之間的幾何距離，這種偏差叫做電離層折射誤差。衛(wèi)星信號在電離層產(chǎn)生的各種誤差量都與電磁波信號傳播路徑上電子的總量和電磁波信號頻率有關，對于GPS信號，它的頻率是固定的，所以傳播路徑山的電子總量就成為影響信號誤差的重要變量。電離層的電子密度是變化的，并且與多種因素有關，其數(shù)值隨太陽及其他天體的輻射程度、季節(jié)、時間和地球上地理位置等位置的變化而不同，主要的變化原因就是輻射強度，輻射強度的高低直接影響著電子密度的高低。根據(jù)有關實驗資料顯示：電離層中的電子密度白天使夜晚的五倍，在一年中冬季和夏季可以相差四倍，太陽黑子活動高峰期的電子密度約為低峰期的四倍。電離層折射的影響而使其

22、信號在傳播路徑上產(chǎn)生距離偏差，當衛(wèi)星信號從天頂方向進入天線時距離偏差最大可以達到50M左右，在衛(wèi)星信號沿接近水平方向進入天線時距離偏差值最大可達150M左右。電離層能夠引起如此大的偏差，有必要采取合適的方法以減小其的影響。對于電離層誤差的減小，首先基站接收機的選擇上，應選擇雙頻接收機，雙頻接收機能夠同時接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的兩個頻率f1和f2信號并分別進行測量，獲取兩個觀測值。由于這兩個頻率的信號是沿著一條路徑傳播到達接收機天線的，雖然在傳播路徑上的電子總量是無法準確計算的，但是其相對這兩個頻率信號來說應該是相同的。運用雙頻觀測法進行定位信息改正后，距離殘差值能夠達到厘米級，能夠有效地消弱電離層

23、折射誤差的影響。其次在觀測方法上可以利用同步觀測求差分法，在相距不太遠的兩個或者多個觀測站上對相同的GPS衛(wèi)星進行同步觀測，由于GPS衛(wèi)星信號到達兩個或多個觀測站所經(jīng)過的傳播路徑的氣象狀況甚為相似，因而電離層折射誤差對這些觀測值的影響具有很大的相關性，通過將相應的觀測值求差分可以有效地消弱電離層誤差的影響，此方法在實際的操作時即為運用RTK(Real - time kinematic實時動態(tài)差分法)差分技術。再次在觀測方案的時間選擇上，由于電離層折射誤差影響的大小與電磁波信號傳播路徑上的電子總量有密切的關系，所以選擇最佳的觀測時段，比方說夜晚，此時太陽等其他天體的輻射很弱，大氣電離的程度小，電

24、子總量小，從而達到減弱電離層折射誤差影響的目的。當然了，對于初學者和熟練這來說，上述的方法已經(jīng)能夠消弱大部分電離層折射影響達到使用要求，在實際的GPS測量工作中還有一些其他的辦法來消弱電離層折射誤差影響，這里就不進行討論了。、對流層對流層是高度在為40 KM以下的大氣底層，集中了大約75%的大氣質(zhì)量和95%以上的水汽質(zhì)量，其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復雜。對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，溫度隨高度的上升而降低，平均每升一千米溫度降約6.5°C.雖然對流層中有少量的帶電離子，但是其對電磁波的傳播幾乎沒有影響，實際上對流層的大氣是呈中性的，對于電磁波的傳播不屬于彌散型的介質(zhì)，因此電磁波在對流層大氣中的傳播速度與信號的頻率無關。當GPS信號通過對流層時，會使信號的傳播速度發(fā)生變化，這與大氣的折射率有關，同時也會使信號的傳播路徑發(fā)生彎曲，從而使測量距離發(fā)生偏差，這種現(xiàn)象叫做對流層折射。對流層折射與地面大氣壓、溫度和濕度的變化時密切相關的，使得對流層折射比電離層折射更加的復雜；另外對流層折射的影響還與衛(wèi)星信號的高度角有關，如當GPS衛(wèi)星在觀測站的天頂方向（信號的高度角約為90.C）時，對流層折射影響可達2-3M；而當衛(wèi)星信號在接近水平方向（高度角約為10.C）傳播時，其影響可達30M左右。雖然對流層折射相對于