差分GPS的测量精度及其在水下测量中的应用|gps高程测量的精度最高
时间：2019-03-31 03:26:15 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要： 差分GPS具有全方位、高精度、实时快速等优点，随着技术的发展，出现了多种不同的差分模式，具有不同的测量精度，被广泛应用水下测量的平面定位中。 关键词： 差分GPS；RTK；信标；星站差分；水下测量
Abstract: the difference GPS have comprehensive, high precision, real-time fast, with the development of technology, the emergence of a variety of different difference model, with different measurement precision, is widely used in the underwater survey plane positioning.
Keywords: GPS differential; RTK; Beacon; Star standing difference; Underwater survey
中图分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号：
1 差分定位原理
差分动态定位系统(Difference Global Positioning System简称DGPS)的工作原理是，用两台GPS接收机分别架设于两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号，其中基站根据已知坐标反算观测值改正数，并不断将改正值发送给流动站，流动站对自己的观测值进行改正从而进行实时的精确定位。
水利工程建设通常要对水下的地形地貌进行测绘，水下测量通常使用测量船进行作业，在测量水深的同时，还需要对测深仪中心的平面位置进行测量。差分定位系统的发展给水下测量的平面定位带来了极大的方便，根据所需的精度不同，可以选用不同的差分定位方式，目前常用的有RTK差分模式、COS差分模式、星站差分模式和信标差分模式。
2 RTK差分模式
RTK（Real-time kinematic）作业使用的仪器为高精度的RTK型GPS接收机。其通常是通过在已知点上自设基站，通过无线电台传送差分信号来实现，其测量精度相对于起算点可以达到厘米级（须锁定固定解，并静止几秒钟），应用十分广泛。
影响RTK定位精度的主要原因为流动站与基准站之间的距离，但由于自设基站一般会选择较近的已知点，精度一般都可以满足水上测量的需要。RTK模式的缺点为差分信号的覆盖范围较小，且信号容易受流动站附近的树木建筑物等的遮挡，在实际应用中有一定的限制。近几年发展起来的手机卡模式，利用中国移动网络代替传统的无线电台来传递差分信号，解决了一部分的信号传递问题。因为移动网络带来的延时等问题，测量精度有一定的降低，根据本公司工程应用中的经验，一般均在10cm以内，对于水下测量的影响很小。
RTK模式不仅能够提供平面定位，同时还可以实时测量水面高，无需验潮进行水位改正，在15KM范围内，高程精度一般可达到10cm以内，在近岸有潮汐的水域作业具有很大的优势。在实际应用中发现，由于RTK的高精度特性，对测量条件的要求也比较高，在有风浪的水面作业或船速较高时，比较容易出现信号失锁的情况。
3 COSS差分模式
多基站网络RTK技术建立的连续运行参考站系统即称为COSS系统。它可以提供网络覆盖范围内的实时差分服务，一般为收费服务。如上海的VRS系统，分为RTK服务和RTD服务，RTK为厘米级定位精度， RTD提供亚米级定位精度，一般在水下测量中应用。其优点在于信号覆盖质量较好，覆盖范围较大，一般的RTK型GPS接收机均可使用，但费用较高，一般按时间收费，比较适合小面积短时间的作业，或离岸较远、不方便自设基站的情况下使用。
4 星站差分模式
接收星站差分信号需要GPS接收机具备此功能，仪器门槛较高。星站差分由提供差分服务的卫星发送差分信号，用户不需要自设基站，能够在卫星覆盖范围内的任何地方得到实时差分。目前中国应用的星站差分系统主要有美国的StarFire系统、Fugro公司的OmniSTAR系统和日本的MSAS系统。
StarFire为收费系统，可提供WCT和RTG两种服务，WCT定位精度为35cm，RTG定位精度为10cm，费用比较昂贵，一般用在远海作业上。OmniSTAR也是收费系统，覆盖了内陆和近海区域，其在中国提供VBS和XP两种服务，VBS水平定位精度为亚米级，XP水平定位精度为20cm。MSAS是免费的星站差分系统，覆盖了中国的大部分区域，其水平定位精度为亚米级，可以满足绝大多数水下地形测量的精度要求。
5 信标差分模式
一些导航型GPS接收机可以接收信标台的差分信号进行差分定位，一般可进行亚米级精度定位。信标台是一种由政府或其它部门在一个国家或地区的沿海周边地区专门设立的台站，它发射出一定频率和强功率的信号，广播差分信息，供用户免费接收用来实现实时定位。信标台站就相当于基准台GPS，其拥有自己的频率，发射功率强大，信号覆盖面较广泛，一般在以信标台站为中心半径为300km的范围。导航型GPS接收机价格较低，沿海地区信标信号稳定，这是目前最方便廉价、在水下测量中应用最广泛的差分定位方式。
影响信标差分定位精度的因素是多方面的，但其中主要有以下5个方面的因素。
1）用户与发射台站间的距离
信号传播的距离远近取决于信号发射时的功率太小，一般是功率越太，信号传播的距离就越远。若发射300kHz的DGPS信号，那么，用户与发射台站间的距离是很远的，可达450km。由于与基准台GPS相关的误差和与动态GPS相关的误差稍有不同，所以直接导致动态定位产生偏差通常，这种偏差是1m／100km，所以说，用户与信号间距离越远时所产生的误差也是越大的。因为我们知道，当二者间的距离不很大时，用户与信号发射台站在进行同步观测相对定位，由于二者至观测卫星的几何图形十分相似+因而星历误差对用户站与信号发射台站的信号影响也是很相似的，这样就可以利用这种误差的相关性来消除其影响。其余误差，如星历误差对相对定位的影响一般可以用下列经验公式估算：b′=b×S／P。当基线长度b=5km时，用户至卫星的距离P=25000km时，即使卫星星历误差的绝对值较大，例如S=50m，但它对基线的b′影响很小，只有1cm。所以，当用户与信号发射台站间距离不大时，这样的定位误差的影响是很小的。
2）接收差分信号的时延
差分改正信号传播的时延性也影响导航定位精度。这种传播信号时延是一个时间函数式，即基准站上计算测量改正数及通过数据链传输到达动态信标接收机后，再经过解调并通过数据链把改正数信号传输给移动台GPS接收机的时间，即：t=f(t1,t2,t3,…)。其时间至少需要ls，当然有时也会达到3s或5s(这种情况主要与观测时接收到的卫星数有关)。假如总的时延改正值始终保持在10s以下，那么，精度降低的隋况就不会发生。
目前，GPS接收机是通过对改变每颗卫星适时向前传播信号改正数的速率来计算时延和SA误差的。因为SA误差更新速率很快，所以用前一个差分改正数同计算的新值相比会产生一些小的误差。因此，这种方法的有效性会随时间的延续而使精度降低，直到GPS接收机接收到新的差分改正值。
3)信号发射台与用户间周围的空气状况
基准站与动态用户周围大气状况的差异导致了移动台定位精度的削弱，即：大气条件函数对基准站到动态用户间基线长度岸影响不同。
4)接收到的卫星在空间分布的几何状况(PDOP值)
可视卫星数及其空间几何位置对精度也有一定的影响。一般是可视卫星数目越多，定位精度也相应越高但是，如果卫星分布状况不好，即卫星空间几何图形强度集中在一个象限，就会降低精度。
5)多路径效应
多路径效应所产生的误差主要是信号传播时路径的加长所带来的误差影响。这种影响可以通过安装抑径板、远离高大物体或增大高度截止角等方法来减少误差。
除以上5个方面的影响因素外，还与所使用的GPS本身的质量等因素有关。
6 总结
水下测量的平面定位采用不同的差分方式，可以达到几米到几厘米的定位精度。其中RTK差分、COSS差分和星站差分的精度较高，在覆盖范围内精度稳定，但RTK需要自设基站，且作业距离有一定的限制，COSS差分会产生一定的服务费用，星站差分需要特殊的接收机。信标差分仪器低廉，信号免费，但作业区距离信标台越远，精度越低。实际作业可根据精度需要、已有仪器和成本控制的情况进行具体选用。
参考文献
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