GPS測量誤差及精度控制測量探究

1、    gps測量誤差及精度控制測量探究    王丹黃吉來摘 要：gps測量指的是通過地面接收設(shè)備對同一時刻接受多顆衛(wèi)星發(fā)出的信息來計(jì)算其與這幾顆衛(wèi)星之間的距離，然后根據(jù)空間距離后方交會原理繪制三維坐標(biāo)系，從而確定地面目標(biāo)的位置。在gps測量過程中，衛(wèi)星、衛(wèi)星信息傳播以及地面接收設(shè)備等都是gps測量產(chǎn)生誤差的原因，影響對地面目標(biāo)的準(zhǔn)確的位置判斷。該文主要從衛(wèi)星本身、衛(wèi)星信息傳播以及地面接收設(shè)備三個方面入手分析了gps測量過程中產(chǎn)生誤差的原因，并針對誤差產(chǎn)生的原因提出了對誤差的精度控制相關(guān)對策。關(guān)鍵詞：gps測量 gps測量誤差 精度控制 原因 對策：p2

2、 ：a ：1672-3791（2015）07（a）-0016-02gps（global positioning system）系統(tǒng)全稱全球定位系統(tǒng)，具有全球性、全天候、連續(xù)性等特點(diǎn)，通過地面接收設(shè)備對同一時刻接受多顆衛(wèi)星發(fā)出的信息來計(jì)算其與這幾顆衛(wèi)星之間的距離，然后根據(jù)空間距離后方交會原理繪制三維坐標(biāo)系，從而確定地面目標(biāo)的位置，可為全球任何一個用戶提供精確度非常高的時間、速度三維坐標(biāo)等信息的技術(shù)參數(shù)。整個gps主要包括三個重要的組成部分，分別是空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和地面用戶系統(tǒng)，如圖1所示。gps空間衛(wèi)星系統(tǒng)主要包括均勻分布于六個固定的軌道上的高約2.02萬千米的24顆衛(wèi)星群。為保證所有

3、地點(diǎn)和地平線以上在任何一個時間都會接收到來自最少4顆gps衛(wèi)星發(fā)出的信號，要求gps空間衛(wèi)星系統(tǒng)中的六個軌道面兩兩之間的夾角為60°，各軌道平面與地球赤道面得夾角為55°，衛(wèi)星在軌道運(yùn)行的周期為11小時58分鐘，如圖2所示。gps地面用戶系統(tǒng)即地面控制系統(tǒng)，主要由主控站、注入站以及監(jiān)測站三個部分組成。其中主控站負(fù)責(zé)按照每個監(jiān)控站所檢測的gps數(shù)據(jù)來計(jì)算各個衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘改正參數(shù)，然后將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)由注入站傳送至衛(wèi)星中，由此可見注入站的作用即為將主控站的計(jì)算數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中；監(jiān)測站主要是接受來自衛(wèi)星的信號，以此來監(jiān)測衛(wèi)星的運(yùn)行情況，如圖3所示。gps的地面用戶系統(tǒng)，包括

4、gps接收設(shè)備、計(jì)算機(jī)等用戶設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理軟件，主要作用是接收衛(wèi)星信號，從而進(jìn)行g(shù)ps導(dǎo)航定位，而且隨著社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，gps測量儀器正朝著更小、更輕的方向發(fā)展，成為了一種便攜式定位導(dǎo)航工具，在社會的各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。1 gps測量誤差的形成原因gps測量通過地面接收設(shè)備對同一時刻接受多顆衛(wèi)星發(fā)出的信息來計(jì)算其與這幾顆衛(wèi)星之間的距離，然后根據(jù)空間距離后方交會原理繪制三維坐標(biāo)系，從而確定地面目標(biāo)的位置。在gps測量過程中涉及到的衛(wèi)星、衛(wèi)星信息傳播以及地面接收設(shè)備等都是gps測量產(chǎn)生誤差的原因，直接影響著對地面目標(biāo)的準(zhǔn)確的位置判斷，因此，gps測量誤差的形成原因主要包括以下幾點(diǎn)。1.

5、1 軌道誤差（星歷誤差）由于地面用戶在確定觀測瞬間某一衛(wèi)星的位置時是根據(jù)相關(guān)部門以星歷的形式發(fā)播的一定精度的衛(wèi)星軌道，衛(wèi)星軌道和星歷是密切相關(guān)的，因此軌道誤差又稱為星歷誤差，而衛(wèi)星星歷誤差又與偽距誤差是等效的。衛(wèi)星星歷的測定是根據(jù)地面監(jiān)測站對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)而得來的，因?yàn)樵跍y量過程中衛(wèi)星本身會受到攝動力等多種作用力的影響，地面監(jiān)測站也存在一定的誤差，所以得到的衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星星歷也是存在誤差的，從而由衛(wèi)星星歷所提供的衛(wèi)星的位置與實(shí)際準(zhǔn)確的衛(wèi)星位置也是存在偏差的。在所有的測量誤差原因中，星歷誤差是最主要也是最重的誤差來源。1.2 gps在衛(wèi)星信號傳輸中產(chǎn)生誤差gps在衛(wèi)星信號傳輸中產(chǎn)生誤差主要

6、包括三方面的原因，首先是電離層導(dǎo)致信號傳播過程中產(chǎn)生延遲，電力層對信號傳播的影響主要與沿用衛(wèi)星同地面接收視線方向之間所呈現(xiàn)的電子密度相關(guān)，例如，若地面用花信號接收機(jī)的視線是垂直方向，則所引起的延遲值在白天可達(dá)15m，在夜間可達(dá)3m，若為低仰視角度，則延遲值在白天可達(dá)45m，在夜間可達(dá)9m，而且在異常時期會出現(xiàn)更高的延遲值。其次是對流層對信號傳播的延遲影響，主要是因?yàn)樾盘栆噪姶挪ǖ男问酵ㄟ^對流層時，信號的傳播速度區(qū)別于真空中光的傳播速度，而導(dǎo)致信號在對流層出現(xiàn)延遲。其三是gps信號多路徑傳播而引起的誤差，多路徑誤差即指gps信號可能通過先射到某一物體上然后再經(jīng)過反射達(dá)到gps接收天線，而不是直接

7、發(fā)射至信號接收天線，這就會對直線射至信號接收天線的直線波gps信號本身造成一定的干擾，多路徑差錯的強(qiáng)度會因用戶gps信號接收天線抗干擾能力的強(qiáng)度和反射信號強(qiáng)度的不同而有所差異。1.3 地面接受設(shè)備產(chǎn)生的誤差地面接受設(shè)備產(chǎn)生的誤差主要源于三個方面，首先是觀測誤差。觀測誤差的產(chǎn)生一方面與觀測人員的職業(yè)素養(yǎng)和觀測設(shè)備的精確測量有關(guān)，如果觀測人員能夠具備專業(yè)的職業(yè)素質(zhì)，那么他們將對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡的分析，這對于解決問題有相當(dāng)大的幫助；觀測設(shè)備的精準(zhǔn)度可以通過采取太陽光壓改正模型來滿足要求；另一方面與gps信號接收天線的定位精確度有關(guān)；其次就是信號接收天線中心位置的偏差，由于信號在傳至接收天線時會出現(xiàn)時

8、強(qiáng)時弱的現(xiàn)象，導(dǎo)致天線的相位中心發(fā)生改變，不能與其幾何中心重合，使得測量出現(xiàn)誤差；其三是接收機(jī)時鐘誤差，通常gps信號接收機(jī)內(nèi)部時鐘都選用石英晶體振蕩器，穩(wěn)定度變化范圍為1×1065×106，由于衛(wèi)星時鐘與地面信號接收機(jī)時鐘在同步性上出現(xiàn)差距，哪怕是一點(diǎn)差距都會造成很大的等效距離誤差，嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確度。2 gps測量精度控制測量的相關(guān)對策根據(jù)以上對gps測量誤差產(chǎn)生原因的分析，提出了對誤差的精度控制相關(guān)對策。2.1 衛(wèi)星精度控制對策在確定gps衛(wèi)星軌道時采用區(qū)域性gps跟蹤網(wǎng)，跟蹤站地心坐標(biāo)一旦產(chǎn)生誤差會以10倍甚至更大的比例影響到衛(wèi)星軌道的精確測量，故而為確保精度優(yōu)于

9、2m的衛(wèi)星軌道就需要跟蹤站的地心坐標(biāo)有優(yōu)于0.1m的精確度，約束全球基站的松弛軌道加權(quán)的約束基準(zhǔn)方法，從中可以得出優(yōu)于5cm 的相對坐標(biāo)值，這與我國現(xiàn)階段的區(qū)域性定軌的相應(yīng)需求基本符合，利用現(xiàn)有的跟蹤站對衛(wèi)星觀測數(shù)值進(jìn)行計(jì)算衛(wèi)星軌道根數(shù)的誤差改正值，以此提高長軌道衛(wèi)星星歷的計(jì)算精度，然后向用戶發(fā)播精確度較高的星歷，提高gps導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確性。2.2 信號傳播精度控制對策電離層和對流層時影響衛(wèi)星信號傳播精確度得主要因素，可以通過三種方法來減少其對信號傳播精度的影響，根據(jù)電離層模型特點(diǎn)進(jìn)行改正，采用雙頻接收機(jī)以減少延遲，同步測量求差法。減少對流層的折射可以通過模型改正和同步觀測求差的方法，減少對流

10、層對電磁波的延遲誤差。2.3 地面接受設(shè)備測量的精度控制對策首先是觀測誤差的精度控制，一般來說rock4 光壓攝動模型、多項(xiàng)式光壓模型、標(biāo)準(zhǔn)光壓模型這三種太陽光壓改正模型的應(yīng)用都能夠滿足1m定軌的需求。其次是接收機(jī)鐘精確度控制，對于單點(diǎn)定位，要把鐘差帶入方程中進(jìn)行求解；對于載波相位相對定位，要采用觀測值求差法；對于高精度定位，要采用外接頻標(biāo)的方法。最后是天線中心位置誤差精度控制，要求在設(shè)計(jì)天線時天線盤上指定方向?yàn)楸狈剑谙鄬Χㄎ粫r采用求差法來減少相位中心偏差的誤差影響。3 結(jié)語綜上所述，導(dǎo)致gps測量誤差的原因主要來自衛(wèi)星、衛(wèi)星信息傳播以及地面接收設(shè)備三個方面，該文通過對導(dǎo)致誤差形成的原因進(jìn)行詳盡的分析，并據(jù)此提出了減少這些誤差的相關(guān)對策，以期進(jìn)一步提高測量的精度，最大程度確保gps導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)1 范建兵，李華明.gps實(shí)時動態(tài)差分技術(shù)在水平位移監(jiān)測中的應(yīng)用研究j.港工技術(shù)，2015（1）：92-96.2 魯洋為，王振杰，聶志喜，等.不同天線組合對gps姿態(tài)測量精度的影響分析j.海洋測繪，2014（6）：43-45.3 宋太廣，楊國林，潘福順.gps測量的誤差源及精度控制j.測繪與空間地理信息，2008（4）：119-122.4 宮曉艷，胡雄，吳小成，等.gps測量