GPS測(cè)量誤差及精度控制的幾點(diǎn)探討

【摘要】GPS以其具有全能性、全球性、全天候、精度高、觀測(cè)時(shí)間短、測(cè)站間不需要通視等優(yōu)點(diǎn)在眾多領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但同時(shí)，在GPS測(cè)展中包含多種誤差，只有深刻理解這些誤差源的性質(zhì)及其影響，才能在制定技術(shù)方案和實(shí)際作業(yè)時(shí)。采取必要的措施消除或消弱這些影響，提高成果的可靠性和精確性。本文先介紹了GPS測(cè)量的誤差源，后對(duì)與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差作了探討。

【關(guān)鍵詞】GPS測(cè)量；誤差；精度

一、GPS測(cè)量的誤差源

GPS測(cè)量誤差按其生產(chǎn)源可分3大部分：GPS信號(hào)的自身誤差，包括軌道誤差（星歷誤差）和SA，AS影響；GPS信號(hào)的傳輸誤差，包括太陽(yáng)光壓，電離層延遲，對(duì)流層延遲，多路徑傳播和由它們影響或其他原因產(chǎn)生的周跳；GPS接收機(jī)的誤差，主要包括鐘誤差，通道間的偏差，鎖相環(huán)延遲，碼跟蹤環(huán)偏差，天線相位中心偏差等。

二、與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差

1.衛(wèi)星鐘差

由于衛(wèi)星的位置是時(shí)間的函數(shù)，因此，GPS的觀測(cè)量均發(fā)精密測(cè)時(shí)為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對(duì)應(yīng)的信息，是通過衛(wèi)星信號(hào)的編碼信息傳送給接收機(jī)的。在GPS定位中，無論是碼相位觀測(cè)或是載波相位觀測(cè)，均要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步。實(shí)際上，以盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是它們與理想的GPS時(shí)之間，仍存在著難以避免的偏差和漂移。這種偏差的總量約在1ms以內(nèi)。對(duì)于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過對(duì)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)確定，并通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機(jī)。經(jīng)鐘差改正后，各衛(wèi)星之間的同步差，即可保持在20ns以內(nèi)。在相對(duì)定位中，衛(wèi)星鐘差可通過觀測(cè)量求差（或差分）的方法消除。

2.衛(wèi)星軌道偏差

估計(jì)與處理衛(wèi)星的軌道偏差較為困難，其主要原因是，衛(wèi)星在運(yùn)行中要受到多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測(cè)站，以難以充分可靠的測(cè)定這作用力，并掌握它們的作用規(guī)律，目前，衛(wèi)星軌道信息是通過導(dǎo)航電文等到的。

應(yīng)該說，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前GPS測(cè)量的主要誤差來源之一。測(cè)量的基線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，此項(xiàng)誤差的影響就越大。在GPS定位測(cè)量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下直種方法：1）忽略軌道誤差。這種方法以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準(zhǔn)，不再考慮衛(wèi)星軌道實(shí)際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中；2）采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。這種方法是在數(shù)據(jù)處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)這些參數(shù)為常量，將其與其它求知數(shù)一并求解；3）同步觀測(cè)值求差。這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站一同，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。

三、與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差

與衛(wèi)星信號(hào)有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)

1.電離層折射的影響

GPS衛(wèi)星信號(hào)的其它電磁波信號(hào)一樣，當(dāng)其通過電離層時(shí)，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號(hào)的傳播路徑發(fā)生變化。當(dāng)GPS衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對(duì)信號(hào)傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)，則影響最大。

為了減弱電離層的影響，在GPS定位中通常采用下面措施：

（1）利用電離層模型加以修正。對(duì)于單頻GPS接收機(jī)，為了減弱電記屋的影響，一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對(duì)觀測(cè)量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率約為75%。

（2）利用同步觀測(cè)值求差。這一方法是利用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī)，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)的求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當(dāng)觀測(cè)站間的距離較近時(shí)（<20km），由于衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)各觀測(cè)站的路徑相近，所經(jīng)過的介質(zhì)狀況相似，因此通過各觀測(cè)站對(duì)相同衛(wèi)星信號(hào)的同步觀測(cè)值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響，其殘差將不會(huì)超過0.000001。對(duì)于單頻GPS接收機(jī)而言，這種方法的重要意義尤為明顯。

2.多路徑效應(yīng)影響

多路徑效應(yīng)亦稱多路徑誤差，是指接收機(jī)天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，還可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào)，信號(hào)疊加將會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)（相位中心點(diǎn)）位置的變化，從而便觀測(cè)量產(chǎn)生誤差，而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)碼偽距的影響可達(dá)到米級(jí)，對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)。而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號(hào)失鎖和使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生周跳。因此，在精密GPS導(dǎo)航和測(cè)量中，多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的。目前減弱多路徑效應(yīng)影響的措施有：（1）安置接收機(jī)天線的環(huán)境，應(yīng)避開較強(qiáng)的反射面，如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等；（2）選擇造型適宜且屏蔽良好的天線等；（3）適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響；（4）改善GPS接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)，了減弱多路徑效應(yīng)的影響。

四、接收設(shè)備有關(guān)的誤差

與GPS接收機(jī)設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測(cè)誤差，接收機(jī)鐘差，天線相位中心誤差和載波相位觀測(cè)的整周不定性影響。

1.接收機(jī)的鐘差

盡管GPS接收機(jī)高有高精度的石英鐘，其日頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10的-11方，但對(duì)載波相位觀測(cè)的影響仍是不可忽視的。處理接收機(jī)鐘差較為有效的方法是將各觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差間看成是相關(guān)的，由此建立一個(gè)鐘差模型，并表示為一個(gè)時(shí)間多項(xiàng)式的形式，然后在觀測(cè)量的平差計(jì)算中統(tǒng)一求解，得到多項(xiàng)式的系數(shù)，因而也得到接收機(jī)的鐘差改正。

2.觀測(cè)誤差

觀測(cè)誤差包括觀測(cè)的分辨誤差及接收機(jī)天線相對(duì)于測(cè)站點(diǎn)的安置誤差等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為觀測(cè)的分辨誤差約為信號(hào)波長(zhǎng)的1%。故知道載波相位的分辨誤差比碼相位不小，由于此項(xiàng)誤差屬于偶然誤差，可適當(dāng)?shù)卦黾佑^測(cè)量，將會(huì)明顯地減弱其影響。

接收機(jī)天線相對(duì)于觀測(cè)站中心的安置誤差，主要是天線的置不與對(duì)中誤差以及量取天線高的誤差，在精密定位工作中，必須認(rèn)真，仔細(xì)操作，以盡量減小這種誤差的影響。

小結(jié)

對(duì)于GPS控制網(wǎng)基線測(cè)量，基線長(zhǎng)度較短的情況下（10km左右，最大不超過20～30km），GPS的軌道誤差（星歷誤差），太陽(yáng)光壓影響及美國(guó)SA技術(shù)基本對(duì)測(cè)量精度不發(fā)生影響（它只能影響單點(diǎn)定位和長(zhǎng)基線測(cè)量結(jié)果）。在作業(yè)過程中，在GPS接收機(jī)滿足作業(yè)精度要求的情況下，測(cè)量的主要誤差源是多路徑誤差、周跳和點(diǎn)位的對(duì)中誤差。作業(yè)中應(yīng)盡量避免它們的發(fā)生并減少其誤差。電離層延遲和對(duì)流層延遲主要影響基線測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的高差精度，兩點(diǎn)間高差愈大影響也愈大。如果改正公式和參數(shù)不恰當(dāng)，它可能產(chǎn)生每1m高差就有1mm的誤差，即1mm/m（誤差/高差）。電離層和對(duì)流層延遲對(duì)平面坐標(biāo)（L、B或X、Y）影響甚微，幾乎沒有影響。電離層和對(duì)流層延遲具有相關(guān)性，基線愈短相關(guān)性越強(qiáng)，在短基線測(cè)量中它們的影響會(huì)有很好的消除。這就是邊長(zhǎng)短于10km時(shí)，單頻結(jié)果比雙頻結(jié)果精度高的原因。

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