GPS接收机校准方法探讨
一、引言
全球定位系统（GPS）主要由三大部分组成。即空间星座部分、地面监控部分、用户设备部分-GPS信号接收机。空间星座部分和地面监控部分是用户应用该系统进行导航和定位的基础。用户只有通过用户设备（GPS接收机）才能实现应用GPS进行测量和导航、定位的目的。
根据使用目的的不同，用户要求的GPS接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机，产品也有几百种。GPS接收机按用途分为测地型、导航型和授时型。
二、GPS接收机校准方法
对GPS接收机进行计量校准，是测绘部门为经济建设提供可靠测绘保障不可缺少的一项重要工作。在GPS接收机校准过程中，主要按照《〈全球定位系统〉（GPS）接收机（测地型和导航型）校准规范》（以下简称《校准规范》）JJF1118-2004执行的。以下作者以某品牌4台套测地型GPS接收机为案例，对如何校准静态测量GPS接收机进行技术探讨。
（一）工作准备
按照《校准规范》要求，客户校准仪器必须携带有关电缆（数据传输线、天线电缆、手簿线 ）、软件及软件狗、电池、充电器等附件。内业检查时，首先要调整好每一台接收机的基座，充好电池，按规定设定好GPS接收机的卫星高度角、采样率等参数；然后在楼顶进行短时间GPS观测，以检定该仪器的锁星能力；最后，室内下载数据以检定数据通讯是否正常。
（二）野外数据的采集
室内检查是基础，外业GPS数据采集就是整个仪器校准工作的关键，数据的精度就直接是衡量接收机精度的指标。因此，外业数据采集必须严格按《校准规范》要求执行。外业数据采集又分以下两步进行：天线相位中心一致性检定和不同测程测量误差检定。
1.天线相位中心一致性检定
天线相位中心（Antenna Phase Center）是指微波天线的电气中心，其理论设计应与天线几何中心一致。天线相位中心一致性的检测主要是在南宁GPS检定场的微网场地进行。如图1，将一台接收机放在网中心W007号观测墩上，其余三台放在边上任意三个观测墩上。首先，将四台GPS接收机的天线全部指北，观测一个时段。然后，固定中间的W007，另外三台接收机依次旋转90°、180°、270°，观测三个时段；最后，将外面三个GPS接收机天线的指北标志指北，再依次旋转W007观测墩的天线指向东、南、西方向分别观测三个时段。整个过程观测7个时段，每个时段观测1个小时。每个天线在不同方位下测定同一基线的变化指标△d，按规范要求△d应小于GPS接收机标称的固定误差。在外业检定工作中，检定人员必须严格记录测站点的相关信息，如接收机的天线号码、天线高、观测点名称、观测时段的起止时间、以及参考天线等。
图1
2.不同测程测量误差检定
不同测程测量误差检定采用基线比较法进行。用强制对中连接杆将仪器架在基线点上，整平仪器，天线指北，用盒尺量取天线高，记录天线编号和基线点的编号，全部仪器同步观测2个小时。在GPS数据采集前，必须保证仪器天线指向标准指北；观测过程要观察仪器电池的使用情况；另外，禁止在接收机附近使用手机。外业检定计划中，尽可能地避免在中午12点到下午2点这一太阳活动高峰期进行中长基线观测，这对后面内业的基线解算很有帮助。
3.内业数据处理
数据采集完成后，使用随机软件将数据传输到电脑，在随机软件平台上进行GPS数据处理。通过剔除观测时间过短的卫星、剔除周跳多的卫星，截去周跳多的时间段、剔除受多路径影响严重的观测值等方式解算得到最佳基线解。
（1）天线相位中心一致性检定结果如表1所示。被检测仪器的标称精度为5mm+1×10-6，天线相位中心一致性检定结果的最大变化量△d为3mm，小于接收机的固定误差，该项检定合格。
天线相位中心一致性 表1
基线边 各方向基线解最大变化量△d（mm）
W001-W007 3
W002-W007 2
W003-W007 3
W007-W001 2
（2）不同测程基线误差检定结果如表2所示。由表2结果可知，各边的测量误差应小于：
式中：σ— 标准差，mm；
a — 固定误差，mm；
b — 比例误差，mm；
D — 所测距离，km（不足500m按500m计算）。
测量误差 表2
基线边 误差（mm）
C002-J003 5.2
C007-J003 6.4
C002-C003 3.8
C002-C007 -1.6
C003-C007 -2.5
C003-C007 5.7
基线边中C007-J003基线长17km，
（3）校准结果不确定度的简略评定如下：
错误！未找到引用源。不确定度分量及计算
a.标准装置误差引入的不确定度分量 u1=1.04mm。
b.GPS接收机安置误差引入的不确定度分量 u2=0.06mm。
c.GPS接收机分辨力引入的不确定度分量 u3=0.29mm。
d.测量误差引入的不确定度分量u4。
u4的计算按测距误差Li计算出算术平均值标准偏差。
错误！未找到引用源。单次测量标准偏差 （1）
式中：Li—各边的测量值与已知值之差；
—测量误差值的平均值；
n—测定边数。
错误！未找到引用源。算术平均值标准偏差：
（2）
则： （3）
（4）合成标准不确定度计算
a. （4）
b.有效自由度不用计算。
错误！未找到引用源。 扩展不确定度评定
取置信概率95%，k95=2.0
（5）
根据上面的公式最后算得本次校准结果的扩展不确定度为2.8mm。
4.出具校准证书
仪器检定合格后，即可给用户出具校准证书。校准证书经批准人、校准员、核验员三人签字后盖上校准专用章证即生效。
三、结论
GPS接收机校准过程中，检定人员应注意如下关键问题：
1.出野外采集数据前，一定要充好电或准备备用电池，检查机内数据和内存剩余量，同时检查要同步观测仪器的参数是否一致。
2.严格记录开机时间，精确量取天线高，随时检查仪器工作状态，观测结束后要严格按照操作关机，每次观测完后应及时下载数据。
3.内业数据处理时为保证基线解算结果的复现，要严格记录下使用的软件及版本、每个时段的起止时间以及处理中使用的参数以及其他人工干预信息。
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