GPS測(cè)量的誤差分析與探討

劉建賢

深圳市長(zhǎng)勘勘察設(shè)計(jì)有限公司,廣東深圳 518003

GPS測(cè)量的誤差分析與探討

劉建賢

深圳市長(zhǎng)勘勘察設(shè)計(jì)有限公司,廣東深圳 518003

目前，GPS控制測(cè)量中的應(yīng)用十分廣泛。本文從介紹GPS定位系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)而分析了GPS測(cè)量的主要誤差，有助于盡可能做到在滿(mǎn)足工程需要的前提下，節(jié)省人力物力。

GPS測(cè)量；控制測(cè)量；誤差分析；誤差影響因素

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位(GPS)是繼互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信之后，人類(lèi)進(jìn)入信息化社會(huì)的又一次影響深遠(yuǎn)的信息技術(shù)革命?；ヂ?lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、衛(wèi)星定位已經(jīng)成為信息社會(huì)的三大支柱產(chǎn)業(yè)。GPS技術(shù)作為一項(xiàng)20世紀(jì)的高新技術(shù)，目前已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在控制測(cè)量中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的測(cè)量作業(yè)工作方式，提高了工作效率，也帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為充分發(fā)揮GPS技術(shù)的優(yōu)越性，更好地適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域的需要，我們必須在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷探討問(wèn)題[1，2]。本文主要就GPS測(cè)測(cè)量的誤差分析相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行一些探討。

1 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

1.1 衛(wèi)星鐘差

GPS測(cè)量實(shí)際上是，通過(guò)測(cè)定信號(hào)從GPS衛(wèi)星傳播到接收機(jī)的時(shí)間差來(lái)確定距離，進(jìn)而計(jì)算位置。因此，GPS衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定度就十分重要，測(cè)得的時(shí)間差的1ms誤差，對(duì)應(yīng)300km的測(cè)距誤差。雖然GPS衛(wèi)星采用了高精度的銫或銣原子鐘，其穩(wěn)定度達(dá)到l00m的精度，但是不可避免的還存在誤差。

對(duì)于衛(wèi)星鐘差，可通過(guò)接受衛(wèi)星導(dǎo)航電文，采用GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的改正模型，計(jì)算改正數(shù)，經(jīng)過(guò)改正后，衛(wèi)星鐘可達(dá)到20ns的精度，即對(duì)應(yīng)6m的距離誤差。在GPS差分定位中，衛(wèi)星鐘差可通過(guò)在衛(wèi)星之間求差，消除其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

1.2 衛(wèi)星軌道誤差

衛(wèi)星軌道誤差就是計(jì)算的衛(wèi)星位置的誤差。由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)中受多種攝動(dòng)力影響，衛(wèi)星的運(yùn)行軌道極為復(fù)雜，精確測(cè)定各種攝動(dòng)力，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道是十分困難的，目前，通過(guò)廣播星歷計(jì)算的衛(wèi)星位置精度可達(dá)到5～10m。

衛(wèi)星軌道的誤差可通過(guò)差分計(jì)算得到有效的消弱，差分之后，衛(wèi)星位置誤差△s與基線(xiàn)長(zhǎng)度誤差△b的關(guān)系可粗略的簡(jiǎn)化為：，其中，b為基線(xiàn)長(zhǎng)度，ρ為衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，即當(dāng)基線(xiàn)長(zhǎng)度為25km，衛(wèi)星位置誤差為10m時(shí)，基線(xiàn)的誤差大約為lcm。可見(jiàn)衛(wèi)星軌道誤差，在差分相對(duì)定位影響不大，不過(guò)隨著基線(xiàn)距離的增大，其影響越來(lái)越顯著。對(duì)于長(zhǎng)距離的基線(xiàn)測(cè)量，可以采用亞米的精密星歷，也可以采用短弧法，將部分衛(wèi)星軌道參數(shù)作為未知數(shù)，與基線(xiàn)向量一同解算。

2 與傳播路徑有關(guān)的誤差

2.1 電離層折射影響

電離層是從高于70km～100km的大氣層。電磁波信號(hào)通過(guò)大氣的電離層時(shí)傳播速度會(huì)發(fā)生變化，致使GPS測(cè)距結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)性的偏差，稱(chēng)之為電離層折射的影響。電離層折射的大小取決于信號(hào)頻率和外界條件，如太陽(yáng)光照強(qiáng)度、太陽(yáng)黑子數(shù)、時(shí)間、地點(diǎn)、衛(wèi)星高度角等。在夜間且衛(wèi)星處于天頂時(shí)，電離層折射的影響較小，小于為5m，在中午且衛(wèi)星處于地平線(xiàn)上時(shí)，電離層折射的影響較大，大于為150m。采用雙頻GPS接收機(jī)可以基本消除電離層的影響。單頻GPS接收機(jī)，可通過(guò)采用導(dǎo)航電文提供的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行改正，消除75%的影響。

2.2 對(duì)流層折射影響

對(duì)流層是指從40km高度到地面的大氣層。電磁波信號(hào)通過(guò)大氣的對(duì)流層時(shí)傳播速度也會(huì)發(fā)生變化，致使GPS測(cè)距結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)性的偏差，稱(chēng)之為對(duì)流層折射的影響。對(duì)流層折射的影響的大小主要與溫度、濕度、氣壓、衛(wèi)星高度角等因素有關(guān)。對(duì)流層折射的一般在影響在2～30m之間。對(duì)于短距離（小于20km）GPS基線(xiàn)測(cè)量，通過(guò)GPS接收機(jī)之間的差分，可以有效地消弱對(duì)流層折射的影響。對(duì)于長(zhǎng)距離，可通過(guò)觀測(cè)氣象元素（溫度、濕度、氣壓），按照模型計(jì)算改正數(shù)，同時(shí)在差分計(jì)算模型中引入對(duì)流層改正參數(shù)一并解算。

2.3 多路徑誤差

多路徑誤差是指，GPS接收機(jī)除收到直接來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)外，還收到來(lái)自接收機(jī)天線(xiàn)周?chē)矬w的一次或多次反射信號(hào)，兩種信號(hào)疊加后，GPS信號(hào)相位發(fā)生變化，從而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。多路徑誤差對(duì)于偽距觀測(cè)量可產(chǎn)生數(shù)米的誤差，對(duì)于載波相位觀測(cè)量可產(chǎn)生數(shù)厘米的誤差。多路徑誤差雖然不大，但是由于其與每個(gè)測(cè)站的環(huán)境有關(guān)，沒(méi)有規(guī)律不好消弱。因此，它是高精度GPS測(cè)量的主要誤差之一。為了減少多路徑效應(yīng)影響，在選點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)位應(yīng)盡量避開(kāi)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(yīng)的天線(xiàn)；采用扼流線(xiàn)圈；盡可能延長(zhǎng)每點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間，最好在一天的不同時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)，另外還可以采用防多路徑效應(yīng)的天線(xiàn)。

3 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差

3.1 觀測(cè)誤差

觀測(cè)誤差包括，GPS接收機(jī)天線(xiàn)安置誤差(如天線(xiàn)對(duì)中誤差、天線(xiàn)置平誤差及天線(xiàn)量高誤差等)和GPS接收機(jī)的分辨誤差。天線(xiàn)安置誤差，可通過(guò)精細(xì)操作，達(dá)到要求的精度。分辨誤差通常認(rèn)為是信號(hào)波長(zhǎng)的1%，即P碼為0.3m，C/A碼為2.9m，L1載波為2.0mm，L1載波為2.5mm。通過(guò)增加觀測(cè)次數(shù)，可減弱分辨誤差。

3.2 接收機(jī)鐘差

GPS接收機(jī)一般采用石英鐘，穩(wěn)定度大約為10-11，比衛(wèi)星的鐘差要大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)?？刹捎门c處理衛(wèi)星鐘差類(lèi)似的方法處理接收機(jī)鐘差。處理GPS接收機(jī)鐘差的常用方法是引入鐘差未知數(shù)，與所求未知坐標(biāo)向量一起解算。

4 結(jié)論

GPS技術(shù)作為一項(xiàng)20世紀(jì)的高新技術(shù)，因其具有測(cè)量精度高、費(fèi)用省、觀測(cè)省時(shí)省力且不受天氣條件限制等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量領(lǐng)域。GPS技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的測(cè)量作業(yè)工作方式，提高了工作效率，也帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為充分發(fā)揮GPS技術(shù)的優(yōu)越性，更好地適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域的需要，我們必須在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷探討問(wèn)題。本文從介紹GPS定位系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)而分析了GPS測(cè)量的主要誤差，有利于對(duì)今后GPS在工程測(cè)量應(yīng)用的實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

[1]馬耀昌，辛國(guó).GPS測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制[J].地理空間信息， 2006，4(2).

[2]侯幫早.GPS測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理的控制[J].湖北電力，2005，29(Z2).

P228.4

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1674-6708（2010）21-0213-02