試論GPS測(cè)量的誤差源及精度控制

王友+馮勝濤+劉垚

摘 要 隨著GPS技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，對(duì)其測(cè)量精度控制也提出更高的要求。然而GPS測(cè)量實(shí)際開展中，仍有較多誤差源存在，極大程度上制約測(cè)量精度的進(jìn)一步提高，要求做好誤差源分析并采取相應(yīng)的控制策略。本文將對(duì)GPS測(cè)量相關(guān)概述、SA影響與星歷誤差控制問題、對(duì)流層與電離層信號(hào)傳播控制以及周跳問題與多路徑誤差的控制進(jìn)行探析。

關(guān)鍵詞 GPS測(cè)量；誤差源；精度控制

中圖分類號(hào) P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）164-0197-01

在信息技術(shù)快速發(fā)展背景下，GPS新技術(shù)逐漸取代以往控制測(cè)量方式，其本身體現(xiàn)出觀測(cè)時(shí)間短、定位精度高以及三維坐標(biāo)的提供等，為測(cè)繪工作的開展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。然而現(xiàn)行GPS測(cè)量工作開展中，誤差源的存在仍較為明顯，極大程度制約測(cè)量精度的進(jìn)一步提高。因此，本文對(duì)GPS測(cè)量誤差相關(guān)研究，具有十分重要的意義。

1 GPS測(cè)量誤差相關(guān)概述

現(xiàn)行GPS測(cè)量工作開展中，產(chǎn)生誤差的原因集中表現(xiàn)在接收機(jī)誤差、信號(hào)傳輸誤差以及信號(hào)自身誤差等方面。以其中GPS接收機(jī)誤差為例，一般表現(xiàn)在天線相位、碼跟蹤環(huán)、鎖相環(huán)延遲以及通道間偏差等，而信號(hào)傳輸誤差的產(chǎn)生主要表現(xiàn)在周跳、多路徑傳播、對(duì)流層延遲、電離層延遲以及太陽光壓等方面。在信號(hào)自身誤差方面，如SA的影響或軌道誤差，都是造成誤差的主要原因。從這些誤差源內(nèi)容中可發(fā)現(xiàn)，GPS技術(shù)應(yīng)用下解決以往測(cè)量中圖形布樣、點(diǎn)間通視等問題，所以在設(shè)計(jì)GPS網(wǎng)中也極為重要。但實(shí)際設(shè)計(jì)中仍需遵循相關(guān)的問題，如GPS基線長度、GPS網(wǎng)閉合時(shí)網(wǎng)型結(jié)構(gòu)、多路徑影響的消除以及電磁波干擾問題的解決等。保證GPS定位往設(shè)置合理，才可使測(cè)量工作中GPS的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來[1]。

2 GPS信號(hào)傳輸誤差與精度控制

2.1 對(duì)流層延遲

關(guān)于對(duì)流程延遲，其產(chǎn)生的原因可歸結(jié)于與真空光速相比，對(duì)流層中電磁波信號(hào)傳輸速度處于滯后狀態(tài)。由于對(duì)流層中空氣主要以干大氣、濕大氣等分量為主，測(cè)量時(shí)極為困難，盡管有研究中提出相關(guān)的實(shí)用模型，但誤差源仍表現(xiàn)在對(duì)流層延遲方面。實(shí)際解決該誤差源中，可引入相關(guān)的函數(shù)逼近方法、隨機(jī)過程模擬等，實(shí)現(xiàn)模擬改正目標(biāo)。另外，與電離層延遲相同，對(duì)流層延遲所帶來的影響集中表現(xiàn)在天頂方向方面，可考慮將雙頻接收機(jī)引入，其對(duì)于長基線測(cè)量能夠取得良好效果。

2.2 電離層延遲

對(duì)于電離層延遲，其一般受接收機(jī)電子密度存在較大關(guān)聯(lián)，有實(shí)踐研究表明，白天環(huán)境下垂直方向的延遲值會(huì)保持為15m左右，夜間為3m延遲值左右。若從低仰角觀察，延遲值在白天與夜間甚至可保持在45m、9m。這種電離層延遲極大程度上導(dǎo)致定位精度難以保證，所以可在對(duì)GPS數(shù)據(jù)采集中引入雙頻接收機(jī)，對(duì)延遲問題實(shí)時(shí)改正，有利于延遲問題的解決。但需注意的由于地極、赤道等擾動(dòng)問題的存在，單純采用雙頻接收機(jī)仍難以達(dá)到改正電離層的目標(biāo)。如赤道擾動(dòng)問題，在電子含量無規(guī)律變化下，將導(dǎo)致反射、衍射等效應(yīng)出現(xiàn)，進(jìn)而使測(cè)量過程中有周跳問題存在。再如地極擾動(dòng)問題，其多出現(xiàn)于強(qiáng)磁暴過程中，因極光不斷延伸，向中緯度地區(qū)擴(kuò)散，由此導(dǎo)致周跳頻率上升。這些問題的存在，要求在實(shí)際解決中從周跳控制方面著手，避免測(cè)量結(jié)果因周跳問題而受到影響。

2.3 周跳問題

所謂周跳，又可被叫做失周，通常在觀測(cè)過程中因某些原因的存在使接收機(jī)未能實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星，這樣測(cè)量中便難以測(cè)出相位變化，對(duì)其叫做周跳。這種問題產(chǎn)生的原因主要表現(xiàn)在接收機(jī)質(zhì)量、外部影響因素2方面。如接收機(jī)跟蹤環(huán)路、電路干擾、信號(hào)處理單元不具有較高質(zhì)量，這樣便出現(xiàn)信號(hào)丟失、相位變化過于明顯情況。而對(duì)于外部影響因素，如周邊地形地物對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的阻擋、動(dòng)態(tài)載體以極快的速度測(cè)量，也成為信號(hào)丟失的主要原因。同時(shí)，對(duì)于緯度、經(jīng)度與高程，很大程度也受周跳影響。假定有一個(gè)周跳存在，其都會(huì)導(dǎo)致最終測(cè)定的結(jié)果出現(xiàn)幾厘米、幾毫米誤差。因此，周跳的消除對(duì)于GPS定位測(cè)量極為重要。實(shí)際探測(cè)與修復(fù)周跳過程中，可采取2個(gè)步驟，包括：第一，在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段探測(cè)與修復(fù)周跳。該過程中主要利用相關(guān)儀器的對(duì)儀器本身進(jìn)行測(cè)定，若在測(cè)量作業(yè)開展中，應(yīng)注意對(duì)多路徑影響問題進(jìn)行控制，使失周問題得以解決。第二，在探測(cè)與修復(fù)周跳中，可引入相關(guān)的軟件處理方式，如直接將專用算法器裝設(shè)于GPS接收機(jī)中，這樣可保證周跳被探測(cè)出來。

2.4 太陽光壓問題

一般GPS衛(wèi)星運(yùn)行中，太陽光壓影響多表現(xiàn)在攝動(dòng)加速度方面，這樣精密定軌容易受到影響。通常太陽強(qiáng)度、太陽照射面反射情況等極易影響輻射壓力變化?；蛟谛l(wèi)星姿態(tài)控制失誤、衛(wèi)星材料老化等，使太陽光壓受到影響。針對(duì)這種影響問題，可采取的方式如隨機(jī)過程參數(shù)，其對(duì)于定軌精度提高可起到明顯作用[2]。

3 GPS信號(hào)自身誤差與控制

GPS信號(hào)誤差主要為軌道誤差。這種誤差又被叫做偽距誤差、星歷誤差，產(chǎn)生的原因可歸結(jié)于大氣阻力、攝動(dòng)力的存在，如潮汐、太陽光壓、地球引力場(chǎng)等，這些影響因素的存在很難使測(cè)量精度得以保證，由此造成軌道誤差產(chǎn)生。當(dāng)前GPS測(cè)量中逐漸將SA、AS技術(shù)等引入其中，這2種技術(shù)盡管為實(shí)際測(cè)量活動(dòng)的開展提供重要保證，但其對(duì)定位精度的影響極為明顯。這就要求在實(shí)際解決過程中，對(duì)GPS衛(wèi)星軌道利用GPS跟蹤網(wǎng)進(jìn)行確定，保證跟蹤地心坐標(biāo)準(zhǔn)確度較高。有實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，在解決信號(hào)自身誤差問題中，常用的方式主要以加權(quán)約束基準(zhǔn)為主，其能夠保證相對(duì)坐標(biāo)值更加準(zhǔn)確，對(duì)于當(dāng)前區(qū)域定軌的要求能夠滿足。除此之外，對(duì)于SA影響問題，也可考慮將實(shí)時(shí)差分定位引入其中，向移動(dòng)站傳輸基準(zhǔn)站獲取的數(shù)據(jù)鏈，這樣既可保證兩站誤差得以控制，SA帶來的影響也能得到緩解，有利于導(dǎo)航定位精度的進(jìn)一步提高[3]。

4 GPS接收機(jī)誤差

現(xiàn)行GPS測(cè)量中，其接收機(jī)存在的問題多表現(xiàn)為天線相位中心偏差、鎖相環(huán)延遲、通道偏差以及鐘誤差等。因此在控制中，需對(duì)GPS測(cè)量儀器性能進(jìn)行分析，判斷其可實(shí)現(xiàn)的精度水平。具體應(yīng)用過程中，應(yīng)以接收機(jī)檢驗(yàn)作為前提。其中檢驗(yàn)的項(xiàng)目主要體現(xiàn)在：檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部噪聲水平、測(cè)試設(shè)備高低溫性能、檢驗(yàn)頻標(biāo)穩(wěn)定性、測(cè)試野外作業(yè)性能以及測(cè)試中心穩(wěn)定性。另外，在對(duì)接收機(jī)誤差控制中，也需對(duì)比單頻接收機(jī)、雙頻接收機(jī)。一般單頻接收機(jī)應(yīng)用中，優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在故障概率較小、DODP碼保密不會(huì)對(duì)單頻接收機(jī)影響、10km以內(nèi)邊長測(cè)定精度高以及設(shè)備易攜帶等。但需注意單頻接收機(jī)應(yīng)用下，若保持20km～30km點(diǎn)間距離，對(duì)流層以及電流層等延遲將較為明顯，而且在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)測(cè)量中將耗費(fèi)較多的時(shí)間。從雙頻接收機(jī)看，其優(yōu)勢(shì)集中表現(xiàn)為點(diǎn)位坐標(biāo)受電離層延遲影響較小，而且測(cè)量時(shí)間較短。但卻不具備單頻接收機(jī)中的優(yōu)勢(shì)，所以在實(shí)際選擇中應(yīng)根據(jù)二者的優(yōu)勢(shì)與不足進(jìn)行確定[4]。

5 結(jié)論

GPS測(cè)量誤差源的控制是現(xiàn)行GPS技術(shù)應(yīng)用中需考慮的主要問題。實(shí)際開展精度控制工作中，應(yīng)正確認(rèn)識(shí)測(cè)量誤差的具體表現(xiàn)，包括接收機(jī)誤差、信號(hào)自身誤差以及信號(hào)傳輸中的誤差，在此基礎(chǔ)上結(jié)合各自誤差特征選用相應(yīng)的精度控制方法，這樣才能解決誤差源問題，推動(dòng)GPS測(cè)量水平的進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

[1]李團(tuán)好.IMU/GPS輔助航空攝影測(cè)量誤差源與定位精度分析研究[D].焦作：河南理工大學(xué)，2011.

[2]李濤，王磊，周光奎.GPS測(cè)量的誤差及精度控制[J].能源與節(jié)能，2012（6）：78-79，85.

[3]齊利強(qiáng).論GPS測(cè)量的誤差及精度控制分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（1）：55.

[4]李怡彬.GPS測(cè)量中的誤差與精度控制研究[J].科技傳播，2013（4）：93，76.