ＧＰＳ在數(shù)據(jù)測量中的誤差因素

黃燕明

摘要:本文通過對GPS測量的誤差來源進(jìn)行分析, 總結(jié)出各類誤差對GPS測量精度的影響,指導(dǎo)我們在進(jìn)行GPS測量時如何消除或減弱各類誤差對GPS測量精度的影響,達(dá)到快速取得滿足GPS測量精度要求的成果。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；數(shù)據(jù)誤差；GPS

引言

如其他測量一樣,GPS測量同樣不可避免地受到測量誤差的影響。GPS是一個龐大的系統(tǒng)(由GPS衛(wèi)星、用戶和地面的監(jiān)控站三部分組成),誤差的組成也很復(fù)雜。根據(jù)不同的研究方向和研究重點,誤差的分類各有不同;通常是按誤差的性質(zhì)將其分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩類;按誤差對測量結(jié)果的影響程度把誤差分為噪聲誤差、偏差和偶然誤差;按誤差的來源將其分為與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號傳播有關(guān)的誤差、與接收機(jī)有關(guān)的誤差、野外工作失誤四種類型。本文按誤差的來源對GPS測量誤差進(jìn)行分析。

1與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,主要包括衛(wèi)星星歷的誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、SA技術(shù)與AS技術(shù)的影響、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對論效應(yīng)的影響等。

1.1衛(wèi)星星歷的誤差

衛(wèi)星星歷的誤差指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實際位置間的偏差。由于衛(wèi)星星歷是GPS定位的主要數(shù)據(jù)依據(jù),是由地面監(jiān)控站跟蹤檢測GPS衛(wèi)星求定的。由于地面檢測站測試的誤差,以及衛(wèi)星在空中運(yùn)行受到多種攝動力影響,地面監(jiān)控站難以充分可靠地測定這些作用力的影響,使得測定的衛(wèi)星軌道會有誤差;另外由地面注入站給衛(wèi)星的廣播星歷和由衛(wèi)星向地面發(fā)送的廣播星歷,都是由地面監(jiān)測的衛(wèi)星軌道外推計算出來的,使得由廣播星歷提供的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星實際位置之間有誤差。減弱星歷誤差影響的途徑:采用由美國國防制圖局(DMA)生產(chǎn)的精密星歷以及由國際GPS服務(wù)(IGS)生產(chǎn)的精密星歷；建立自己的跟蹤網(wǎng)獨立定軌,采用不斷改進(jìn)的定軌技術(shù)及攝動力模型,根據(jù)實測星歷,獲得較好的定軌精度；采用相對定位作業(yè)模式,用同步觀測值求差來降低或消除這一誤差；在大區(qū)域測區(qū),采用軌道松弛法,求得測站位置及軌道改正數(shù),對無法獲取精密星歷進(jìn)行補(bǔ)救。

1.2衛(wèi)星鐘的鐘差

GPS測量的原理是信號由衛(wèi)星傳播到接收機(jī)的傳播時間乘以衛(wèi)星信號的傳播速度。如果衛(wèi)星信號中有6~8ms的誤差,則其影響可達(dá)180~240cm?？梢奊PS的測量精度與時鐘(衛(wèi)星和接收機(jī)的時鐘)誤差密切相關(guān)。雖然GPS衛(wèi)星都采用高精度的原子鐘,但由于主控站(及監(jiān)控站)的控制和調(diào)整,仍不能完全改正衛(wèi)星鐘的鐘面時與GPS時之間的同步誤差及衛(wèi)星鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步誤差,通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶。這樣就存在兩種時間誤差,并引起等效的距離誤差。在相對定位中,衛(wèi)星鐘差或經(jīng)主控站(及監(jiān)控站)改正后的殘差可通過觀測量求差(或差分)得以消除,而接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步誤差(即接收機(jī)鐘差)也可通過觀測值求差得以有效的減弱。因此衛(wèi)星鐘差通過模型和數(shù)據(jù)處理方法可以得到一定程度的修正。

1.3地球自轉(zhuǎn)的影響

衛(wèi)星在運(yùn)行中,不僅是受地球質(zhì)心引力的作用,還受到地球潮汐、太陽光壓,太陽和月球的引力,大氣阻力等作用。因此必須建立各種攝動力模型,對衛(wèi)星軌道加以修正,滿足衛(wèi)星精密定位的需要。通過地面監(jiān)控站實測GPS衛(wèi)星在某一時間的位置,對衛(wèi)星的軌道進(jìn)行改正,實現(xiàn)精密定軌,同時當(dāng)衛(wèi)星信號到達(dá)測站,由于地球自轉(zhuǎn)使衛(wèi)星信號產(chǎn)生時間延遲,從而引起坐標(biāo)變化,可根據(jù)地球自轉(zhuǎn)速度,求出旋轉(zhuǎn)角度,建立相關(guān)坐標(biāo)模型消除地球自轉(zhuǎn)的影響。

2與信號傳播有關(guān)的誤差

與信號傳播有關(guān)的誤差,主要包括電離層延遲、對流層折射的影響和多路徑效應(yīng)的影響、周跳。

2.1電離層延遲

電離層(含平流層)是高度在60~1000km間的大氣層,在這一層中,由于太陽的作用,使大氣中的分子發(fā)生了電離,而電離層中的電子密度是變化的,它與太陽黑子活動狀況、地球上地理位置、季節(jié)變化和時間有關(guān)。GPS衛(wèi)星信號在通過電離層時,和其它電磁波信號一樣要受到帶電介質(zhì)的非線性散射特性的影響,不僅傳播速度發(fā)生變化,信號的傳播路徑亦會發(fā)生彎曲,所以電離層對GPS信號的影響會使利用GPS接收機(jī)所測得的衛(wèi)星至天線之間的距離產(chǎn)生誤差。對GPS信號而言,這種距離誤差可達(dá)50～150rn?？梢圆捎萌缦路椒▉硐魅蹼婋x層對信號影響:

2.1.1 利用雙頻改正技術(shù)。由于電離層對信號的影響與信號本身頻率有關(guān),根據(jù)L1/L2的頻率的信號是沿同一路徑到達(dá)接收機(jī)的,只存在電離層折射影響不同,利用L1/L2的頻率觀測值直接解算出電離層的時延差點改正數(shù)。經(jīng)過雙頻觀測值改正后,偽距殘差可達(dá)厘米級。

2.1.2 采用電離層模型加以改正,對GPS單頻機(jī),在導(dǎo)航電文中提供電離層改正模型,將電離層延遲影響減少75%。

2.1.3 對于短距離基線(測站間距離20KM以內(nèi)),可采用兩個或多個觀測站同步觀測量求差,由于衛(wèi)星到兩個測站電磁波傳播路徑上的大氣狀況很相似,因此,通過求差,可以削弱電離層延遲的影響。

2.2對流層延遲

對流層是高度在50km以下的大氣層,大氣中質(zhì)量99%都在此層中。這一層也是氣象現(xiàn)象主要出現(xiàn)的地區(qū)。受地面氣候的影響非常大,對GPS衛(wèi)星信號的折射比電離層更為復(fù)雜。對流層對信號的折射誤差與信號傳播路線上的溫度、氣壓和濕度有關(guān),同時還與衛(wèi)星的高度角及測站的正高有關(guān)。對流層對信號折射所造成的衛(wèi)星到測站距離的誤差一般為幾米至十幾米。在施測GPS控制網(wǎng)時,為了削弱對流層的折射影響,首先應(yīng)進(jìn)行模型改正。實測地區(qū)氣象資料利用氣象模型改正,能減少對流層對電磁波延遲達(dá)92%～93%。由于模型改正僅能切削去對流層折射影響的大部分,在觀測值中仍會含有少量由對流層折射造成的誤差,此時應(yīng)再利用差分技術(shù)進(jìn)一步削弱對流層折射的影響。

2.3多路徑誤差

多路徑效應(yīng)是由于接收機(jī)天線不只是接收到衛(wèi)星直接發(fā)射的信號,還接收到經(jīng)接收機(jī)天線周圍物體一次或多次反射的衛(wèi)星信號,把這兩種疊加的信號作為觀測量來解算,定位結(jié)果中就含有這種多路徑信號影響的誤差。為了減少多路徑效應(yīng)影響,在選點時,點位應(yīng)盡量避開強(qiáng)反射物(如水面、平坦光滑地面和平整的建筑物);選用能削弱多路徑效應(yīng)的天線(如具有Pinwheel技術(shù)的天線;采用扼流線圈);可能時,延長觀測時間,最好在一天的不同時間進(jìn)行觀測。

２.4周跳

衛(wèi)星信號被障礙物暫時阻擋或受無線電信號干擾產(chǎn)生整周跳變即周跳。對周跳必須進(jìn)行修復(fù),檢驗和使用周跳的方法通常有:屏幕掃描法,多項式擬合法,衛(wèi)星間求差法。根據(jù)殘差修復(fù)整周跳變。解決周跳的根本途徑是提高外業(yè)觀測的條件,重視選點條件等,人為地避免周跳的發(fā)生。

3與接收機(jī)有關(guān)的誤差

GPS測量的主要觀測量是衛(wèi)星信號從衛(wèi)星到接收機(jī)的時間延遲,為了測量時間延遲,要在接收機(jī)內(nèi)復(fù)制測距碼信號,并通過接收機(jī)的時間延遲器進(jìn)行A相移,使復(fù)制的碼信號與接收到的相應(yīng)碼信號達(dá)到最大相關(guān),其必須的相移量,便是衛(wèi)星發(fā)射的碼信號到達(dá)接收機(jī)天線的傳播時間。衛(wèi)星發(fā)射碼與接收機(jī)內(nèi)復(fù)制的相應(yīng)測距碼之間的相位差,通常其大小約為碼元寬度的1%。根據(jù)相位差與碼元寬度的這種關(guān)系,我們可初步估計各種波長的信號的觀測精度。

與接收機(jī)有關(guān)的誤差還包括接收機(jī)鐘差、通道間的偏差、鎖相環(huán)延遲、碼跟蹤環(huán)偏差、天線相位中心的偏差、和天線的安置精度。要減弱接收設(shè)備的誤差對觀測精度的影響,必須在作業(yè)前先了解儀器的性能、工作特性及其要達(dá)到的精度要求,制定好GPS作業(yè)計劃,這也是GPS定位測量順利完成的保證。因此,必須定期對GPS接收機(jī)進(jìn)行檢驗,檢驗項目有:①天線相位中心穩(wěn)定性測試;②內(nèi)部噪聲水平測試;③野外作業(yè)性能及不同測程精度指標(biāo)的測試;④頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價;⑤高低溫性能測試。

4野外工作失誤

對于野外工作失誤(如:錯誤的測量天線高、錯誤的測站名、對中整平誤差、選擇了錯誤的天線類型)和矛盾的接收機(jī)設(shè)置(如:數(shù)據(jù)采樣率不一致、鐘漂移率過大、高度截止角過高、衛(wèi)星開啟或禁用混亂、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一),產(chǎn)生的錯誤或粗差,我們可以通過嚴(yán)密的野外觀測程序來減少這種錯誤或粗差。作業(yè)前,檢查各接收機(jī)的設(shè)置,確保各接收機(jī)設(shè)置正確一致;作業(yè)時,野外記錄的測站名、位置、觀測時間和天線高要清楚準(zhǔn)確,而且必需在觀測開始和結(jié)束時分別測量、記錄天線高。

結(jié)束語

只有對GPS測量誤差的進(jìn)一步詮釋，理解了這些誤差源的性質(zhì)、大小及其影響，并采取相應(yīng)的措施將其減弱，從而得以進(jìn)一步提高其觀測成果的精度。