静态与动态GPS精度研究
来源：《测绘地理信息》2015年4月
作者：陈子江，工程师，研究方向为测绘工程
在GPS 观测方面，静态GPS 的高精度与动态GPS的高效率使这两种测绘技术同时得到广泛应用。通过实验发现，静态GPS 与动态GPS 精度均具有较高的精度水平，能够满足常规使用，动态GPS 则以其先进的测绘方式与更为高效的测绘进度得到广泛应用。
20 世纪60 年代，GPS 技术作为美国军方项目投入使用，最初该系统用5~6 颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13 次，无法确定高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。经过20 余年的研究实验，到1994 年，全球覆盖率高达98%的24 颗GPS 卫星星座己布设完成，单机导航的民用GPS 定位精度可达10m 内，军用综合定位精度可达cm 级和mm 级。
近年来，GPS 在测量方面发展迅速。在硬件方面，GPS 接收机，尤其是民用接收机日益普及，且趋于小型化、小功耗，硬件的提升为GPS 测量技术的发展提供了有利条件[1];在软件方面，GPS 在误差分析、精度测算等领域有了较大改进，这都促进了GPS 技术的发展与进步。
1GPS 测量技术
在GPS 导航系统中，根据待测点的运动状态分为静态定位和动态定位。
1.1 静态GPS
静态定位是指将GPS 接收机静置在固定测站上，观测数min~2 h 或更长时间，以确定测站位置的卫星定位，是不考虑轨道的有无、决定点位置的定位应用。
静态定位在大地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域内有着广泛的应用。随着解算整周模糊度的快速算法的出现，静态定位的作业时间可大大缩短，因而在国防精密定位领域(比如飞机起飞前或火箭升空前的初始定位等)也有广泛的应用前景[2]。
静态定位包括绝对定位和相对定位两种方式。①绝对定位由观测仪器直接与GPS 卫星进行距离测算来确定观测站的位置坐标信息，一般至少需要同时观测4 颗卫星才能确定观测站的三维坐标;②相对定位是指多台GPS 接收机放置在不同观测站上，同步观测相同的GPS 卫星，观测相对位置和基线向量。目前，相对静态GPS 定位技术通过对不同观测数据的组合，可以综合消除卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、电离折射误差和对流层折射误差[3]，因此，采用载波相位观测量的静态GPS 观测技术是一种目前GPS 定位中最为精准的技术。
1.2 动态GPS
近年来，动态GPS 即RTK 技术的出现使得观测时间、人员投入等方面得到了改善，提高了工作效率[4]。RTK 技术以基站为中心进行动态观测，无法直接衡量其观测精度，因此动态GPS 测量的实际精度成为现阶段GPS 发展的热点。RTK 技术是实时动态差分测量的进一步发展，是GPS 测量技术与数据传输技术的结合，主要应用于工程施工放样，如管线、道路等施工放样等。在应用RTK 技术作业时，在基准站设置1 台GPS 接收机，对所有课件GPS 卫星进行连续观测，同时将观测数据实时发送到用户观测站，用户站在接收GPS 卫星信号的同时接收基准站的观测数据，进行实时计算整周模糊度未知数与用户站的三维坐标及精度。在RTK 技术观测模式下，可以实时判定运算结果的成功度，因此在减少观测量、减少观测时间成本等方面有了较大提高。
2静态与动态GPS 对比
本次研究通过实验对静态与动态GPS 观测技术进行定量对比，在观测精度、观测时间等多个方面进行综合考量。
2.1 观测范围概况
本次GPS 静态测量实验以某市新建城区大型小区作为观测范围，布设控制网。基本工作包括技术设计、选点、外业观测、数据处理、基线解算、网平差、成果质量控制以及技术总结。
2.2 控制点布置
控制网技术的要求为国家C 级，观测点数不少于12 个，平均点间距不小于400 m(按E 级设计)。
观测点选址基本要求是视野开阔，行人较少，便于长时间观测。同时保障每个点位的观测时段，利用Trimble 公司的TGO 处理软件进行内业计算。
2.3 外业观测
配备GPS 及其配件，包括主机、天线、电缆、脚架、电池、充电器、卷尺背包、仪器箱等。观测时段为4 个，每时段90 min。12 个观测点中有3 个已知点和9 个未知点。
2.4 数据处理
1)基线处理与质量控制。处理软件为TGO 软件，解算方法采用整体解，一次提取所有观测数据同时进行处理，得出所有函数独立基线。同步环闭合差是对3 边同步环进行检验闭合差，满足以下条件：
式中，σ 为基线测量中的误差。
移步环闭合差不是完全由同步观测基线组成的闭合环的闭合差，满足以下要求：
式中，n 为闭合环数。
重复基线较差为不同观测时段同一基线观测结果之间的差异。根据国标，C、D、E 级GPS 网基线处理要求需满足：
式中，σ 为基线测量中的误差。
2)网平差处理及质量控制。网平差软件为TGO软件。坐标系统参照北京54 坐标系，克拉索夫斯基椭球体，中央经线以本地位置为准。运算结果如表1、表2 所示。
2.5 技术总结
建立静态GPS 控制网，观测过程较为简单，仪器使用较为方便，易于上手。但观测时间较长，观测过程大部分时间为等待，并无过多技术性的仪器操作。
2.6 RTK 测量
将基准站GPS 接收机安置在相对较高的开阔地，优先启动基准站。并新建任务，配置坐标系统，连接蓝牙配置参数。移动站与基准站的布设方式类似，在启动移动站后要进行点校正。
测量前获取2~3 个控制点，没有已知控制点坐标的情况下可用GPS 进行控制测量。RTK 观测相对简单，观测时间较短。
2.7 精度对比
在利用GPS 静态与动态数据精度对比时，首先利用全站仪对以上12 个点进行观测，获得坐标值。如表3 所示。
从表3 可以看出，在平面测量方面，静态与动态GPS 观测结果基本上是一致的，其坐标差值较小。
在高程测量方面，静态GPS 和RTK 观测同一点的高程值比较如表4 所示。
由表4 可知，静态与动态GPS 高程差最大值为26 mm，基本可以满足一般测量的要求。
RTK 技术可以用于常规控制观测，对于精度要求较高的项目，应当以静态GPS 为准，在实际工程中，RTK 因其较快的作业速度与较为准确的测量结果，得到了广泛应用。
3 结束语
本次研究综合分析了静态GPS 与动态GPS 观测的原理和应用，通过具体实验对两种GPS 观测技术进行对比，得出以下结论。
1)GPS 在精度方面已经取得了较大的提高，无论是静态GPS 还是动态GPS 技术，其精度都能够满足常规功能需求。
2)RTK 技术目前已经具有了相对成熟的技术体系，在平面与三维观测中的观测精度都能满足常规工程测绘的精度要求，同时以其方便快捷的观测作业模式在工程测绘中更受欢迎。
3)未来，GPS 技术的发展依然以速度与精度为主要提高目标，提高静态GPS 观测速度或RTK 技术 的精度将会使GPS 发展更上一层楼。同时新的硬件发展与数据处理方式的提升也是提高观测精度与速度的重要保障。
[1]刘基余，李征航，王跃虎，等. 全球定位系统原理及其应用[M]. 北京：测绘出版社，2004
[2]徐绍铨，张华南，杨志强，等. GPS 测量原理与应用[M].武汉：武汉大学出版社，2003
[3]周忠谟，易杰军，周琪，等. GPS 卫星测量原理与应用[M]. 北京：测绘出版社，1999
[4]谢世杰，奚有根. RTK 特点与误差分析[J]. 测绘工程，2002，11(2)：34_37
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