動態(tài)GPS精度分析理論與應用

張 香 蘭

(山西國圖測繪有限公司，山西 呂梁 033000)

·測量·

動態(tài)GPS精度分析理論與應用

張 香 蘭

(山西國圖測繪有限公司，山西 呂梁 033000)

簡述了GPS定位技術的特點，從衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道偏差、衛(wèi)星信號的傳播誤差、接收設備誤差等方面分析了動態(tài)GPS測量誤差的來源，在此基礎上提出優(yōu)化方案，旨在促進動態(tài)GPS測量精度的提高。

動態(tài)GPS，精度，特點，誤差

0 引言

科技的發(fā)展促使GPS測量的精度隨之得以不斷的提高，各種小型化的GPS測量設備被廣泛應用于各個方面，而動態(tài)GPS的出現(xiàn)為測量提供了更多的便捷，降低了測量人員的工作強度，并且也降低了測量成本。雖然動態(tài)GPS存在諸多的優(yōu)越性，但對于動態(tài)GPS精度的掌控卻存在一系列問題有待解決?？梢?，探究提高精度的方式，對于動態(tài)GPS的推廣應用具有重要意義。

1 GPS 定位技術的特點

由美國主導建立的GPS全球定位系統(tǒng)最初是為了滿足軍事上的要求，而后期隨著衛(wèi)星不斷增多，以及軍事需要上的降低，GPS系統(tǒng)逐漸的轉向民用領域，而因為該系統(tǒng)采取的是距離定位的方式，在此基礎上進行測距空間交會定點，有著全天候、全球性以及連續(xù)的三維導航、授時、定位的作用，而且還有著理想的抗干擾性和較強的保密性?，F(xiàn)如今，GPS系統(tǒng)在民用市場中得到了十分迅速的發(fā)展。動態(tài)GPS技術的出現(xiàn)為測繪行業(yè)帶來了翻天覆地的改變，大大推動了測繪學的發(fā)展。

2 動態(tài)GPS的誤差來源

2.1 衛(wèi)星鐘差

為了測得具體的地理位置信息，信號需在地面與衛(wèi)星之間來回傳遞，而距離的測量則要時間上的準確性作為保證，但事實上，接收鐘、衛(wèi)星鐘二者之間無法始終嚴格的保持同步，雖然在衛(wèi)星上加入了精度很高的原子鐘，衛(wèi)星鐘與接收鐘之間還是可能存在1 ms左右的誤差，而對于高速運動的衛(wèi)星而言，其1 ms的運動距離可達到300 km。

2.2 衛(wèi)星軌道偏差

衛(wèi)星在軌道上運行時實際上還是要受到諸多外力的干擾，除了地球的引力之外還可能受到其他天體引力的吸引，雖然大體上還是在圍繞地球做圓周運動，但是在軌道上面卻存在一些偏差，按照當前的技術水平尚無法完全掌握衛(wèi)星軌道的運行規(guī)律，也就無法調(diào)控衛(wèi)星軌道的偏差。

當前處理衛(wèi)星軌道偏差的方法主要有3種：

1)忽略軌道誤差。

如果對于測量的精度要求不高，可以直接忽略軌道誤差。

2)采用軌道改進法處理觀測數(shù)據(jù)。

如果對于測量的精度要求非常高，就必須在計算時引入衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，但是這一方法也是基于短時間內(nèi)這些參數(shù)不變，其實還是存在誤差。

3)同步觀測值求差。

通過多個觀測站，以此對衛(wèi)星的同步觀測值進行求差，借助于該方法，將衛(wèi)星軌道偏差盡可能的予以減少，這一方法可顯著改善測量精度。

2.3 衛(wèi)星信號的傳播誤差

由于信號需要在地面接收機與衛(wèi)星之間進行傳遞，信號在傳遞的過程中需要經(jīng)過各種各樣的介質，而這些介質很可能改變信號傳播的強度、速度以及方向，從而導致衛(wèi)星信號的傳播誤差。

1)電離層折射的影響。

地理上將離地面50 km～1 000 km范圍內(nèi)的大氣層稱為電離層，受到陽光的影響，電離層當中一系列氣體分子，接受了光子所帶來的能量，繼而在外層電子躍遷之后，逐漸形成大量的自由電子和大量的正離子，并且，信號在通過電離層時，往往會受到正離子與自由電子所帶來的不同程度的影響，由此，傳播的強度、傳播的速度乃至傳播的方向均會有所變化，因而僅僅憑借計算信號傳播的時間和光速的乘積，無法求出衛(wèi)星和接收機二者之間的實際距離。

2)對流層折射的影響。

地理上將離地面40 km左右的大氣層稱為對流層，雖然對流層不會直接受到陽光的影響，各種自由電子以及離子的含量較低，但是陽光卻可以使得對流層的溫度呈現(xiàn)不均勻的變化，陽光照射到地面并且由地面反射至對流層，此時對流層的溫度就呈現(xiàn)不均勻的分布，信號傳遞至對流層時會由于溫度的影響而改變其路徑。

3)多路徑效應的影響。

多路徑效應是動態(tài)GPS測量最大的誤差來源，由于衛(wèi)星發(fā)射的信號是以電磁波的形式傳遞，而這種電磁波的來源并不只衛(wèi)星一種，各建筑物也可以發(fā)射出電磁波或者反射電磁波，因而由衛(wèi)星發(fā)射來的電磁波信號很容易受到來自其他波的干涉，干涉過后的電磁波信號被接收機所接收之后計算出來的數(shù)值就存在誤差。多路徑效應是最難控制的誤差，在大多的反射環(huán)境之下，多路徑效應對測碼偽距造成的影響通?？梢赃_到米級，并且對測相偽距造成的影響則能達到厘米級；但是在高反射環(huán)境下，多路徑效應的影響會大幅度增加，同時會使得接收到的衛(wèi)星信號出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，致使載波相位觀測量出現(xiàn)周跳問題。鑒于此，需要對多路徑效應的原因進行深入分析，而且還應當積極采取有助于減弱多路徑效應誤差的辦法。

2.4 接收設備誤差

在 GPS 定位過程中，不管是測碼偽距亦或是測相偽距，其觀測值基本上都是以接收機天線的相位中心位置作為標準，而對于天線的相位中心及其幾何中心，從理論上來講應當保持一致。在實際的動態(tài)GPS測量之中由于信號的方向和強度受到諸多因素的影響，天線的相位中心位置事實上是在不斷變化的，即觀測時相位中心的瞬時位置(一般稱視相位中心)，與理論上的相位中心位置并不完全相同。另外，雖然天線的相位中心和幾何中心時刻保持絕對的一致，也不能完全保證定位結果的準確，天線的性能對于定位的結果同樣有著不可忽視的影響。

在實際的動態(tài)GPS測量過程中為了消除相位誤差的影響，大多在多個觀測站上采用相同類型的天線予以測量，通過多個觀測站對同一衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行同步觀測，由此求得差值，然后將差值作為修正參數(shù)來對相位中心的偏移進行修整。同時對于天線的安裝有諸多的要求，除了必須采取同一類型的天線之外，天線之間的距離不能過遠，各天線安裝時還需依據(jù)測量指向磁北極，天線的定向偏差應該保持在3°～5°以內(nèi)。

3 動態(tài)GPS測量優(yōu)化方案

1)在實際動態(tài)GPS的測量之中，測站的對中、天線高的量取工作對最終的測量結果有著重要的影響，因此必須予以足夠的重視。同時不排除其他影響造成了數(shù)據(jù)的誤差，在數(shù)據(jù)處理時對于明顯存在誤差的數(shù)據(jù)應該予以剔除，這樣才能確?；€的觀測質量；2)對于要求精度比較高的測量，為了消除衛(wèi)星中與接收器上的時間不一致的問題，需要適當?shù)难娱L觀測的時間，特別是在測量基線向量時，測量的時間要在1 h以上，短時間的測量會導致測量值的波動非常明顯，而長時間的測量則可以有效提高測量結果的精度；3)起算點的空間分布、數(shù)量以及擬合方法都對動態(tài)GPS的測量有著重要的影響，為了保證測量結果的精確度，起算點在空間上的分布要均勻，同時起算點的數(shù)量也要多。一般來說，在同樣的擬合方法下，起算點的分布越均勻、數(shù)量越多，測得的結果便越精確。

4 結語

隨著GPS技術的不斷發(fā)展及完善，GPS技術的民用精度已經(jīng)達到相對較高的水平，并已經(jīng)被廣泛應用于生產(chǎn)和生活中的諸多方面，在城市規(guī)劃建設、森林開發(fā)、航海、道路行駛等諸多方面均發(fā)揮了巨大的作用，同時為當代人們的生活及生產(chǎn)提供了前所未有的便利。但是，相對于動態(tài)GPS的精度控制，尚且存在大幅度的提升空間。所以，相關人員應當系統(tǒng)化的分析影響動態(tài)GPS測量精度的因素，盡快的制定出動態(tài)GPS測量的優(yōu)化方案，從而進一步提高動態(tài)GPS測量的精度。

[1] 白 帆.高動態(tài)GPS單點定位的精度分析[J].現(xiàn)代導航,2013(1):145-147.

[2] 史東亮.動態(tài)RTK測量精度的分析[J].建筑工程技術與設計,2014(12):234-235.

[3] 紀 凱,杜向鋒.動態(tài)精密單點定位的精度分析[J].南昌工程學院學報,2012,31(6):55-57.

[4] 蘇玉瑞,徐照磊,王曉南，等.GPS多基準站動態(tài)差分定位精度分析[J].測繪與空間地理信息,2012,35(7):89-91.

[5] 時小飛,生仁軍,高成發(fā),等.基于寬巷模糊度約束的GPS/BDS 動態(tài)相對定位[J].東南大學學報(自然科學版),2013,11(22):115-116.

The precision analysis theory and application of dynamic GPS

Zhang Xianglan

(ShanxiStateMapSurveyingandMappingLimitedCompany,Lvliang033000,China)

This paper elaborated simply the characteristics of GPS positioning technology, analyzed the source of dynamic GPS strategy error from the satellite clock error, satellite orbit bias, satellite signal transmission error, accept the equipment error and other aspects, based on this put forward optimization scheme, aimed at promoting the improvement of dynamic GPS measurement precision.

dynamic GPS, accuracy, feature, error

1009-6825(2015)28-0197-02

2015-07-21

張香蘭(1962- )，女，助理工程師

TU198

A