野外地质测量中GPS定位的误差及修正方法

唐兴国

（重庆市地质矿产勘查开发局607地质队，重庆 400056）

野外地质测量中GPS定位的误差及修正方法

唐兴国

（重庆市地质矿产勘查开发局607地质队，重庆 400056）

针对手持机的特点，通过实际测点分类统计分析各方面因素对误差产生的影响程度，进而得出修正，提高测量精度和实用性。本文主要探讨了野外地质测量中GPS定位存在的误差及修正方法。

地质测量；地形因素；误差分析；修正方法

引言

GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing andRanging／Global Positioning System。含义就是利用导航卫星进行测时和测距，对海、陆、空进行全方位实时二维导航与定位，构成全球定位系统。其中影响GPS定位精度的因素可分为以下几大类：与GPS卫星有关的因素(卫星星历误差、卫星钟差等)；与传播途径有关的因素(电离层延迟、对流层延迟、多路径效应等)；与接收机有关的因素(接收机天线相位中心偏差、接收机精度等)；数据分析的软硬件误差等。

1 试验方案设计

本次试验所用的手持GPS是美国麦哲伦(Mage1.1an)公司推出的GPS315手持式仪器，定点经纬度显示精确到秒级。为了分析不同因素对GPS误差产生的影响，基于统计分析原则，可以利用GPS在野外定若干个样点的坐标，并利用微地形法则将其实际位置标注在地形图手图上，回到室内进行计算和统计分析实测数据记录项目包括每个点的GPS坐标、地形、高程以及定点时的天气和时间。同时记录该点较其他点的特殊因素(比如某一点的植被较好)。实际操作时，利用计算机辅助地质调查系统Geo.Survey，对比计算实际点与GPS所定的点的距离误差以及方位角误差，然后分别得出各种地形、高程、天气等因素对GPS定位误差影响。以下是本次试验流程：数据获取一数据转录一统计比较一分析原因一提出校正模型。测量实际点的误差主要来源于地形图底图本身误差、野外定点误差和室内转标误差，本文在使用大比例尺(1:2000)地形图的基础上，忽略地图误差和室内转标误差，主要探讨地形、高程对GPS定位误差的影响。

2 数据分析

按照上述方案，本文通过对某矿体多个样点进行对比研究，从实际出发，针对手持型GPS的定位误差进行分析实际取得100余个点位的数据，具体如表1所示。

通过对试验区样本与手图实际值的对比计算，在极坐标系(以距离误差为极半径，以方位误差为极角)内绘出GPS定点相对于实际点的漂移投影散点图。统计结果表明GPS点相对于实际点的漂移并非杂乱无章，显示72.2%的漂移距离误差集中在0～80m范围内，72.O%的方位误差集中在0。～90。范围内。误差的这种分布规律可以认为是在影响GPS定位精度的众多因素中有一个指导性因素的指示。

地形的影响主要是引起信号传播过程中产生多路径效应。由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，致使接受机无法捕获卫星或接收不到卫星的信号，使定位精度人为降低。在城市或在野外使用GPS时，接收机有时仅仅能接收到2～4颗卫星信号(6—8颗卫星才能做到精确定位)，而且时间短促，加之手持型接收机的定位精度一般也就在20—30m左右(排除以上因素)，这样误差达到50m，甚至近百米也就不足为奇。在地形因素中，还有一个非常重要的问题——水。而水对电磁波有很强的反射能力，因此在湖面湖边等处，GPS定位的精度也大打折扣。对于多路径效应，目前在手持机方面还没有很成熟的方法加以克服。

可以使用数据的离散程度来衡量在该种地形地貌下误差的大小，使用统计学中的AVEDEV函数来计算某地形下数据绝对偏差的平均值。

AVEDEV：result=Σ|x—x|/n X：数据平均值，n：样本数

表1即反映了各地形因素下的偏差平均值。在地形因素影响下，偏差平均值越大，数据越混乱，在这种地形下的GPS误差也就越大。

表1 地形因素下的偏差平均值

图1和图2分别是不同地形因素下距离误差和方位误差的分布。从这些图表可以非常直观地看出在各个不同地形下误差的大小。

从以上的分析不难得出，在野外使用手持型GPS时，山腰、山脊、山顶、无山平坦处等地形下，GPS所受的影响相对较小。而在陡崖、沟谷等地GPS所受的影响较大。陡崖处的接收机定位误差很大，又无规律可寻，可以考虑使用GPS相对定位代替绝对定位，至于在山腰等处的定位点可以加上修正模型加以更正。

图1 不同地形因素下距离误差平均值

图2 不同地形因素下角度误差平均值

此外，高程、时间不是影响误差的关键因素。在地表范围内甚至不能单纯的说高程是影响GPS定位精度的因素。手持型GPS高程定位能力是比较差的，GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的三维坐标：经度、纬度、高度；若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出二维坐标：经度和纬度，而且这时经度、纬度也不是一个很准确的值。这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。在野外定点时，不推荐使用手持GPS进行高程测量。

从理论上讲时间对GPS野外测量误差没有影响，实践中GPS定位的距离误差不受使用时间影响，而方位误差则在时间因素上成不规律的波动。

3 修正方案探讨

从前面对试验区数据的分析中可以对数据给出简单的修正方案，修正方案根据误差类型可以分两种：第一种即对图2的二维坐标系进行坐标平移，重新设定原点按照以一定半径的圆内落入的点数目最多为原则。经过尝试，选定(36m，50。)为新的原点，也就是说要对GPS点进行向5O。方向偏移36m的修正，修正的数据如表2所示。

表2 原始距离误差与修正后的距离误差对照表

可以看出，经过修正以后，GPS的数据精度大大增加。再考虑地形因素，尤其对于山顶、山脊、山腰等地形下的数据精度非常适用，可以考虑作为开阔地区进行GPS手持接收机测量的一条具有参考价值的修正方法。

第二种方案是利用计算机辅助区域调查系统提供的相对定位方式来消除随机误差，即利用未知点在己知点的相对方位来定点，并且在运用这种相对定位方式时，同一类地形条件之间相对定位更为有效。本文提出的方法对于不同型号的GPS都是适用的。

结束语。GPS在工程测量、导航定位等应用中所具有的优越性和方便性，使其应用越来越广泛。在野外地质测量中小巧方便的手持GPS机能够起到辅助定点和导航的重要作用，从上面各因素对距离误差和方位角误差的影响分析可以看出，但是我们可以利用二维坐标系、计算机辅助区域调查系统提供的相对定位方式来消除随机误差，这样我们可以得到更为准确的数据。

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