标准化视域下GPS接收机检定中数据后处理关键问题研究

张月峰

（山东省国土测绘院，山东 济南 250013）

随着我国经济快速发展，国土建设方面也取得了极大成就。而通过对国土建设项目的持续、快速投入与推进，促使我国在国土相关项目基础设施中实现了跨越式发展，进一步发挥了国土资源对我国经济建设的促进作用。而在实际进行国土项目建设中，为保证建设质量，需要重视GPS接收机使用，以此获取相关数据信息，为建设工作开展提供数据支持。但在使用GPS进行信号接收时，数据后处理关键问题会影响数据准确性以及国土建设工作开展质量。因此，在相关工作开展中，应加强对GPS以及数据后处理关键问题的研究。

1 GPS信号接收机

使用GPS卫星发送导航定位信号，能够为大量用户提供信息并实现信息共享，将其应用于海陆空等领域中，能够满足不同领域需求。在相关设备支持下，用户利用接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备，即GPS信号接收机，可随时随地借助GPS信号获取定位信息进行导航，满足了使用者的要求。而根据使用目的不同，用户对GPS信号接收机的需求存在差异。现阶段，世界范围内已有几十家GPS接收机生产工厂，产品包含几百种类型，可满足不同领域信息接收需求。结合产品的原理、用途、功能等可进行准确分类。

从静态定位角度而言，GPS接收机捕获和跟踪GPS卫星过程维持固定不变状态，通过提升接收机测量的GPS信号精度，并对时间进行精准把控，在GPS卫星支持下可获取用户所在地信息，并且可在短时间内，解算出接收机天线所在位置三维坐标信息。从动态定位角度而言，是利用GPS接收机对运动物体的运行轨迹进行实时定位。在这一过程中，GPS信号接收机放置位置为载体，利用载体上GPS接收机天线对GPS卫星相对地球运动的过程展开跟踪，可获取接收机GPS信号实时运动载体状态参数，主要包括瞬间三维位置和三维速度。

在GPS信号接收机中，接收机硬件、机内软件、GPS数据后处理软件包等作为GPS用户设备的重要组成部分，在接收机中发挥着不同功能。同时根据GPS接收机结构，可将该设备划分为天线单元与接收单元两部分。对于测量的接收设备而言，通常需要将两个单元视为两个独立部件，在进行测量时，需要将天线单元安置于测站处，并在测站附近安置接收单元，并利用电缆线将天线单元与接收单元联系起来，以此使两者成为一个整体，或者是直接将天线单元和接收单元制作成一个整体，并将其安置在测站点上进行观测。

2 GPS卫星定位系统

2.1 空间星座部分

现阶段，GPS空间部分是由围绕地球运行的24颗卫星组成，卫星距地面约1.7万km，全部卫星中21颗为工作卫星，轨备用卫星为3颗。24颗卫星于6个绕地球轨道上均匀分布并运行，不同轨道间倾角为55°，轨道平面间相距60°，平均高度为20 200 km，经计算卫星绕地球一周时间约为12个恒星时，具体为11时58分。对地面观测人员而言，日常见到一颗GPS卫星时间与前一天相比会提前4分钟。而卫星颗数会随时间、地点变化而产生不同，地平线以上同一时间至少可见4颗卫星，最多为11颗。在使用GPS设备进行信号检测时，为更好地满足用户需求，需要解算观测站获取到的三维坐标信号，观测时必须同时至少对4颗GPS卫星进行观测，各颗卫星均可发出导航定位信号，为用户进行定位提供相应信息，而GPS工作卫星也是利用自身的功能为地面导航工作开展提供支持。在使用GPS工作卫星系统工作中，其功能如下：

（1）GPS工作卫星工作期间，主要使用时L波段19 cm和24 cm无线载波发送信息以及进行导航定位。而获取到的型号内容包括：粗略导航定位伪距C/A码、精密时间标准、精密测距码，其中，精密测距码包括卫星运行空间位置、卫星工作状态导航电文。

（2）当卫星运行位置处于地球注入站上空的时候，地面注入站一般会使用S波段（即10 cm波段），将工作状态导航电文与当下运行空间位置等信息发送到卫星，并由卫星将信息发送给用户，采用这种方式展开国土测绘工作，既可减少测量工作量，又可提升测量精准度和测量工作开展效率。

（3）地面主控站工作期间，主要是经过注入站向卫星发送调度命令，卫星在接收到调度命令后，根据需求对卫星姿态进行调整，能够对卫星运行轨道偏差进行纠正。

2.2 用户接收部分

在用户接收部分中，接收机是一项十分关键的部分，主要相关的配套设备包含天线、电源以及数据处理软件等。用户接收部分的主要功能是接收来自GPS卫星播发的信号，这些信号是根据设定的一定数值的卫星高度截止角选择待测卫星，并对其信号进行接收。除了接收信号外，还需要对卫星运行状态进行跟踪，以便能够及时获取定位信息和导航信息，并将导航电文中的广播星历、卫星钟改正等参数提取出来，通过一定的数据处理后能够为后期导航工作的开展提供数据支撑。

3 GPS卫星定位原理

在使用GPS进行卫星定位中，通常会应用将“一点与另外几个点间距离交会确定点位”的方法，GPS定位原理与这种方法类似，其定位原理是借助空间分布卫星以及卫星与地面点距离交会确定地面点位置。简而言之，GPS定位原理是一种空间距离交会原理。在使用GPS进行定位的时候，主要是在已经确定的地面位置上安装好GPS接收机，而同时获取到的GPS卫星发射信号至少来源于4科卫星，结合卫星星历可获取到卫星在瞬间位置，并在短时间内计算出两个地点间距离数据信息。

4 GPS接收机数据后处理关键问题及应对措施

通过对数据后处理的关键问题展开分析，主要高度角、数据采样间隔等，会对测量结果产生较大影响，针对此类问题为减少其负面作用，需要加强对其研究，并将GPS接收机检定工作作为切入点，思考关键问题应对措施。

4.1 卫星高度截止角

卫星高度角的截取直接关系到卫星数据观测以及基线处理，若观测角相对较低，一旦卫星信号强度太弱或信噪比较低，就易引发信号失锁现象，或者导致信号在传输路径中受大气折射影响，进而引发搜索失败。若选择的卫星高度角较大，易导致观测卫星数不足或取得的卫星图形强度较低，该高度角下的卫星数据信息难以获取到最佳基线值。一般而言，在进行高度接视角设置时，通常设置为默认值，即20°，若同步观测卫星较少或观测时间较短，对短基线而言，应适当降低高度角，并对获取到的信息进行重新计算，这样能够保证获取到的基线结果满足要求。但同时应注意必须保证观测站数据稳定性，且环视条件良好，并对结算后的基线进行审核，重点审核同步环和异步环，从而保证获取到的信息正确性。若采用设置默认值方式对基线进行结算后失败，同时连续观测时间较长，卫星数量较多，图形强度因子GDOP值较小，应适当增加卫星高度角并进行重新计算，这样才能保证取得的结果更加符合要求，而该现象产生与观测环境地仰角卫星信号的多路径效应与时间延迟有关。

4.2 采样间隔

在卫星接收机中，内部采样频率指的是野外作业期间设置的数据采集间隔时间，通常在1～255 min，采用自由设置方式，通常默认为15 min，接收机内部采样率通常较高。而对基线进行处理时，并非全部数据需要进行处理，而是根据优化原则选择对部分数据进行处理。处理期间通过采集高质量载波相位观测值，能够有效解决周跳问题。同时通过适当提升采集密度，能够实现对周跳的诊断与修复。因此，在采用快速静态作业或该基线观测时间较短情况下需要对采样间隔时间进行设置，通常需要将其缩短，这样能够进一步保证卫星系统获取到的数据准确性，可为监测工作开展提供更加可靠的信息。

4.3 无效历元

在国土测绘工作中，利用卫星系统获取到的数据并非完全准确，通常会受到一些因素影响导致出现偏差，如卫星健康情况较差，观测站环境不理想，卫星数据信号经常失锁，卫星低仰角受卫星信号太弱、信噪偏低影响引发失索等。此时需要对卫星星历进行处理。通过观察基线情况，并对其进行详细分析，可实现对卫星观测中周跳情况检查，便于剔除卫星中失锁次数较多或观测理元数较少的卫星，以便于及时进行卫星更换，能够为定位工作开展提供有效服务。

4.4 坐标系统确定

在使用GPS接收机期间，确定坐标系统直接关系的信息获取水平，而针对不同坐标系统与之相应的坐标获取或确定方式不同。

4.4.1 标准坐标系统

标准坐标系统使用中主要采用标准的WGS-84、北京54以及国家80坐标系，选择时可直接在网平差设置中选择，并严格按照投影中央子午线，确定正确原点经度。

4.4.2 自定义坐标系统

从已知参数方面而言，常规自定义坐标系是从标准国家坐标系转换而来，多数情况下需要重新定义常数、中央子午线或投影椭球高，在这期间需要对相应的参数进行选择与确定，包括椭球的参数、加常数、投影中央子午线、投影椭球高等。从未知参数方面而言，若对工程坐标系进行完全独立自定义，尤其是与国家点联测或与投影变形超过规范要求时，可以选择标准椭球，如北京54椭球参数，然后利用固定一点或和一个方位角方式进行处理，具体的处理方法是，将基线某一点的单点作为起点，利用高精度红外激光测距仪将基线另一段另一点的边长测出，经修改后投影到确定高度，即侧区的平均高程面。然后采用真北方向假定一个方位角计算出基线中点坐标，以获取到的两点为结束点。采用与截面相同的椭球参数、投影椭球高以及可测去中央子午线，这样能够保证满足规范要求，且在小比例尺图上可与国家坐标系联系起来。当下一些工程单位经常采用自定义坐标系统方式，若设计单位在设置时确定了控制点，并在提供坐标成果情况下，施工单位利用GPS加密控制点进行网平差，可简化信息获取过程，并获取更加精确检测结果。因此，很多工程施工中仅需要联测设计提供的成果进行平差即可。若有关单位未提供控制点成果，在使用GPS进行控制点观测时，需要确定好坐标系统，而在选择自定义坐标系统时，需要结合未知数情况进行网平差。在使用GPS进行具体观测时，可在某端选取一个点，并以该点经纬度坐标为起点设计平面直角坐标，然后借助高精度红外激光测距仪将其与基线另一端的边长测出，经严格改正后投影到侧距平均高程面，然后假定一个方位角确定基线中点坐标，并采用相关参数进行进算，以此进行约束平差。

5 结论

在国家建设过程中国土测绘工作发挥着至关重要作用，通过获取准确的数据，不仅能够为建设工作顺利开展提供可靠参考，而且利于提升建设工作开展效率。标准化视域下，在进行测绘工作的过程中，GPS信号接收机是不可或缺的工具。同时为保证获取到的数据准确性与可靠性，需要落实对GPS信号接收机检定工作，并对检定中数据后处理关键问题展开分析研究。