GPS准动态测量及精度分析

钟汉青

（珠海市测绘院 珠海市 519000）

1 概述

GPS相对定位的作业模式有静态定位作业模式、快速静态定位模式、准动态定位模式和动态定位模式，其测点坐标需通过测后处理，即必须将观测数据传输到计算机解算才能获得。

GPS准动态测量又称后处理差分动态定位测量，简称GPS PPK，它是根据GPS相对定位原理，将一台接收机设置在已知点上（基准站），另一台或几台接收机在进行静态初始化后依次到各待测点进行同步观测，每点观测几个历元数据。在观测结束后，将两观测值进行数据后处理，通过联合求差来确定运动载体的位置。GPS准动态测量在野外数据采集时与GPS RTK相似，即每个流动点上只需观测几个历元，点位精度即可达到厘米级，但GPS准动态测量现场无法得到测量点的准确平面坐标，需要进行数据的后处理方可得到，而且，它要求移动站在搬站移动过程中不能失锁，且需要先在已知点或用其它方式进行静态初始化 （采用有动态初始化On—The— Fly功能的软件处理时例外）。因此，在GPS RTK普遍、广泛应用的今天，GPS准动态测量方式似乎已经过时。然而，笔者在生产实践中发现，在一些特殊的环境下，该作业模式有其它任何作业模式都无法比拟的优点，有时甚至是解决问题的唯一或最优选择。下面就以特殊环境下的大比例尺地形测量实例介绍和探讨该模式的作业方法、特点及其灵活应用。

2 GPS准动态测量模式的特点及作业方法

2.1 GPS准动态测量模式的特点

相比GPS RTK测量模式及GPS快速静态测量模式，GPS准动态模式有其独特的特点：野外数据采集既可以同GPS RTK一样在待测点上只需观测几个历元，又无需数据链通讯（与RTK定位最大的区别），可广泛用于无通信数据链测区的各种不急于知道精确定位结果的工程测量，如线路测量、图根控制测量、剖面测量及大比例尺地形碎部测量等。

2.2 GPS PPK具体测量方法

首先，利用测区附近已知控制资料精确求取该测区的转换参数，然后，在测区内的已知控制点（含三维坐标）上架设GPS基准站，各流动站GPS进行静态初始化（视卫星状况8～15min即可），初始化完成后，各流动站即可进行碎部点的数据采集，每点采集（5～10）s即可，只要在移动过程中保持初始化不丢失，这种采集方式即可一直持续下去，直到采集结束。在测量前、后或测量过程中，须在测区内已知点上进行坐标检核。外业数据采集完成后，进行数据的后处理，包括基线解算、网平差等，最后，利用事先求取的测区转换参数进行坐标转换，最终得到各测量点的三维坐标值。

3 GPS准动态的测量精度及影响因素分析

3.1 测量精度分析

理论上，GPS准动态测量模式的定位精度与GPS RTK一样，可以达到厘米级。为了在运动中取得厘米级水平的定位精度，一定要先解算出“整周未知数”，最好的方法是利用静态初始化进行准动态测量。一般在进行小于20 km 的基线观测时，只要有（8～10）min（视卫星分布情况）的双频静态观测值，就能在事后基线处理中解算出“整周未知数”。

一旦静态初始化成功完成，就可以移动GPS天线进行准动态测量，观测时间一般只需几秒钟即可。在移动过程中，只要卫星定位不中断（如：因障碍物遮挡导致接收机卫星少于4颗），定位结果就会保持高精度。一旦卫星定位中断，这将丧失高精度的定位结果，此时，必须重新进行静态初始化工作。需要注意的是这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测，流动点与基准点相距应不超过20 km。为检验数据的可靠性及精度分析，我们在几个不同的工程作业前均使用GPS准动态测量方法在测区附近已知GPS点上进行了坐标检测，检测内容包括平面和高程值，检测点均为GPS D级网点，其高程为四等水准留点。

由记录表看出，采用GPS准动态测量方法与静态GPS D级控制网测量方法所得平面坐标相差不大，最大为0.068 m，若以GPS D级控制网测定的点位为准，则两个表中GPS准动态测量点位相对于GPS D级控制网测定点位的中误差分别为：

根据《城市测量规范》（CJJ 8-99）相关规定：测站点相对于邻近图根点的点位中误差不大于图上0.3 mm，地物点相对于邻近图根点的点位中误差不得大于图上0.5 mm；邻近地物点间距中误差不得大于图上0.4 mm。成图比例为1∶1 000时，图根点点位中误差为0.3 m，地物点点位中误差为0.5 m；成图比例为1∶500时，中误差分别为0.15 m和0.25 m。因此，采用GPS准动态测量方法完全能够满足大比例尺图根控制测量和地形碎部测量的精度要求。

在记录表中，共采用了均匀分布在测区内的9个四等水准点参与高程拟合，采用了7个四等水准点参与高程拟合，拟合精度均小于3 cm。

由记录表看出，使用GPS准动态方法与常规四等水准方法测量的高程值相差不大，测量数据表3中高差最大值为-0.033 m，平均为0.020 m；测量数据表4中高差最大值为0.060 m，平均为0.032 m。若以四等水准高程为准，则GPS准动态测量高程相对于常规四等水准高程的中误差分别为：

3.2 影响GPS准动态测量精度的因素分析

（1）求解的测区坐标转换参数。

求解坐标转换参数所使用的已知控制点（通常称作基准点）的精度、密度及分布状况对坐标转换参数的求解质量有着直接影响。因此，所选定的基准点要求精度要高，并且应均匀分布在测区周围。基准点的数量视测区的大小一般取3～6点为宜。一般地，在求解坐标转换参数时，应采取不同基准点的匹配方案，用不同的计算方法求得坐标转换参数，经比较后选择残差较小、精度较高，且能够控制整个测区的一组参数使用。由于坐标转换参数的求解精度与已知点两套坐标的精度和区域内点位的分布有关，因此坐标转换参数是有区域性的，它仅适用于已知点所圈定的区域和临近地区，其外推精度明显低于内插精度。

（2）坐标转换方法的选择。

主要有两种：一种是Helmert（赫尔墨特）转换法（即经典三维转换法），将坐标从WGS84基准转换到地方椭球基准上，应用地图投影得到格网坐标；另外一种方法是直接将WGS84坐标转换成地方格网坐标（即一步法），使用哪种转换方法取决于需要的结果和已知点的数量分布。在椭球和地图投影信息未知且需要将GPS测量强制附合到地方已有控制网情况下，一步法是最合适的。

（3）野外作业方法的选择。

由于测区内已知控制点精度或分布的原因，若求解的测区转换参数精度不是很好，则可通过架设两台基准站的方法进行适当弥补。具体做法为：在野外测量时，首先，在当天需要测量的区域内（或附近）选择两个相距不太远（2 km～5 km左右）、精度相对较高的控制点，在这两点上架设两台GPS准动态基准站，然后其它流动站GPS按常规进行准动态数据采集。在数据后处理时，解算两基准站所有相关基线，并约束该两点进行网平差计算，通过两个基准站平差解算出的基线解更准确，更有代表性，最后进行坐标转换，其精度会有效提高。

（4）数据后处理方法。

为保证GPS准动态测量的正确性，基线解算时必须保证能够正确解算出整周未知数，若整周未知数未解出或解算不可靠，该点应舍弃或重测。在数据后处理时剔除基线解粗差是重要环节，这是点位精度（尤其是高程精度）可靠性的重要保证。

4 GPS准动态测量的误差来源及预防措施

在GPS准动态测量的精度分析过程中，笔者总结出影响其精度的因素，主要有以下4个方面：

（1）转换参数误差。

转换参数对成果的影响非常明显，如果转换参数计算错误或误差较大，观测数据无论多么精确，结果都是错误的。因此，计算转换参数所选择的点要均匀分布于测区四周，并且，要多选择几组进行计算分析，避免出现粗差和错误。

（2）基准站设置的位置。

基准站设置不在测区中央，周围有干扰卫星信号和无线电波发射的物体存在等，这些将直接影响观测成果的精度。因为所有观测点的成果都和基准站所接收到的信息有关。

（3）操作误差。

操作误差主要是作业人员操作接收机时对中、整平等引起的误差。减少操作误差主要是提高作业人员业务水平，进行重复观测等，来降低操作误差对最后成果的影响。

（4）卫星信号和卫星分布。

卫星信号和卫星分布有时也会对测量精度构成影响。当卫星分布不均匀时，即使有足够多的卫星，其观测精度也不是很高，为了避免出现这种情况，观测前应通过卫星预报，避开这一时间段。

5 GPS准动态测量方式的缺陷及建议

5.1 GPS准动态测量方式的缺陷

（1）在作业现场无法实时得到精确的三维坐标数据，不能进行精确的坐标放样等工作。

（2）在“一些特殊的环境下”意味着在一定环境条件下方能发挥其独特的作用，即全站仪不宜设站、不适合GPS RTK作业的地区，如沼泽、沙漠、滩涂等。因此，GPS准动态测量只能是在特定条件下的有效补充作业手段。

5.2 GPS准动态测量方式建议

（1）随着距离的增加，点位及高程误差成正比增长，增长大小取决于转换参数所能控制的范围和精度。因此，参考站与流动站间的距离应尽可能的短，理想情况是小于3 km，超过5 km的基线应尽量避免。

（2）在选取求解测区坐标转换参数的已知控制点时，要十分慎重，应尽量避免“外推”，以确保坐标转换参数的质量。

（3）一般情况下，测量链（由静态初始化与流动阶段的观测值以及随后各准动态点上的观测值组成）不应过长，建议测量到一定点位后（如最大不超过50个点），结束测量链并重新初始化，开始另一条测量链。

（4）测区应尽可能开阔，测点的旁边不应有大量的障碍物，在整个测量过程中，应至少保持5颗卫星可见，6颗以上卫星效果更佳，以保证卫星信号强度，否则，将大大降低野外作业的效率。

（5）静态初始化阶段，流动站应保持稳定，即使是几厘米的移动也将使事后处理数据很难进行。由于移动而引起的整周未知数的无法解算将导致起始点及随后测量的一系列点位的精度显著降低。

（6）在地形测量中，若等高距为0.5m以上时，GPS准动态既可以直接进行碎部点采集，也可进行图根水准点布测。

6 结语

综上所述，GPS准动态测量模式作为在特定条件下地形测量的一种有效补充手段，依然有很强的生命力，还有很大的应用空间和应用领域，在今后相当长的一段时间内仍然具有广阔的发展前景。

1 王海峰，高娓.影响夏邑县煤田预查区GPS控制测量精度的问题[J].山西建筑，2010，17.

2 应元康.提高差分GPS定位时水深测量精度之对策[J].浙江测绘，1997，03.