測(cè)量型GPS儀器比較

摘要：本論文以科學(xué)的方法對(duì)Trimble、Ashtech、南方測(cè)繪三個(gè)廠家GPS信號(hào)接收機(jī)和數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行比較。首先從GPS的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題進(jìn)行分析研究，結(jié)合GPS系統(tǒng)和信號(hào)接收機(jī)的原理，對(duì)GPS結(jié)構(gòu)等不同的方面進(jìn)行分析比較，然后比較分析了各型號(hào)GPS的物理指標(biāo)、精度指標(biāo)和性能，并對(duì)各型號(hào)GPS對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。最后是通過(guò)比較得出結(jié)論和對(duì)測(cè)量工程選用GPS儀器提供一些建議。

引言

對(duì)測(cè)量型GPS儀器的比較的目的就是比較測(cè)量型GPS儀器的基本原理，大體結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)及各種GPS之間的優(yōu)缺點(diǎn)，從而更好的利GPS為我國(guó)的測(cè)繪事業(yè)服務(wù)。

1 GPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System - GPS）由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收設(shè)備三大部分組成。GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。

2 GPS接收機(jī)分類

GPS 分類：

1）按工作原理分為：碼接收機(jī)、無(wú)碼接收機(jī)、集成接收機(jī)。

2）按用途接收機(jī)可分為：測(cè)地型接收機(jī)、導(dǎo)航型接收機(jī)、定時(shí)型接收機(jī)。

3）按所用載波頻率多少分為：?jiǎn)晤l接收機(jī)、雙頻接收機(jī)。

3 各廠家儀器技術(shù)指標(biāo)及性能的比較

目前國(guó)外的GPS品牌主要有美國(guó)天寶、瑞士徠卡、日本拓普康、美國(guó)Ashtech；國(guó)內(nèi)的GPS品牌主要有中海達(dá)、華測(cè)和南方測(cè)繪，下面對(duì)美國(guó)天寶、Ashtech、中國(guó)南方測(cè)繪幾家公司及產(chǎn)品作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹和比較。

3.1各型號(hào)GPS精度比較

首先GPS的精度指標(biāo)非常重要?，F(xiàn)將幾種型號(hào)GPS的精度指標(biāo)表整理如下：

RTK水平精度為：±1cm+1ppm的儀器型號(hào)為：南方S82、s86、Trimble5700、Trimble5800，Z-Xtreme 的RTK水平精度為±1cm+2ppm。

RTK高程精度為：±2cm+1ppm的儀器型號(hào)為：南方S82、s86、Trimble5700、Trimble5800，Z-Xtreme 的RTK高程精度為±2cm+2ppm。

靜態(tài)水平精度：南方S82、s86為±3mm+1ppm、Trimble5700、Trimble5800為 ±5mm+0.5ppm，Z-Xtreme為±5mm+1ppm。

靜態(tài)高程精度：南方S82、s86、Trimble5700、Trimble5800都為 ±5mm+1ppm，Z-Xtreme為±10mm+1ppm。

4 各種GPS數(shù)據(jù)后處理軟件介紹

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河萌N不同的數(shù)據(jù)后處理軟件處理同一臺(tái)GPS接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較。

測(cè)量設(shè)置：數(shù)據(jù)采樣間隔15s，高度角15°。天線高精確量取到天線相位中心。

實(shí)驗(yàn)方法：首先，采用2臺(tái)美國(guó)Timble GPS 5700進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，將采集的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成RENIX（Receiver Independent Exchang）格式文件，然后用3種廠家的數(shù)據(jù)處理軟件，分別是Trimble 的Trimble Geomatics Office、Ashtech 的solutions和國(guó)產(chǎn)南方測(cè)繪 GPS 4.402對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)采集：將2臺(tái)Trimble GPS 5700 安置在標(biāo)準(zhǔn)基線兩端，同時(shí)開機(jī)進(jìn)行靜態(tài)同步觀測(cè)60min。（本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是作者參與某一礦區(qū)GPS三等測(cè)量采集的數(shù)據(jù)）

數(shù)據(jù)處理：首先，將*.dat文件轉(zhuǎn)換為REINX文件，然后用3種GPS后處理軟件分別進(jìn)行基線處理。數(shù)據(jù)處理時(shí)三種軟件均采用相同的參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行干預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)表4-1：

從表4-1可以看出，3種GPS軟件處理相同數(shù)據(jù)時(shí)基線解算值之間有一定差別，但基線的差值都在允許誤差之內(nèi)，靜態(tài)測(cè)量精度基本滿足Trimble 5700 靜態(tài)測(cè)量的的標(biāo)稱精度±（5+0.5×10-6D）mm。由數(shù)據(jù)比較可以看出GPS后處理軟件也是引入不確定度的來(lái)源之一，這通常是由GPS軟件數(shù)學(xué)模型和算法不完全相同、不完善所致。

采用同樣的方法，用Ashtech GPS 和南方測(cè)繪靈瑞S86采集靜態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成REINX格式數(shù)據(jù)后用三種軟件解算。

從組實(shí)驗(yàn)可以看出，不同GPS數(shù)據(jù)后處理軟件性能和精度有一定差別，而且GPS軟件能給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差，是引入誤差不確定度的來(lái)源之一。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果還能發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口GPS接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，軟件精度高，國(guó)產(chǎn)GPS產(chǎn)業(yè)還要努力提高產(chǎn)品硬件性能，并完善數(shù)據(jù)后處理軟件的功能，提高其精度水平。

表4-1 不同GPS軟件處理Trimble 5700靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)上述各種儀器的比較，我們可以得以下結(jié)論：

1）從功能上來(lái)看，近幾年各廠家所生產(chǎn)的GPS接收機(jī)功能逐漸強(qiáng)大，由原來(lái)的只能做靜態(tài)測(cè)量到現(xiàn)在的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分測(cè)量（RTK）以及網(wǎng)絡(luò)CORS測(cè)量系統(tǒng)，GPS的功能正逐步完善。

2）從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，無(wú)論是外型設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，國(guó)外GPS廠家所生產(chǎn)的儀器，與國(guó)內(nèi)公司所生產(chǎn)的儀器相比顯得靈活，國(guó)產(chǎn)GPS還需進(jìn)一步提高。

3）從系統(tǒng)軟件上看，國(guó)外的數(shù)據(jù)后處理軟件更加成熟，功能更加強(qiáng)大，解算精度更高，國(guó)產(chǎn)軟件在這方面還有待改進(jìn)。

4）在選用GPS儀器時(shí)：對(duì)于高精度的測(cè)量項(xiàng)目，需要選用精度高的測(cè)量?jī)x器，如果經(jīng)費(fèi)充足，建議選購(gòu)進(jìn)口儀器，因?yàn)檫M(jìn)口儀器精度高，穩(wěn)定性好；對(duì)于一般的測(cè)量項(xiàng)目，可以選用國(guó)產(chǎn)的儀器，國(guó)產(chǎn)儀器精度能夠滿足大多數(shù)的測(cè)量任務(wù)，而且價(jià)格比較低，是一般測(cè)量單位首選儀器；在特殊的環(huán)境下，如在潮濕、風(fēng)比較大的環(huán)境下測(cè)量，則需要選用防水和抗摔的儀器?？傊?，各種儀器有各自的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選用儀器。