手持GPS接受机定位精度分析及提高方法探讨

通过对手持GPS接收机的定位原理和影响因素入手，对其定位精度进行了系统的分析研究，并在此基础上对提高定位精度的均值法进行了验证。结果表明：1)在一定程度上，连续观测时间越长，其定位精度越高;2)均值法可以很好的提高定位精度。

0 前言

全球定位系统 (Global Positioning System)是美国从上世纪70年代开始研制, 历时 20 年, 耗资200亿美元, 于1994年全面建成, 具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统。目前已广泛应用于社会各个方面,包括测量、导航、授时等, 给我们的日常生活带来了方便。特别是在测量领域取代了一些传统的作业方法,掀起了一场测量革命。由于其具有性能好、精度高、应用广等特点[1-3],随着全球定位系统的不断改进, 硬、软件的不断完善, 应用领域正在不断地扩展, 目前已遍及国民经济各个部门, 并开始逐步深入人们的日常生活之中。在测量工作中, 手持GPS接收机由于它的携带方便、轻巧灵动、定位迅速等优点，深受欢迎。但同时由于精度较低又限制了其更广泛地应用。本文着重分析了在野外测量工作中，手持GPS接收机的定位精度，并在此基础上验证了均值法的对于提高定位精度的有效性。

1 手持GPS的定位原理与影响因素分析

1.1手持GPS接收机的定位原理

手持 GPS定位原理大多是源于测量学中测距交汇定点原理而来的, 即接收机测出四颗以上卫星与接收机的距离, 通过空间后方交汇算出接收机所在的位置。测距时采用伪距测量的方法, 所谓伪距就是由卫星发射的测距码信号到达 GPS 接收机的传播时间乘以光速所得出的测量距离, 由于卫星钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层的延迟, 实际测出距离与卫星到接收机的几何距离有一定的差值,因此称测出的距离为伪距。伪距测量一般采用码相关技术进行, 即 GPS卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码, 该测距码经过时间的传播到达接收机, 接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码即复制码, 并通过时延器使其延迟时间将这两组测距码进行相关处理, 当这两组码结构上完全对齐为码完全相关。但由于测距码在产生时会存在随即误差, 并且信号经过长距离传输也会产生变形误差, 所以码完全相关即自相关系数为“1”的情况很难达到, 只能在自相关系数为最大的情况下确定伪距。手持 GPS每次开机求出最大自相关系数, 进行伪距测量, 但两次开机求出的自相关系数有一定的差别, 影响定位精度。

1.2影响手持GPS接收机定位精度的因素

(1)卫星数量。手持GPS接收机接收的卫星数量如果少于3颗卫星，就无法定位。在一定程度上，接收的卫星数量越多，定位精度越高。 (2)卫星在天空的分布情况。如果手持GPS接收机接收的几颗卫星分布过于集中，则定位精度不高。理论上，最好的卫星分布是在整个天空视野中均匀分布，但是若卫星太过接近地平线，即卫星太低，由于大气影响，反而会降低接收机的定位精度。另外，卫星仰角越大，卫星信号就越强，输出数据变化就较小;反之卫星仰角越小，卫星信号就越弱，输出数据变化就较大。

(3)观测时间长短。不同类型的手持GPS接受机有不同的定位稳定时间。例如有的类型的手持GPS接收机在 1min 内就会定位，但输出数据变化较大。因此应适当延长观测时间至 3min 以上。

(4)干扰源。定位点应尽量远离强电磁电子波发射装置(如电视台、变压站、高压线等)，以防止其影响GPS 信号接收的质量。

(5)环境。尽量选择视野开阔的地方进行定位，保证有足够数量的卫星用于定位解算。当工作环境周围障碍物的高度角小于15º时，卫星信号强，输出数据变化较小;反之则变化较大。

2 手持GPS接收机定位精度分析[5-9]

2.1手机GPS接收机定位稳定性分析

手持GPS接收机定位稳定性分析主要有观测时长和内符合精度两方面的内容。所谓的观测时长就是指需要多长的时间能得到一个点的精度较高且稳定的坐标数据;而内符合精度就是指在不同的测量时间段测得的同一点的数据结果的相符程度[5-7]。

2.1.1观测时长与定位稳定性分析

在试验中分别采用3台手持GPS接收机进行了野外实测，在同一点上每10s记录一下观测数据。

表1 手持GPS接收机不同时长的定位结果m

从表1可以看出，当接收机在一个点上连续观测时间超过4min时，3台接收机所测定的x,y坐标互差值最大值都在1米以内，测量结果基本上已经达到了稳定状态。但是由0.0min时的数据可以看出，动态观测结果跳跃太大，稳定性较差。

2.1.2内符合性精度分析

要评价一台仪器的可靠性主要从仪器的精度和仪器的稳定性两方面入手，而仪器高精度的取得是建立在仪器具有较好的稳定性之上的，因此研究仪器的稳定性具有十分重要的意义。本实验通过在不同的时间段重复观测来研究手持机的稳定性。通过对比卫星可见性预报，选择了卫星信号比较好的两个时间段：上午10:30和下午3点，重复观测相同的点位。

由于两次观测的环境基本一致，所以采用同精度双次观测列差值来求得观测值中误差，公式见式1所示。

(1)为同一个量两次观测值的差，这里为相同观测时长的不同观测时段的观测值较差。

为双次观测的个数，这里为较差的个数。

实时定位的稳定度值为：=±42.8m;

5min的定位稳定度值为：=±9.8m;

10min的定位稳定度值为：=±7.9m。

由此可以得出，在一定程度上，手持GPS接收机定位时长越长稳定性越好。

2.2手持GPS接收机绝对定位精度分析

手持GPS接收机绝对定位的精度分析是指观测结果与其真实位置的符合程度。为了准确的衡量其精度，将北京54坐标转换为GPS采用的WGS-84坐标。由于相对于手持GPS接收机的定位误差而言，真实坐标的点位误差影响很小，可以忽略不计。根据式2可以求得不同观测时长的手持GPS接收机绝对定位精度，各个时长的绝对定位精度见表3所示。

(2)实时定位相对于绝对定位而言，精度较低。观测时长在3.0min以上者定位精度相当。

3 均值法提高定位精度

由于偶然误差的分布规律符合正态分布，其分布图像呈现对称性，其理论均值为零。所以采用均值法从理论上讲可以很好的提高观测精度的可靠性。利用手持GPS接收机在3个已知点上进行观测，数据采集间隔为20s,观测时间不少于10min。测得的3个点的观测平均值如表4所示。

4 结论

(1)在使用手持GPS接收机进行测量时，首先得进行仪器稳定性分析，由已知点求出其系统误差。这样在测量时才能有可靠的精度。

(2)定位时长应在4~5min以上才能保证有稳定的观测结果。实时定位的稳定度在40m以上，而5min的定位稳定度在10m以内。

(3)均值法可以很好的提高定位精度。