GPS測量誤差的成因分析及應(yīng)對策略探討

張坤

中國水利水電第八工程局有限公司 湖南 長沙 410004

1 GPS測量誤差的成因分析

1.1 衛(wèi)星相關(guān)的誤差

1.1.1 星歷誤差。星歷誤差也叫軌道誤差，主要是由起算數(shù)據(jù)誤差所導(dǎo)致。通常來說，定軌站數(shù)量多少及空間分布的位置、定軌的力學(xué)模型及應(yīng)用軟件、觀測值精準(zhǔn)度、星歷外推時間間隔等都可能造成軌道誤差。星歷誤差的存在會直接影響到單點定位、相對定位等的精度，是造成GPS測量中星歷誤差的主要來源。

1.1.2 衛(wèi)星鐘差。受衛(wèi)星鐘隨機(jī)誤差以及鐘差、頻偏、頻漂等各方誤差因素的影響，導(dǎo)致即使有再高精度的衛(wèi)星鐘，與理論GPS標(biāo)準(zhǔn)時間相比，也會或多或少會出現(xiàn)一些偏差。根據(jù)測算，衛(wèi)星鐘如果有0.1～1ms的偏差總量，就可能造成30～300km的測距誤差[1]，所以，在正常操作時，很難實現(xiàn)GPS測量完全精準(zhǔn)定位的要求。

1.2 信號傳播相關(guān)的誤差

1.2.1 電離層折射誤差。GPS信號傳輸通過電離層時，其傳輸速率會發(fā)生延遲，路徑也會產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)，所以測量結(jié)果也會出現(xiàn)一定的偏差。一般來說，電離層電子總量和信號頻率直接決定了GPS信號的傳輸速率和傳輸路徑，其中，在夜間時，天頂方向的衛(wèi)星，受電離層折射的影響最小，由此而造成的誤差也最?。辉诎滋煺鐣r分，靠近地平面的衛(wèi)星，受到電離層折射的影響最強(qiáng)，由此而造成的誤差也最大，有的甚至達(dá)到150m[2]。因此，在GPS測量作業(yè)時，要充分考慮電離層折射影響并采取有效處理措施，以免對GPS測量精度造成干擾。

1.2.2 對流層折射誤差。對流層的大氣密度比電離層更大，且大氣狀況也更加復(fù)雜，在GPS信號傳輸通過時，其傳輸路徑會出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，造成測量距離偏差，即對流層折射形成的誤差。一般來說，對流層折射對GPS觀測值精準(zhǔn)度的影響，主要為干分量和濕分量影響。不同位置的衛(wèi)星，兩種影響的比重各有不同，其中在天頂方向的衛(wèi)星，干分量影響約占90%左右。

1.2.3 多路徑誤差。GPS測量作業(yè)時，測站周邊的物體也在反射GPS信號，并將信號反饋至接收天線，或者周邊物體自己產(chǎn)生電磁輻射信號，接收天線既收到了正常信號，也收到了其他反饋信號，形成疊加效應(yīng)，從而影響了GPS觀測的精準(zhǔn)度，這種干擾現(xiàn)象就稱為多路徑誤差（圖1）。多路徑誤差也是GPS測量精度誤差的主要來源之一，其不僅會使GPS測量精度大打折扣，而且還有可能在高反射環(huán)境中造成接收機(jī)信號失鎖。

1.3 接收機(jī)相關(guān)的誤差

1.3.1 觀測誤差。觀測誤差多是與人為操作失誤、讀數(shù)馬虎所導(dǎo)致，主要包括：①人為讀數(shù)錯誤或觀測時間不當(dāng)、時間過短引起失誤；②接收機(jī)天線安置不規(guī)范，相位中心出現(xiàn)偏離；③流動站未嚴(yán)格對中或立直固定不穩(wěn)等。根據(jù)實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，GPS觀測誤差約為信號波長的1%，由此，GPS碼信號與載波信號的觀測精度如下表1所示[3]：

表1 碼信號與載波信號的觀測誤差

1.3.2 接收機(jī)鐘差。GPS接收機(jī)主要是石英鐘，雖然其有著較高的精度，但是和標(biāo)準(zhǔn)的GPS時間還略有不同，存在同步差。根據(jù)測算，接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘差1μs，就會出現(xiàn)大約300m的距離誤差[4]。

1.3.3 天線相位中心偏差。天線相位中心偏差是指因GPS信號輸入強(qiáng)弱、方位不同和高度角差異等，使得實際天線相位中心的瞬間位置與理論有一定的偏差。一般來說，天線性能優(yōu)劣會對這種偏差有一定的影響，通常在幾毫米和幾厘米之間。GPS測量中，單點精密定位的要求更加嚴(yán)格，因此，務(wù)須要消除天線相位中心偏差對其的影響。

2 GPS測量誤差的應(yīng)對策略

2.1 衛(wèi)星相關(guān)誤差的應(yīng)對

2.1.1 星歷誤差的應(yīng)對。對于星歷誤差可采取如下3種措施：一是，采用精密的星歷，即建立完善的區(qū)域性衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)，并進(jìn)行獨立定軌，這樣可以防止外國故意降低星歷精度的可能性，使得單點定位更加精準(zhǔn)，從而提升了相對長基線的定位精度。二是，采用軌道松弛改進(jìn)法，即在平差模型中，根據(jù)星歷所指定的衛(wèi)星位置，將其作為已知數(shù)，并按照平差計算法，計算得出GPS測站的位置和軌道改正數(shù)。三是，采用同步觀測求差法，消除兩個不同測站的誤差，進(jìn)而減少衛(wèi)星星歷誤差的影響。

2.1.2 衛(wèi)星鐘差的應(yīng)對。衛(wèi)星鐘差的處理可以使用連續(xù)監(jiān)測法，即對衛(wèi)星鐘的運行狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測，確定出現(xiàn)誤差的大小，通過廣播星歷鐘的鐘差改正數(shù)做出改正。一般來說，改正后的衛(wèi)星鐘能控制在20ns以內(nèi)，使測距誤差不超過6m[5]。若再采用相對定位或差分定位法，可進(jìn)一步降低衛(wèi)星鐘差，提高GPS測量精度。

2.2 信號傳播相關(guān)誤差的應(yīng)對

2.2.1 電離層折射誤差的應(yīng)對。

2.2.1.1 使用雙頻觀測。對于不同頻率的電磁波信號，在電離層中傳輸?shù)倪^程中，所受到的折射影響也有所不同，故而在被接收機(jī)接收的時間也會不同。根據(jù)這一原理，可以發(fā)射雙頻信號，在接收到雙頻信號值以后，通過觀測值可以計算出電離層延遲量，由此可以修正GPS測量觀測值，減少誤差的影響。

2.2.1.2 同步觀測值求差。在基線長度較短的兩個觀測站，電磁波傳輸?shù)沫h(huán)境、路徑基本一致，在同步觀測時，其量差可以作為電離層折射的修正值。根據(jù)這一原理，可使用≥2臺的接收機(jī)，在基線兩側(cè)同時觀測同一衛(wèi)星，這樣可以獲取觀測值的量差，進(jìn)而作為電離層折射對GPS測量精度的修正值。但是這種方法適用于測站距離較短（＜20㎞）的情況下，如果測站距離較長，同步觀測的環(huán)境將會發(fā)生改變，其觀測值量差不足以作為電離層折射的修正值，也會影響GPS測量的精度。

2.2.1.3 合理選擇觀測時段。GPS信號傳輸中電子含量多少會直接影響到電離層折射誤差，而在太陽光的作用下，電子含量將會增多，故而在GPS測量時盡量選擇在沒有太陽的時間段，這樣可以有效降低電離層折射誤差所造成的影響。

2.2.2 對流層折射誤差的應(yīng)對。

2.2.2.1 建立對流層延遲模型。根據(jù)測站區(qū)氣象環(huán)境等資料，結(jié)合誤差建立改正模型，并根據(jù)模型對誤差進(jìn)行修正，這樣能有效減少約92%對流層折射對GPS測量定位精度的干擾[6]。

2.2.2.2 進(jìn)行同步觀測求差。觀測方式和電離層一樣，在兩個距離較短的觀測站，同步傳輸GPS信號，同步觀測得出對流層延遲差，進(jìn)而作為GPS測量精度的修正值。對于部分GPS測量作業(yè)對定位精度要求不高時，可以忽略對流層影響。

2.2.3 多路徑誤差的應(yīng)對。

2.2.3.1 選擇適宜觀測站點。首先，GPS測站對周邊自然環(huán)境要求較高，如周邊有湖河、鹽堿、金屬礦等，會產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的反射波，干擾GPS信號，所以要選擇草地、低矮灌木叢植被或者粗糙翻耕過的地面區(qū)域，這樣可以有效吸收GPS信號而避免形成反射波；而高大建筑物會遮擋GPS信號傳輸，特別是建筑墻面的材質(zhì)會反射信號，一旦被GPS接收，會干擾其測量精度。其次，GPS測站對電磁輻射要求較高，應(yīng)盡量避開電磁輻射強(qiáng)的區(qū)域，例如雷達(dá)、電臺、基站、信號發(fā)射塔、微波中繼站等自身都有較強(qiáng)的電磁輻射，在接收到GPS信號時，不僅會反射，還會將自身的電磁輻射傳輸出去，容易造成GPS天線單元受損，且汽車等交通工具也會反射電磁波，所以測站附近盡量不停放汽車。另外，如果GPS測站區(qū)域具有較強(qiáng)的反射波，且已經(jīng)定位不能更改，那么就需要在后期作好改進(jìn)，以減少多路徑效應(yīng)所造成的誤差，具體做法如下：增高GPS天線高度，盡量超越干擾區(qū)域；采用大偏心觀測法，盡量規(guī)避反射波的干擾；將觀測到的多路徑效應(yīng)時段直接去除，減少多路徑誤差的影響。

2.2.3.2 優(yōu)化接收機(jī)天線布設(shè)?？紤]到多路徑效應(yīng)誤差，需要選擇性能更好的微帶天線，同時在天線下方設(shè)置抑徑板或抑徑圈，這種抑徑板或抑徑圈能有效屏蔽地面反射波，較為完整的接收到GPS信號，并能消除30%左右的多路徑效應(yīng)誤差[7]。在選擇抑徑板時，其半徑的計算如下（圖2）：

2.3 接收機(jī)相關(guān)誤差的應(yīng)對

2.3.1 觀測誤差的應(yīng)對。觀測誤差以人為性、偶然性居多，可以對前文提出的問題做出針對性處理。如適當(dāng)延長觀測時長，合理確定觀測時段能減少或規(guī)避分辨誤差；按照要求規(guī)范安裝接收機(jī)天線，各項設(shè)備調(diào)試達(dá)標(biāo)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、程序化作業(yè)，可以減少或規(guī)避相位偏差、穩(wěn)定誤差等，提高GPS測量精度。

2.3.2 接收機(jī)鐘差的應(yīng)對。對于單點定位，可以用未知數(shù)方程式進(jìn)行求解，構(gòu)建鐘差模型，將不同觀測時刻導(dǎo)入，標(biāo)識出時間多項式，再用平差計算系數(shù)，確定接收機(jī)鐘差的修正數(shù)。對于一些特殊測量段，對定位精度要求較高，可以使用精度較高的設(shè)備，如銣（Rb）原子鐘或銫（Cs）原子鐘能有效減少鐘差，提高測量精度。

2.3.3 天線相位中心偏差的應(yīng)對。可以使用同步觀測方式予以解決，需考慮2個前提，一是天線的類型相同；二是使用≥2個且距離較短的測站，同時同步觀測同組衛(wèi)星，這樣就能得到觀測量差，進(jìn)而減少天線相位中心的干擾。使用這種方式要確保每個測站的天線都要定向方位，且每個定向偏差＜3°。

3 結(jié)束語

GPS測量誤差的成因眾多，若未經(jīng)妥當(dāng)防控，則極易導(dǎo)致測放精度難以達(dá)標(biāo)。因此，務(wù)須高度關(guān)注，提前采取一系列妥當(dāng)防控舉措，并在測量作業(yè)時謹(jǐn)慎操作、反復(fù)校驗，從而使得GPS測量的測放結(jié)果精準(zhǔn)、可靠，以為后續(xù)施工的順利開展打好根基。