秦維勝

摘 ? 要：本文通過國外項目現(xiàn)場的GPS接收機檢驗方法的應(yīng)用表明，在項目現(xiàn)場自己建立超短基線場地，采用超短基線法檢驗，基本綜合體現(xiàn)了整組GPS接收機的精度及其穩(wěn)定性。同時，在測量GPS投入使用前進行必要的檢驗，投入合格的設(shè)備是必要的，也為國外工程項目中的測繪產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)提供了依據(jù)和保障。

關(guān)鍵詞：GPS接收機 ?超短基線法 ?靜態(tài)觀測

中圖分類號：P228 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（b）-0040-04

國家加大改革開放以來，各大跨國型企業(yè)響應(yīng)國家國際化發(fā)展倡議，加快走出去步伐，與各國各行業(yè)的業(yè)主投資與合作更加密切，各大工程項目全世界布局，GPS技術(shù)在工程項目中的應(yīng)用極為普遍，GPS接收機也是工程項目中必不可少的精密電子設(shè)備。目前工程項目中GPS高精度定位測量均采用雙頻GPS接收機靜態(tài)觀測，為了保證測繪產(chǎn)品的質(zhì)量，對項目的GPS接收機必須嚴(yán)格按照國家有關(guān)檢定檢驗規(guī)程，定期進行儀器檢驗，合格后方可投入使用。因此，項目現(xiàn)場在GPS接收機投入使用前，選擇合適的檢驗方法來檢驗其性能，成為廣大用戶的首要問題。

高精度測量定位用的GPS接收機的檢定技術(shù)和方法，也是學(xué)界眾多學(xué)者和技術(shù)專家們研究的課題。各國行業(yè)管理部門也均制定測量用GPS接收機檢定規(guī)程，并相應(yīng)投入資金建立專業(yè)檢驗場，對測量儀器進行定期檢驗并給出權(quán)威的認(rèn)證結(jié)果。但許多國家工程項目，除了關(guān)鍵設(shè)備必須提交定期的年檢證書外，在投入使用前，還要求現(xiàn)場對這些設(shè)備進行檢驗。

本人所在公司屬于石油勘探工程類，近20年來，工程項目遍及世界多個國家和地區(qū)，特別是近10年來，所有項目合同皆要求新型高精度的GPS接收機是必不可少的設(shè)備。業(yè)主項目管理基本按國際化標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，各項目GPS接收機在投入使用之前，必須進行必要的項目現(xiàn)場（本文也稱現(xiàn)場）檢驗，并且所有GPS接收機都要有所在國家行業(yè)或質(zhì)量管理部門認(rèn)可的特定公司或機構(gòu)進行檢驗的年檢證書（也認(rèn)可經(jīng)公證的國內(nèi)年檢）。從設(shè)備使用安全和產(chǎn)品質(zhì)量管理方面要求，GPS接收機必須定期年檢（一年一次），并取得年檢證書。因此，國外工程項目使用的GPS接收機的檢驗，包括定期本地年檢和項目現(xiàn)場檢驗。在項目開工前，業(yè)主需要對投入項目的所有設(shè)備進行驗收，為檢驗GPS接收機的性能，采用超短基線法對GPS接收機進行測距檢驗，具有規(guī)范及業(yè)主認(rèn)可的實際意義，也是一種符合野外實際條件、可以檢驗GPS接收機性能穩(wěn)定性的主要實用方法。

1 ?現(xiàn)場超短基線法檢驗的設(shè)計思路

現(xiàn)場GPS接收機超短基線法檢驗，是采用一組超短基線，多臺GPS接收機同時觀測，多時段互換GPS接收機位置，分組或整組靜態(tài)測量，用處理軟件解算基線向量并與基線標(biāo)稱值（基線丈量值）比較，所得長度之差值應(yīng)小于GPS接收機標(biāo)稱值（固定誤差）。

GPS接收機內(nèi)部噪聲水平測試。接收機內(nèi)部噪聲，主要是由于接收機硬件性能欠佳引起的，表現(xiàn)為接收機鐘差、信號通道時延差和鎖相環(huán)路誤差等，檢驗方法一般有零基線法和超短基線法。在項目現(xiàn)場沒有功率分配器的情況下，采用超短基線法檢驗。靜態(tài)測量后進行基線差分處理，各基線向量與基線標(biāo)稱值之差，應(yīng)小于GPS接收機的標(biāo)稱固定誤差，不同時段同一基線向量互差，應(yīng)小于2mm或不大于儀器廠家給出的標(biāo)稱值。

GPS接收機天線相位中心的穩(wěn)定性測試，此穩(wěn)定性是由天線相位中心偏差變化來反映的。GPS天線接收GPS載波信號L1/L2波時的“電氣”中心與廠家指定的天線中心即量取天線高的參考點不重合稱為天線相位中心偏差，天線相位中心偏差非恒定值，會隨著觀測條件和儀器老化而變化，同一天線不同時間測得的相位中心偏差也有變化，這種變化反映了天線相位中心的穩(wěn)定性。采用超短基線相對定位法測試天線相位中心偏差，這也是測繪界常用的野外測定方法。在相距幾米的超短基線上，用旋轉(zhuǎn)天線法測定天線相位中心偏差的二維水平分量;用交換天線位置法測定天線相位中心偏差的相對垂直分量（天線垂直偏差分量也可以通過微波暗室法測定）;根據(jù)實驗資料，該方法能以優(yōu)于2mm的精度，在野外測定天線相位中心的三維偏差分量。在用同一種類型的GPS天線進行超短基線或短基線GPS靜態(tài)觀測時，由于基線兩端GPS天線接收到的衛(wèi)星數(shù)和信號強度基本一致（無干擾），基線GPS天線的電學(xué)相位中心隨接收到的GPS衛(wèi)星的變化可認(rèn)為基本相同，這種情況下，可以認(rèn)為由于天線相位中心的變化致使基線有個微小的平移，但基線長度及三位分量基本一樣，因此解算基線時可以不考慮對天線相位中心的變化進行改正。但長距離、高精度靜態(tài)測量時，要考慮對天線相位中心的變化進行改正。

2 ?超短基線法檢驗需要注意的問題

現(xiàn)場采用超短基線法檢驗時，需要注意以下幾個問題。

2.1 選擇理想的檢驗場地，并埋置標(biāo)石

選擇一塊周邊開闊，無遮擋、無電磁干擾源，避免多路徑干擾源的平整地，建立基線點網(wǎng)。各種干擾源會造成GPS接收機的觀測質(zhì)量下降，一般地GPS接收機所觀測的GPS信號是直接波和反射波的合成波，所謂“多路徑誤差”，設(shè)立基線點應(yīng)盡可能避開鄰近水面、平坦光滑的地面、鹽堿地帶、有金屬礦區(qū)和帶有強反射鏡面物或建筑物區(qū)域，同樣也需要避開附近有強電磁輻射的區(qū)域，并穩(wěn)固埋置帶有固定標(biāo)識的標(biāo)石。

2.2 設(shè)置GPS靜態(tài)觀測和基線處理參數(shù)

目前使用的GPS接收機，均是高精度趨向一體化的精密設(shè)備，可以采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置進行GPS靜態(tài)觀測，在處理觀測數(shù)據(jù)時選定處理參數(shù)，觀測前可根據(jù)GPS星歷做出預(yù)報，選合適時段進行檢驗，確保GPS接收機在檢驗期間，PDOP無顯著變化。根據(jù)研究資料可知，GPS接收機的GPS信號信噪比隨著衛(wèi)星高度角的降低而減小，且當(dāng)衛(wèi)星高度角在30°以下時，信噪比隨衛(wèi)星高度角降低的速率愈加明顯，特別是L2更為明顯。另外隨著測站位置的差異，即使衛(wèi)星高度角相同，信噪比降低的速率也有差異（在超短基線法檢驗時，因測點靠近基本可以忽略）。雖然較小的衛(wèi)星高度截止角，能獲得較小的PDOP，但截止角越小，對流層影響也越明顯，測量誤差將增大。因此，衛(wèi)星高度截止角宜選在20°以下。建議設(shè)置靜態(tài)觀測參數(shù)如下：

觀測衛(wèi)星數(shù)≧4顆;

觀測衛(wèi)星高度截止角≧15°且≤20°;

數(shù)據(jù)采樣率≤10s（目前內(nèi)存容量完全可以滿足觀測數(shù)據(jù)的存儲）;

觀測期間：根據(jù)星歷預(yù)報，安排合適時段觀測。

3 ?超短基線法檢驗的流程控制

第一步，準(zhǔn)備好一個經(jīng)過多次精確測定的鋼卷尺，可計算尺長改正因子;第二步，按要求測設(shè)一組基線長度在1～5m的超短基線，端點分別穩(wěn)固埋置帶標(biāo)石，端點分布較均勻并可組成較強幾何圖形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)形，用測定的鋼卷尺，多次精確丈量各基線水平距離，記錄各基線量測數(shù)據(jù)（可讀數(shù)至0.1mm），加改正并計算基線長度作為各基線標(biāo)稱值（取至mm）;第三步，將GPS接收機分組或整組方式（最好一組不超過6臺GPS接收機），按編號不同時段變換儀器，GPS天線必須嚴(yán)格對中、整平且天線定向標(biāo)志指北，安置在基線端點上進行同時靜態(tài)觀測，并精確量取各站天線高（取至mm）;每個時段最好觀測30min以上，這步很重要，操作是否認(rèn)真規(guī)范，將直接影響檢驗結(jié)果;第四步，通過差分計算處理各基線向量，由于基線很短，可以有效消除衛(wèi)星軌道誤差、大氣折射誤差（傳播誤差）和多路徑效應(yīng)等外界因素影響，獲得觀測基線向量與各基線標(biāo)稱值之差，這些便主要反映了GPS接收機的內(nèi)部噪聲水平。并與GPS接收機標(biāo)稱精度比較，可評定各臺GPS接收機性能。

4 ?現(xiàn)場GPS接收機超短基線法檢驗實例

筆者所在公司自2008年來，在世界多個國家和地區(qū)執(zhí)行項目，根據(jù)項目合同要求，項目現(xiàn)場在投入使用前，均采用超短基線檢驗法對GPS接收機進行檢驗，本文選取公司在南美玻利維亞圣特爾莫山地石油勘探項目，采用超短基線法檢驗GPS接收機的實例，闡明該方法的做法和實用意義。

該項目我們投入了新采購的最新型6臺套Leica GNSS GS15型GPS接收機，支持GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou四星系統(tǒng)。

按照本文前述現(xiàn)場超短基線組建立要求，我們在主營地里，建立相鄰兩點間距大約2m左右的超短基線組，按順序?qū)⒘鶄€GPS點命名為CAL01 、CAL02……CAL06。并用檢驗過的鋼卷尺，3次重復(fù)丈量兩兩點距離，得到15條基線標(biāo)稱值，如表1。

表2中15條基線3次丈量值，取均值至毫米，將以此丈量均值作為各基線的標(biāo)稱值。認(rèn)真規(guī)范操作儀器，天線架設(shè)精確對中、整平、腳架踩實穩(wěn)定，精確量取天線高，6個GPS點上輪流安置完6臺GPS接收機，共進行6個時段靜態(tài)觀測;六時段靜態(tài)觀測信息統(tǒng)計表，如表2。

選取GPS靜態(tài)觀測和數(shù)據(jù)處理技術(shù)參數(shù)如下。

觀測衛(wèi)星數(shù)≧5;

衛(wèi)星截止高度角≧15°;

觀測記錄采樣率：5s（處理基線時，可以按5的倍數(shù)確定數(shù)據(jù)采樣率）;

觀測時間：30min左右。

本次檢驗采用Trimble Business Center軟件進行基線向量解算，計算出6個GPS點之間的水平距離，靜態(tài)觀測6個時段，兩點之間水平距離得出6個不同的值，取均值與基線標(biāo)稱值（丈量值）比較，得差值，如表3。

從基線解算處理成果統(tǒng)計，同一基線不同時段的基線向量互差，絕對值最大為3mm，均不大于接收機的快速靜態(tài)觀測水平標(biāo)稱精度固定誤差的2倍之6mm;各基線與基線標(biāo)稱值之差值絕對值在0～3mm之間。

依據(jù)同樣的方法，我們在亞馬遜流域貝尼河石油勘探項目中，對投入的7臺Leica GX1230GG型GPS接收機（靜態(tài)觀測水平標(biāo)稱精度：Hz 5mm + 0.5ppm / V 10mm + 0.5ppm），支持GPS/GLONASS雙星系統(tǒng)，建立超短基線組，進行7時段靜態(tài)觀測，采用Leica Geo Office（LGOLGO）數(shù)據(jù)處理軟件進行基線向量解算，按選取的13條基線，計算出各基線的水平距離，兩點之間水平距離會得出7個不同的值，取均值與該組基線標(biāo)稱值比較求得差值，如表4。

從表4中可以看出各基線的不同時段觀測成果的最大值和最小值且差值在3mm之內(nèi)，完全滿足GPS接收機超短基線法檢驗時，同一基線不同時段靜態(tài)測量水平距離互差不大于該GPS接收機靜態(tài)測量標(biāo)稱精度固定誤差的2倍之10mm;各基線與基線標(biāo)稱值之差值絕對值在0～3mm之間。

本文探索項目現(xiàn)場GPS接收機的超短基線法檢驗的應(yīng)用，關(guān)于天線相位中心偏差已在GPS接收機年檢時定期檢驗，各基線互差數(shù)據(jù)統(tǒng)計類似于本文中表4數(shù)據(jù)統(tǒng)計，這里不再列出。從表中各基線與基線標(biāo)稱值之差值絕對值在0～3mm之間，滿足測量GPS接收機檢定規(guī)程中給出的超短基線法檢驗時，各基線向量（水平距離）與基線標(biāo)稱值之差，不大于GPS接收機的標(biāo)稱固定誤差，參考測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球 定位系統(tǒng)（GPS）測量型接收機檢定規(guī)程》，完全滿足的超短基線法檢驗時，各基線向量（水平距離）與基線標(biāo)稱值之差，小于GPS接收機的標(biāo)稱固定誤差。因此，我們認(rèn)為該組GPS接收機性能優(yōu)良、穩(wěn)定，可以投入項目使用，也獲得了業(yè)主測繪技術(shù)管理部門的批準(zhǔn)。因此，我們認(rèn)為計劃投入的GPS接收機定位精度高、性能穩(wěn)定，可以投入項目使用。也獲得了業(yè)主測繪技術(shù)管理部門的批準(zhǔn)。

5 ?結(jié)語

目前關(guān)于GPS接收機的檢驗的方法，有規(guī)程可循，在世界各個國家也得到了長足的普及和發(fā)展。

通過國外項目現(xiàn)場的檢驗方法的應(yīng)用表明，采用超短基線法檢驗GPS接收機的性能，方法正確、簡單，且適合野外現(xiàn)場操作，特別是在一些國家GPS接收機的檢驗條件不足或有一定局限性的情況下，我們分析多個項目的儀器檢驗結(jié)果和對比后認(rèn)為，在項目現(xiàn)場自己建立超短基線場地，在野外現(xiàn)場僅采用超短基線法，每個時段按編號順序?qū)⒄MGPS接收機變換觀測點位置的辦法（GPS點數(shù)、GPS接收機臺數(shù)和靜態(tài)測量的時段數(shù)相同），可對GPS接收機的綜合性能進行檢驗。在基線計算處理后，得出各基線水平距離均值與其標(biāo)稱值之差，該組差值波動的范圍和大小，基本綜合體現(xiàn)了整組GPS接收機的性能及其穩(wěn)定性。同時，在測量GPS投入使用前進行必要的檢驗，投入合格的設(shè)備是必要的，也為國外工程項目中的測繪產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)提供了依據(jù)和保障。

因此，國外項目現(xiàn)場GPS接收機超短基線法檢驗，結(jié)合當(dāng)?shù)鼗脑O(shè)備定期年檢，可作為投入項目使用的GPS接收機的綜合性能檢驗的主要方案?，F(xiàn)場超短基線法檢驗GPS接收機的方法是符合野外實際情況、操作規(guī)范及業(yè)主認(rèn)可的主要方法，且具有很強的實用意義。

參考文獻

[1] 劉基余.超短基線法檢驗GPS信號接收機性能的探索[J].武測科技，1991（2）：79-80.

[2] [美]Elliott D. Kaplan，ChristopherJ Hegarty編著，寇艷紅 （譯者），GPS 原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3] 楊鋒.GPS接收機檢驗的實例分析[J].露天采礦技術(shù)，2012（1）：25.