GPS在數(shù)據(jù)測量中的誤差因素

1、GPS在數(shù)據(jù)測量中的誤差因素摘要: 本文通過對 GPS測量的誤差來源進行分析 , 總結出各類誤差對 GPS測量精度的影響 , 指導我們在進行 GPS測量時如何消除或減弱各類誤差對 GPS測量精度的影響 , 達到快速取得滿足 GPS測量精度要求的成果。關鍵詞: 衛(wèi)星;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 性質將其分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩類 ; 按誤差對測量結果的影響程度把誤差分 為噪聲誤差、

2、偏差和偶然誤差 ; 按誤差的來源將其分為與衛(wèi)星有關的誤差、與信 號傳播有關的誤差、與接收機有關的誤差、野外工作失誤四種類型。本文按誤 差的來源對 GPS測量誤差進行分析。1 與衛(wèi)星有關的誤差與衛(wèi)星有關的誤差 , 主要包括衛(wèi)星星歷的誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、 SA技術與 AS技術的影響、地球自轉的影響和相對論效應的影響等。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

3、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）生產的精密星歷以及由國際 GPS服務（IGS） 生產的精密星歷 ; 建立自己的跟 蹤網獨立定軌 ,采用不斷改進的定軌技術及攝動力模型 ,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

4、星 歷進行補救。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 68ms的誤差, 則其影響可達 180240cm?？梢?GPS 的測量精度與時鐘 （衛(wèi)星和接收機的時鐘 ） 誤差密切相關。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)星鐘差或經主控站 （及監(jiān)控站 ）改正后的殘差可通過觀測量求差 （ 或

5、差分 ） 得以消除 , 而接收機鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步誤差 （ 即接收機鐘差 ） 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 地球自轉的影響衛(wèi)星在運行中 ,不僅是受地球質心引力的作用 , 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)星的軌道進行改正 ,實現(xiàn)精密定軌 ,同時當衛(wèi)星信號到達測站 ,由 于地球自轉使衛(wèi)星信號產生時間延遲 , 從而引起坐標變化 , 可根據(jù)地球自轉速度 求出旋轉角度

6、 , 建立相關坐標模型消除地球自轉的影響。2 與信號傳播有關的誤差與信號傳播有關的誤差 , 主要包括電離層延遲、對流層折射的影響和多路徑 效應的影響、周跳。2.1 電離層延遲電離層（含平流層）是高度在 601000km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。 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接收機所測

7、得的衛(wèi)星至天線之間的距離產生誤差。對 GPS信 號而言, 這種距離誤差可達 50150rn?？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。由于電離層對信號的影響與信號本身頻率有關 , 根據(jù) L1/L2 的頻率的信號是沿同一路徑到達接收機的 , 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)。經過雙頻觀 測值改正后 ,偽距殘差可達厘米級。 2.1.2 采用電離層模型加以改正 ,對 GPS單 頻機, 在導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）, 可

8、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 , 同時還與衛(wèi)星的高度角及測站的正高有關。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控制網時 , 為了 削弱對流層的折射影響 , 首先應進行模型改正。實測地區(qū)

9、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 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 再利用差分技術進一步削弱對流層折射的影響。2.3 多路徑誤差 多路徑效應是由于接收機天線不只是接收到衛(wèi)星直接發(fā)射的信號 , 還接收到 經接收機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 應影響,在選點時 , 點位應盡量避開強反射物 （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的天線 （如具有 Pin

10、wheel 技術的天線 ;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生整周跳變即周跳。對 周跳必須進行修復 , 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 與接收機有關的誤差GPS測量的主要觀測量是衛(wèi)星信號從衛(wèi)星到接收機的時間延遲 , 為了測量時 間延遲,要在接收機內復制測距碼信號 , 并通過接收機的時間延遲器進行 A相移, 使復制的碼信號與接收到的相應碼信號達

11、到最大相關 , 其必須的相移量 , 便是衛(wèi) 星發(fā)射的碼信號到達接收機天線的傳播時間。衛(wèi)星發(fā)射碼與接收機內復制的相 應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 度的這種關系 , 我們可初步估計各種波長的信號的觀測精度。與接收機有關的誤差還包括接收機鐘差、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接收機進行檢驗 , 檢驗項目有 : 天線相位中心穩(wěn)定性測試 ; 內部 噪聲水平測試 ; 野外作業(yè)性能及不同測程精度指標的測試 ; 頻標穩(wěn)定性檢驗 和數(shù)據(jù)質量的評價 ; 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 ）和矛盾的接收機設置 （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 ）, 產生的 錯誤或粗差 , 我們可以通過嚴