GPS基站与地理因素
GPS基站与地理因素
杜国牛
西南石油大学建筑工程学院07级测绘工程专业
[摘要]此文主要是对于GPS测量中地理因素等通过影响卫星信号和UHF信号对GPS精度影响进行理论讨论，系统的分析讨论GPS基站架设位置与其测量精度的外力作用，并结合生产实际总结出GPS测量基站选择合适地理因素位置的方法以及应该注意的问题，给没有实际GPS测量操作经验的同仁以粗浅的指导。
[关键字]GPS测量基站、地理因素、方法
1、前言
GPS（Global Positioning System）是全球定位系统的简称，它是美国为满足自己在全球军事战略上的需求，于70年代发展起来的适用于全球的定位技术。到90年代这一技术进入完全运行状态，随着它在定位精度上的提高，开始在测量领域发挥显著作用。从最初用于高精度大地测量和控制测量，建立各种类型等级的测量控制网，到现在用于各种类型的施工放样、测图、变形观测和地理数据的采集等。尤其是在各种类型的测量控制网的建立方面，GPS定位技术已基本取代常规测量手段，成为主要的测量技术手段。目前我国采用GPS技术布设了新的国家大地测量控制网，很多城市也都采用GPS技术建立了城市控制网。GPS-RTK技术与常规仪器相比，明显地提高了作业效率和作业精度。但在GPS应用方面，测量人员的测量操作受到许多地理因素的影响，地理因素影响最大的就是测量基站位置的选择；如果不能很好的认识和处理这些地理因素，就不能选择一个好的基站位置和测量模式，在实际测量过程中就会浪费不必要的时间和精力。为了更好的完成GPS测量任务，有必要对与基站选择有关的地理因素详细认识了解清楚！并总结出选择方法！
2、GPS基站与地理因素
GPS基站的正确架设需要考虑很多的因素，这些因素是影响GPS精度高低的重要来源，GPS卫星信号从高空向地面发射,若接收机天线周围有高大建筑物或水面时,建筑物和水面对电磁波具有强反射作用,天线接收的信号不但有直接从卫星发射的信号(直接波),还有从反射体反射的电磁波信号(反射波),这两种信号产生干涉,从而使观测值偏离真实值,GPS定位产生误差,该误差称为多路径效应。多路径效应误差会严重影
响GPS测量的精度,甚至还会引起信号的失锁；测量人员为了提高GPS测量精度和减少架设基站次数节省时间提高效率，就有充分对这些因素认识和了解，在实际运用时便能够为实现高精度高效率的目标提供稳定可靠的前提条件！下面就各种因素具体详细分析各自对GPS基站信号接收的影响。
2.1、地物因素
各种地形对卫星信号的影响作用原理不同，需要对其影响原理和大小有清楚认识了解。影响比较大的地形因素主要有：高大山体和建筑物、大型水面、人为电辐射干扰物等，影响作用一般表现为阻挡、吸收、反射、干扰等，在GPS测量操作中首要考虑因素便是地形因素。
2.1.1、高大山体和建筑物
首先测量员在山区进行GPS测量时，高大山体是最常见的地物，基站选择的时候对于山体位置、大小、高低都要进行详细的研究和考虑，做出正确的基站位置选择。
山区多高大的群山，群山间的平坦开阔地是大部分人聚居场所，也是有许多测量工作的区域，测量工作得在两山之间进行；山的高度就决定了GPS信号的强弱，GPS 接收机接收信号的时候只能够接受到一定高度角的卫星信号，对于地球上的某个地点，卫星高度角是指卫星与地面点连线方向和地平面之间的夹角,专业上讲卫星高度角是指某地卫星地面点连线与该地作垂直于地球半径的地表切线的夹角，山峰越高，能够收到信号的卫星的高度角越大，于是能够进行长时间锁定的卫星也就越少，因为卫星在不断地运动过程中，GPS卫星在距地表20 200km处，周期12恒星时（恒星时是天文学和大地测量学标示的天球子午圈值，是一种时间系统，以地球真正自转为基础：即从某一恒星升起开始到这一恒星再次升起为23时56分4秒。考虑地球自转不均匀的影响的为真恒星时，否则为平恒星时），其运行速度很快，在峡谷地形，很快会离开接收机能够接受信号天空区域，地面高山峡谷里的接收机也许只能在很短的时间里收到其信号；对于很高的山体峡谷中的接受机来说能够锁定4颗及4颗以上卫星的时间很短，进而进行定位解算的时间也就不够，不能解算出高精度的坐标信息；有的时候只能搜索并锁定4颗以及更少的卫星，这个时候进行坐标精确解算的观测量不够，定位精度将会更低，考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程，所以在实际的大型工程中这时的数据便没有了运用价值。
山区的地形多曲折，能够收到卫星信号的情况下还要考虑山体对UHF（超高频UHF -Ultra High Frequency）电台信号的阻挡作用，移动站与基站之间通过UHF
电台接受和发送差分信号，进行实时差分。山体峡谷地形曲折，高山之间相互阻挡，会降低差分信号的强度，甚至移动站根本接受不到UHF电台的信号，这个时候就不得不进行基站的搬动并联测上一基站的两个及两个以上的点位！在山区地形搬站是个很麻烦的事情，如果开始的时候基站没有选择好，搬站的次数多了，就会浪费很多的时间，降低工作效率。
于是山区地形GPS测量仅考虑地形因素的时候，需要综合分析山体的高度、位置、大小、曲折情况和测区的相对位置关系，选择合适的地点架设基站，以减小定位位差并提高效率。综合上述的分析，在山区测量时，应将基站架设在山区中地势开阔的区域、山顶上空旷处（如果能够很短时间到达山顶）、半山腰地势开阔处（一面背靠大山，山腰所面对的其他三个方向没有大山阻挡），尽量避开高大山体的阻挡，事实上测站不宜选择在山坡上。由于无论测站选在山坡的任何地方,都会产生多路径效应的影响，同样测站也不宜设在山谷或盆地中。另外,当山坡的坡度过大时,在截止高度角以上就会出现障碍物,影响卫星信号的接收，架设基站的同时考虑测区内移动站的最远位置是否能够收到UHF电台的信号，避免不必要的迁站浪费时间。
其次在城市区域，基站架设面临许多人为高大建筑物的干扰问题，其对卫星信号影响原理基本同上述山区高大山体部分内容。但是城市区域的建筑物毕竟没有山区的高山高，所以架设基站的时候尽量选择高大建筑物的顶层空旷平台上是个最佳的选择，也不存在仪器难以运输的问题，城市便利的运输条件为基站的搬站和架设提供的快捷的渠道。
2.1.2、大型水面
GPS在水利工程方面的运用也很广泛，特别是大型河流的桥梁架设、电站修建、库区维护以及其变形监测等等，常用在水利设施控制网的建立和碎部点位的测量记录。水利设施附近有着大片的汇水区域，测区范围也在汇水区域的周围，GPS测量工作时基站与汇水区域的距离直接影响到测量精度的高低。
水面对电磁波有强烈的反射作用，可以充分利用反射波能量的衰减原理,有效地减少反射波的干涉。由于电磁波在大气中传播会衰减,衰减公式为:
I=I
e-Dα
式中:I
———入射能量;
I———反射到天线的能量;
D———光程;
α———衰减系数。图-1 镜面反射
当取α=0.23时,相距10 m时,信号衰减到1/10;相距100 m时,信号衰减到1×10-10。所以,为减少多路径效应影响,在安置天线时,应尽量避开或远离强反射物,如水面、平坦光滑地面和平整的建筑物。水面几乎100％的反射微波信号，对于平静的水面属于镜面反射（如图-1），经过反射到达接收机的卫星信号与直接到达接收机的信号重叠干涉，改变信号的强弱（电磁波振幅大小）程度，接收机在进行坐标解算时使得观测值偏离真实值；另外在大型水面周围架设基站时，高频电磁波波长小，在现实中障碍物的尺寸一般都比较大，不容易发生衍射而穿过，于是UHF电台发射的高频差分信号也会在水面有很强的反射，在大型水面周围进行测量和放样作业时，移动接收机接收到得信号也会出现干涉的多路径效应误差影响。这就要求在选点时应尽可能地远离大面积水域，当无法远离时，由于灌木丛、草地和其他地面植被应能较好地吸收微波信号的能量，反射很弱，因此在相同情况，可根据地表植被来判断选点位置，来减弱多路径效应影响。在这个时候还要考虑一个因素，植被在不同的时间段对电磁波的吸收作用也是不同的，下一小节讲会说明。
2.1.3、人为电辐射干扰物
GPS测量工程区域能够遇到的常见人为电辐射干扰物主要有：雷达、电视电话信号发射塔、高压输电线线、大功率电器等等，这些地物本身在不断地发射很强的电磁波信号，雷达、高压电线、微波中继站等,这些强辐射源不仅自身会导致反射波产生多路径效应,而且它们所辐射的强电磁波,会很容易烧坏灵敏度极高的GPS天线单元。
人为电辐射干扰物常常对GPS卫星信号进行电磁波干扰，电磁干扰(EMI)是干扰电磁信号并降低信号完好性的电子噪音，电磁干扰（Electromagnetic Interference 简称EMI），是指电磁波与电子组件作用后而产生的干扰现象，有传导干扰和辐射干扰两种。对于GPS卫星的电磁干扰主要是辐射干扰，辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络，在高速PCB(印刷电路板)及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其它子系统的正常工作，辐射干扰传输是通过介质以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合由三种：1. 甲天线发射的电磁波被乙天线意外接受，称为天线对天线耦合；2. 空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合；3.两根平行导线之间的高频信号感应，称为线对线的感应耦合。在实际工程中，两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在，反复交叉耦合，共同产生干扰，才使电磁干扰变得难以控制影响GPS接收机的精度。“干扰”指设备受到干扰后性能降低以及对设备产生干扰的干扰源这二层意思。第一层意思如雷电使收音机产生杂音,摩托车在附
近行驶后电视画面出现雪花,拿起电话后听到无线电声音等。任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件：首先应该具有干扰源；其次有传播干扰能量的途径和通道；第三还必须有被干扰对象的响应。为了减少电磁干扰带来的误差，在测量区域基站的架设位置需要远离能够发射强电磁波的设备。
2.1.4、植被
植被是含有大量的水分的生物，在实际测量区域，基站周围或者移动站周围有大量高大的植物存在，将会严重降低测量定位的精度，影响差分信号的发射和接受，造成信号的不稳定和不连续性；且在一天时间里，随着时间的不同太阳光照的入射角度变化，植被对GPS卫星信号和UHF电台信号的影响作用也不同。测量人员有必要清楚认识其中的规律，在实际的测量作业时才能很好的处理基站架设问题。
GPS卫星信号在植物区域主要受到植物周围大气湿度的影响以及植物本身对电磁波信号的吸收作用，电磁波的空气折射率与空气密度和水汽密度（即水汽湿度）成正比，植物周围的大气湿度相对高于其他干土壤地区，于是高湿度区域对电磁波有很强的干扰作用。当相对湿度相同时，温度越高，蒸汽压越大；当温度相同时，相对湿度越大，蒸汽压就越大。当大气温度增高时，气孔下腔蒸汽压的增加大于空气蒸汽压的增加，使叶内外的蒸汽压差加大，有利于水分从叶内逸出（如图-2），蒸腾加强，特
别是中午的时候气温升高，在
中午的时候气温相对于一天
中式气温最高，对电磁波的干
扰作用最高；植物叶片水分的
含量在一天中的变化随着温
度的变化而变化，表现出来现
状的就是蒸腾作用的强弱，影
响蒸腾作用的因素主要有：
（1）外界条件，光照、
空气相对湿度、温度、风；（2）
内部条件，气孔频度（数量、大小）、图-2叶片的吐水作用
细胞间隙面积（叶片内部面积大小）。其中光照是影响蒸腾作用的最主要外界条件，它不仅可以提高大气的温度，同时也提高叶温，一般叶温比气温高2～10℃。大气温度的升高增强水分蒸发速率，叶片温度高于大气温度，使叶内外的蒸汽压差增大，蒸腾速率更快。此外，光照促使气孔开放，减少内部阻力，从而增强蒸腾作用，于是增加植物周围的大气湿度增加了对电磁波的干扰作用。并且植物密集区域对于UHF高频电
台信号有很强的阻挡作用，使得接受机不能很好的收到差分信号。
实际作业时，对于测区有大量的植物，架设仪器时需要尽量避开这些区域；如果测区内有大量密集的植物，测量时间尽量选择在早上或者下午，避开中午温度高的时段。
2.2、时间因素
在GPS运用中的时间因素主要表现在对星历预报的使用以及一天之中在其他因素相同情况下合适观测时间的选择，星历预报可以为测区内所能接受卫星进行提前预报辅助，为最佳观测时间段的选择提供参考依据。
GPS卫星播发的导航电文中包含广播星历,可用于GPS实时定位计算,而预报星历(历书)则用于较长周期内对卫星位置进行预报。在 GPS定位测量中,我们最常见的是应用预报星历预报未来一段时间内可见星的分布情况，以辅助测量工作的实施；应用预报星历可以预报卫星未来一段时间内的卫星位置,预报卫星几何分布精度因子。因此,在GPS卫星定位测量中,可以根据前期观测获得的卫星预报星历,完成以下工作:
(1) 未来一段时间内可见星个数及其分布情况的预报。这方面的工作,相关文献都有研究。GPS解算软件都有可见星的预报功能。在此基础上根据当地卫星星历预报就可以选择最佳的时间区域架设基站，而能够提高作业效率以减少不必要的弱信号区间等待。
(2) 根据预报星历对GPS测量网形和观测方案进行优化。GPS测量有关规范规定 , 无论是绝对定位或相对定位,卫星绝对定位几何精度因子( PDOP)和相对定位几何精度因子(RDOP)的值均不能超过一定限值。因此在布设 GPS网时,可以根据接收到的预报星历计算PDOP和RDOP值,对网形和观测方案进行优化设计。
可见在测量任务中使用星历预报也是一个很好的辅助，我校测绘教研室经常使用的中海达GPS；在测量时，可以使用HDS2003数据处理软件上的星历预报功能辅助测量任务的完成。
2.3、大气因素
GPS卫星位于大气层之外的高层太空中，其发射的定位电磁波信号需要经过电离层和对流层到达地面的接收机，在穿过电离层和对流层时，电磁波定位信号会出现电离层折射误差和对流层折射误差。对于一般的工程GPS用户需要了解这些误差的大小及其原理，在实际的测量中运用各种方法提高测量精度消弱这些误差的影响。
2.3.1、电离层
电离层通常是指地球上空距地面在60-1000KM之间的大气层，电离层中的部分气体分子由于受到太阳和其他天体强烈辐射的影响，产生强烈的电离并形成大量的自由
电子和正离子。当GPS卫星信号通过电离层时，与其他电磁波信号一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。所以用信号的传播时间乘以真空光速而得到的距离就不会是等于卫星与接收机之间的几何距离，这种偏差叫做电离层折射误差。
卫星信号在电离层产生的各种误差量都与电磁波信号传播路径上电子的总量和电磁波信号频率有关，对于GPS信号，它的频率是固定的，所以传播路径山的电子总量就成为影响信号误差的重要变量。电离层的电子密度是变化的，并且与多种因素有关，其数值随太阳及其他天体的辐射程度、季节、时间和地球上地理位置等位置的变化而不同，主要的变化原因就是辐射强度，辐射强度的高低直接影响着电子密度的高低。根据有关实验资料显示：电离层中的电子密度白天使夜晚的五倍，在一年中冬季和夏季可以相差四倍，太阳黑子活动高峰期的电子密度约为低峰期的四倍。电离层折射的影响而使其信号在传播路径上产生距离偏差，当卫星信号从天顶方向进入天线时距离偏差最大可以达到50M左右，在卫星信号沿接近水平方向进入天线时距离偏差值最大可达150M左右。电离层能够引起如此大的偏差，有必要采取合适的方法以减小其的影响。
对于电离层误差的减小，首先基站接收机的选择上，应选择双频接收机，双频接
收机能够同时接收GPS卫星发射的两个频率f
1和f
2
信号并分别进行测量，获取两个
观测值。由于这两个频率的信号是沿着一条路径传播到达接收机天线的，虽然在传播路径上的电子总量是无法准确计算的，但是其相对这两个频率信号来说应该是相同的。运用双频观测法进行定位信息改正后，距离残差值能够达到厘米级，能够有效地消弱电离层折射误差的影响。其次在观测方法上可以利用同步观测求差分法，在相距不太远的两个或者多个观测站上对相同的GPS卫星进行同步观测，由于GPS卫星信号到达两个或多个观测站所经过的传播路径的气象状况甚为相似，因而电离层折射误差对这些观测值的影响具有很大的相关性，通过将相应的观测值求差分可以有效地消弱电离层误差的影响，此方法在实际的操作时即为运用RTK(Real - time kinematic实时动态差分法)差分技术。再次在观测方案的时间选择上，由于电离层折射误差影响的大小与电磁波信号传播路径上的电子总量有密切的关系，所以选择最佳的观测时段，比方说夜晚，此时太阳等其他天体的辐射很弱，大气电离的程度小，电子总量小，从而达到减弱电离层折射误差影响的目的。
当然了，对于初学者和熟练这来说，上述的方法已经能够消弱大部分电离层折射影响达到使用要求，在实际的GPS测量工作中还有一些其他的办法来消弱电离层折射误差影响，这里就不进行讨论了。
2.3.2、对流层
对流层是高度在为40 KM以下的大气底层，集中了大约75%的大气质量和95%以上的水汽质量，其大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，温度随高度的上升而降低，平均每升一千米温度降约 6.5°C.虽然对流层中有少量的带电离子，但是其对电磁波的传播几乎没有影响，实际上对流层的大气是呈中性的，对于电磁波的传播不属于弥散型的介质，因此电磁波在对流层大气中的传播速度与信号的频率无关。
当GPS信号通过对流层时，会使信号的传播速度发生变化，这与大气的折射率有关，同时也会使信号的传播路径发生弯曲，从而使测量距离发生偏差，这种现象叫做对流层折射。对流层折射与地面大气压、温度和湿度的变化时密切相关的，使得对流层折射比电离层折射更加的复杂；另外对流层折射的影响还与卫星信号的高度角有关，如当GPS卫星在观测站的天顶方向（信号的高度角约为90.C）时，对流层折射影响可达2-3M；而当卫星信号在接近水平方向（高度角约为10.C）传播时，其影响可达30M 左右。
虽然对流层折射相对于电离层的折射影响要小，但是其影响情况比较复杂，在实际测量时需要采取一些措施加以消弱其影响。在实践中最常用的方法同上述的“同步观测求差分法”，在GPS测量时将基站和移动站通过差分信号发送和接收进行实时动态差分定位，提高测量精度，这种方法对于短基线（小于20km）的效果非常好，在实践中广泛使用；但是随着基线长度的增加，其精度也会随之下降。在一些大型工程要求高精度的定位时，还可以运用其他的方法减弱对流层折射影响。
3、结语
以上是笔者对于GPS测量工作的简单总结，主要是基于几次参与或独立完成GPS 测量工作的经验，以及借鉴前辈们的理论成果结晶加以整理到本文关于基站架设的这一个理论方面。
我在绵阳市盐亭县进行“盐亭柏梓路”灾后道路改造GPS测量和放样时就发现一个现实性的问题，对于GPS动态测量的基站架设的具有明确指导性意义的文章几乎没有，而基站的架设的适当与否直接影响到测量作业的效率和精度，其中植被对GPS 信号的影响体会尤为深刻；还有一天中下午两点左右的GPS信号最弱精度最低期也很深有体会。我在雅安独立完成GPS测量任务时，对峡谷地形中架设基站也是感触良多，在高压线附近的测量也是有实质的经历。鉴于以上的经历，笔者觉得有必要对基站架设的相关问题进行一次升入的研究，并总结出来与同仁们共享，给正在学习GPS没有
实际操作经验的同仁参考，与已经有实际GPS工程测量操作经验的同仁共勉！
参考文献
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