GNSS 技术在大比例尺地形图测绘中的误差分析与校正方法

引言

大比例尺地形图能够详细地反映地形地貌、地物分布等信息，是城市规划、土地管理、工程设计等工作的重要基础资料。传统的地形图测绘方法，如全站仪测量、水准测量等，存在作业效率低、劳动强度大等缺点。随着全球导航卫星系统（GNSS）技术的不断发展，其在大比例尺地形图测绘中得到了越来越广泛的应用。GNSS 技术具有全天候、高精度、高效率等优点，可以快速获取测点的三维坐标信息，大大提高了测绘工作的效率和质量。然而，GNSS 技术在实际应用中也面临着诸多误差问题。这些误差来源复杂，包括卫星轨道误差、卫星钟差、电离层折射误差、对流层折射误差、多路径效应以及接收机噪声等。这些误差的存在会影响 GNSS 测量的精度，进而影响大比例尺地形图的测绘质量。因此，深入分析 GNSS 技术在大比例尺地形图测绘中的误差来源，并采取有效的校正方法，对于提高测绘精度和可靠性具有重要的现实意义。

一、GNSS 技术在大比例尺地形图测绘中的误差分析

1. 卫星相关误差

卫星相关误差主要包括卫星轨道误差和卫星钟差。卫星轨道误差是指卫星实际运行轨道与理论轨道之间的偏差。由于卫星受到多种因素的影响，如地球引力场的不均匀性、太阳和月球的引力摄动、太阳光压等，其实际轨道会偏离理论轨道。卫星轨道误差会直接影响到 GNSS 测量中卫星位置的确定，从而导致测量误差。

卫星钟差是指卫星上的原子钟与 GNSS 系统标准时间之间的偏差。虽然卫星上的原子钟具有很高的精度，但由于各种因素的影响，如钟的老化、温度变化等，卫星钟会产生一定的误差。卫星钟差会导致卫星信号发射时间的不准确，进而影响到信号传播时间的测量，最终影响到测点坐标的计算精度。

2. 信号传播误差

信号传播误差主要包括电离层折射误差和对流层折射误差。电离层是地球大气层的一部分，其中含有大量的自由电子和离子。当 GNSS 卫星信号穿过电离层时，会受到电离层中自由电子的影响而发生折射，导致信号传播路径发生弯曲，传播时间发生变化，从而产生电离层折射误差。电离层折射误差与信号频率、电离层电子密度、卫星信号的传播路径等因素有关。

对流层是地球大气层的最底层，其中的水汽、二氧化碳等气体和水汽凝结物会对 GNSS 卫星信号产生折射作用，导致信号传播路径发生弯曲和传播时间发生变化，从而产生对流层折射误差。对流层折射误差与大气的温度、湿度、气压等气象因素有关，并且随着高度的增加而减小。

多路径效应也是一种重要的信号传播误差。多路径效应是指 GNSS 卫星信号在传播过程中，受到周围地物（如建筑物、树木等）的反射，使得接收机接收到的信号不仅有直接来自卫星的信号，还有经过反射的信号。这些反射信号与直接信号相互干涉，会导致信号强度和相位发生变化，从而产生测量误差。多路径效应在城市等建筑物密集的地区尤为明显。

3. 接收机误差

接收机误差主要包括接收机钟差、接收机噪声和天线相位中心误差。接收机钟差是指接收机内部的时钟与 GNSS 系统标准时间之间的偏差。与卫星钟差类似，接收机钟差也会影响到信号传播时间的测量，从而导致测量误差。

接收机噪声是指接收机在接收和处理卫星信号过程中产生的随机噪声。接收机噪声会影响到信号的质量和测量的精度，特别是在信号较弱的情况下，接收机噪声的影响更为明显。

天线相位中心误差是指天线的实际相位中心与理论相位中心之间的偏差。由于天线的制造工艺、安装方式等因素的影响，天线的相位中心会发生变化，从而导致测量误差。天线相位中心误差与天线的类型、工作频率、观测方向等因素有关。

二、GNSS 技术在大比例尺地形图测绘中的校正方法

1. 差分 GNSS 技术

差分 GNSS 技术是一种常用的 GNSS 误差校正方法。其基本原理是在已知坐标的基准站上安装一台 GNSS 接收机，对可见卫星进行连续观测，并将观测数据与已知坐标进行比较，计算出基准站的误差改正数。将这些误差改正数通过数据通信链路发送给流动站接收机。流动站接收机在接收卫星信号的也接收来自基准站的误差改正数，并对自身的观测数据进行改正，从而提高测量精度。

差分 GNSS 技术根据差分方式的不同，可以分为位置差分、伪距差分和载波相位差分等。位置差分是最简单的差分方式，它直接将基准站的坐标改正数发送给流动站，流动站根据这些改正数对自身的测量坐标进行改正。伪距差分是通过对基准站和流动站的伪距观测值进行差分处理，计算出误差改正数，并对流动站的伪距观测值进行改正。载波相位差分是一种高精度的差分方式，它通过对基准站和流动站的载波相位观测值进行差分处理，计算出误差改正数，并对流动站的载波相位观测值进行改正，从而可以实现厘米级甚至毫米级的测量精度。

2. 多系统融合技术

多系统融合技术是指将不同的 GNSS 系统（如 GPS、GLONASS、Galileo、北斗等）进行融合，利用各系统的优势，提高 GNSS 测量的精度和可靠性。不同的 GNSS 系统具有不同的卫星星座、信号频率和信号结构，通过将它们进行融合，可以增加可见卫星的数量，改善卫星的几何分布，从而提高测量的精度和可靠性。

多系统融合技术可以分为松组合和紧组合两种方式。松组合是指将不同系统的观测数据分别进行处理，然后将处理结果进行加权平均，得到最终的测量结果。 紧组合是指将不同系统的观测数据进行联合处理，同时解算各系统的误差参数和测点的坐标，从而可以更好地利用各系统的观测信息，提高测量精度。

3. 模型改正法

模型改正法是通过建立误差模型，对 GNSS 测量中的误差进行估计和改正。对于电离层折射误差，可以采用电离层模型进行改正。常用的电离层模型有 Klobuchar 模型、NeQuick 模型等。这些模型根据电离层的物理特性和观测数据，建立了电离层电子密度与时间、地点、太阳活动等因素之间的关系，从而可以对电离层折射误差进行估计和改正。

对于对流层折射误差，可以采用对流层模型进行改正。常用的对流层模型有 Hopfield 模型、Saastamoinen 模型等。这些模型根据大气的物理特性和气象观测数据，建立了对流层折射误差与气象因素之间的关系，从而可以对对流层折射误差进行估计和改正。

对于卫星轨道误差和卫星钟差，可以采用广播星历或精密星历进行改正。广播星历是由卫星发送的实时星历，其精度相对较低；精密星历是由地面监测站通过对卫星进行长期观测和数据处理得到的星历，其精度相对较高。

结论

GNSS 技术在大比例尺地形图测绘中具有重要的应用价值，但同时也面临着多种误差问题。本研究对 GNSS 技术在大比例尺地形图测绘中的误差来源进行了深入分析，包括卫星相关误差、信号传播误差和接收机误差等，并探讨了这些误差对测绘结果的具体影响。在此基础上，详细阐述了差分GNSS 技术、多系统融合技术和模型改正法等多种误差校正方法。通过采用这些校正方法，可以有效地提高 GNSS 技术在大比例尺地形图测绘中的精度和可靠性。

参考文献

[1] 李勇 . 基于 GNSS 后差分技术航测系统在大比例尺地形图测绘中的应用 [J]. 资源导刊 ,2019,(18):34-36.

[2] 姜书琴 , 李巨栋 , 许洁 .GNSS-RTK 联合全站仪在大比例尺地形图测绘中的应用 [J]. 丝路视野 ,2018,(36):325-326.