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1、精选优质文档-倾情为你奉上地形对手持GPS定位误差的分析及应对措施杨 月(辽宁省基础测绘院 辽宁锦州 )摘要:携带轻巧、使用方便的手持GPS在野外调绘、测量中有较好的辅助定点和导航作用,但因野外地形、树木、建筑等环境对GPS信号的影响,测量精度和应用受到限制。本文通过实际测点、分类统计分析各种因素对测量精度的影响,提出提高测量精度的应对措施。 关键词:地形;GPS定位;误差分析;措施1 引言GPS利用导航卫星进行测时和测距，在海、陆、空域进行实时的三维导航与定位,构成全球定位系统1。各种类型的GPS接收机体积越来越小、重量越来越轻2，还有基于蓝牙无线传输的PDA式GPS，配以地图非常便于野外导
2、航和定位。但GPS的定位精度会受到GPS卫星星历误差、钟差；无线电通过电离层、对流层延迟及多路径效应；接收机天线相位中心偏差、接收机精度；数据分析的软硬件算法误差等因素影响46。本文探讨和分析在野外调绘、测量工作中，分析了地形对GPS手持机误差产生的主要来源和具体类型，提出了提高其定位精度的方法。2 地形影响GPS定位精度实验方案实验使用法国泰雷兹公司麦哲伦(Magellan)探险家510手持式仪器，其大小如同手机，重153克，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,利用GPS在野外测定一级控制点和通过一级控制点精测加密的若干个样点的坐标,而后进行计
3、算和统计分析。每个点位的实测数据记录项目包括GPS坐标、地形、高程、测量时间和天气及点位的开阔程度（地形、植被和建筑等）。使用MATLAB对比计算GPS所测点的距离及方位角与实际值的误差,然后寻找各种地形、高程、天气等因素对GPS定位误差影响。实验按数据获取、数据转录、统计比较、分析原因、提出校正模型的程序进行。3 实验数据分析按照实验方案,在辽宁西部地区对50个样点进行GPS测量，部分测量值如表1所示。通过对实验区GPS测定样本与实际值对比计算,在以距离误差为极半径、方位误差为极角的极坐标系内绘出GPS测点相对于实际坐标值差值的投影散点图(图1)。可以看出GPS测点相对于实际点的差值并非没有
4、规律，统计结果显示75.45%的距离误差集中在0-10米范围内,71.32%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。表1 野外样点GPS测量数据记录示例点号 NO.1 NO.2 NO.3 NO.4 NO.5 NO.6坐 标410950.1N,1210124.6E 410917.0N,1205809.0E 411303.0N,1205714.9E 411343.0N,1204528.9E 411632.6N,1204106.4E 411944.1N,1204345.3E高程(m) 365 278 84 116 112 2
5、28地形 山顶 山腰 陡崖下 山腰 高地 山脊时间 天气 16:40 阴 17:00 15:38 15:18 9:18 10:02阴 阴 阴 晴 晴备注 植被较好3备注 阴天为闭光云、晴天为无云条件- 1 -图1 极坐标系内GPS测量值相对于实际值误差投影散点图地形对GPS测量的影响主要是无线信号传播过程中产生多径效应和地形开阔程度不同接受卫星数量不同引起的。由于GPS接收机测点地形环境的影响,使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,甚至接受机无法捕获卫星或接收不到卫星的信号,使定位精度降低。在城市或野外不同天候条件下使用GPS时,接收机有时仅仅能接收到2-4颗卫星信号，如果云
6、层厚或定位时间短，手持型接收机的定位误差一般在20-30m左右，有时甚至能达到50米至近百米。除天气和定位时间因素外，地形因素对GPS定位误差在5-20米。地形因素还有一个非影响GPS定位精度的因素是水，水面对电磁波有很强的反射能力,因此在湖面河边等处，GPS定位的精度也大打折扣。实验使用数据的离散度来衡量某种地形地貌对GPS测量影响误差的大小,使用统计学的方法来计算某种地形测量数据绝对偏差平均值。n=xi=0inn （1）xi-nResult=i=0 （2）为某种地形影响GPS测量n个点位上两式中xi为某种地形影响GPS测量第i误差的平均值，n为样本数，Result为某种地形影响误差的平均偏
7、差。由（1）（2）式对表1数据进行计算得出表2数据，表2中各种地形因素影响误差的平均偏差值的大小反映了地形对GPS测量精度影响大小，平均偏差值越大,该种地形对GPS测量影响的误差也就越大。图2分别显示了不同地形因素对测量距离和方位影响的误差情况，从表2中也可以直观地看出在各个不同地形影响下误差的大小。需注意是对于方位误差，在进行统计时所用的是360角形式,这不是一种有效的分析地形因素下角度误差的方位表示值,当超过180的角进行图4的统计时使用的是与180的差值，所以不能单从角度的大小来衡量方位误差的大小。- 2 -表2 地形因素对GPS测量影响误差值地形 类型 鞍部 陡崖 高地 沟谷 平坦地
8、山顶 山脊 山脚 山坡 山腰某地形对GPS测量影响误差影响距离误差 的范围(m) 72-12.7 180-28.9 5.1-101 142-19.7 5.9-11.2 5.4-11.7 5.2-12.7 5.3-146 5.2-11.2 5.3-10.4影响距离误差 的平均值(m)9.13 20.22 8.55 15.92 8.83 6.93 6.60 7.04 6.57 6.64影响距离误差 的平均偏差（m）2.91 9.44 2.62 4.68 2.46 2.36 2.44 2.83 2.71 2.96影响方位误差 的平均偏差(度)6.89 8.64 4.71 7.87 3.00 4.64
9、 3.48 2.16 4.11 3.75图2 不同地形因素对GPS测量影响距离、方位误差的平均偏差图4 提高测量精度的措施从以上的分析不难得出,在野外使用手持型GPS测量时，山腰、山脊、山顶、无山平坦地等地形下对GPS测量影响相对较小，而在陡崖、沟谷、茂密树林等地影响较大。这些影响较大地形处接收机定位误差很大，又无规律可寻，可以使用GPS相对定位代替绝对定位方法解决。对于在山腰等开阔地形处的定位点可以采取以下两个步骤加以修正。第一步：在测区较平均位置选择3个以上有坐标、高程等所需数据成果点，在成果点上使用手持GPS按同一手法根据实际条件进行一一观察测量。将测量值与成果值对应相减，计算出测区范围
10、内坐标、高程等所需数据的修正值，将此修正值计入每次测量的对应数据中，以排除GPS测量的系统误差。按此方法对表1数据进行处理，测量误差得到了改善，修正系统误差前后对照如表3所示。- 3 -第二步：利用计算机编程，使用卡尔漫滤波、预测算法，将同一点的数个观察值进行解算，消除随机误差。也可简单的对所观察数据取平均值做为测量结果。表3 测量值距离误差与修正值距离误差分布对照表误差范围20m5 结论使用手持型GPS野外作业，具有携带方便、方法简捷、定位速度快等优点，但也存在测量精度不高、受外界条件干扰产生误差不定等缺点。通过上述各因素对GPS测量距离和方位角误差的影响分析可以看出，外界因素中对GPS测量
11、误差的影响最大的是地形因素(产生多径效应)，其他因素虽也影响GPS测量误差，但通过简单方法就可能克服。如将手持GPS接收机放在空旷的地方不动，定位时坐标数据仍会波动,并且高程的波动值要比经纬度波动值大，在实际作业中GPS开机后不宜立即读数，应按GPS手持姿态运行几分钟后再读数，特别是在生疏地区或阴云天候条件下，需等待的时间更长。当GPS接收机能够收到4颗及以上卫星的信号时，它才能计算出本地的经度、纬度和高度的3维坐标；若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出经度和纬度的2维坐标，而且也不是一个很准确的值，即使显示高度数据,也是无效的7。因此，在野外使用手持GPS测量时，应等待稍长时间、较多卫星信
12、号时读取有效数据。在实践中还发现手持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不同而有所波动。参考文献1 王宁宁.GPS定位精度探讨J.解放军信息工程学院学报,1996,15(3):29-32.2 付水旺.浅谈GPS测量与误差分析J.采矿技术,2000,406-408.3 李杰. 关于提高DGPS精度的方法的研究D大连海事大学, 2009 .4 常庆生,唐四元等.GPS测量的误差及精度控制J.测绘通报,2000,(4):13-15.5 董申保,贾北昌.GPS定位的误差与接收机精度的检验J.矿山测量,1997,(4):41-42.6 段博. 手机导航的设计与实现D山东大学, 200
13、9 .7 杨一洲. GPS载波相位定位算法研究D西安电子科技大学, 2011 .The handheld GPS positioning error analysis because of terrain and countermeasureYang yue(Liaoning based Institute of surveying and mapping, jingzhou,Liaoning )Abstract:The handheld GPS is a better supporting point and the navigation function in fieldsurvey an
14、d measurement because of portable and easy to use, but the measurement precision and application is limited because the wild terrain, trees, buildings and environment on GPS signals. The paper propose countermeasure of improving the measurement accuracy through of actual measurement and statistical
15、analysis all kinds of factors the influence on measurement accuracy.Key words: terrain; GPS positioning; error analysis; countermeasure- 4 - 测量值误差分布 25.3% 24.1% 37.3% 13.3% 修正值误差分布 50.7% 17.0% 25.3% 6.7%作者：辽宁省基础测绘院 杨月（1977年生，女，汉，辽宁锦州人，工程师职称，本科学历，主要从事测绘生产及技术管理工作）地址：辽宁省锦州市重庆路6段7号 邮编通联：，0416- 5 -专心-专注-专业
