影響GPS定位精度因素及應(yīng)對措施

崔志成

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

影響GPS定位精度因素及應(yīng)對措施

崔志成

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

在任何地區(qū)，利用GPS技術(shù)進(jìn)行定位建立控制網(wǎng)時，其精度都會受到各種各樣因素的影響。影響GPS定位精度的誤差主要來源于衛(wèi)星、衛(wèi)星信號的傳播過程、地面接收設(shè)備、控制網(wǎng)網(wǎng)型和其他信號干擾。文中對各項誤差的來源和性質(zhì)，提出了有針對性的措施，并以此進(jìn)行改正。

GPS；定位精度；衛(wèi)星；接收機；誤差

1 影響GPS定位精度的誤差因素

1.1 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

1.1.1 星歷誤差

指由星歷所給出的衛(wèi)星在空間位置與實際位置之差。衛(wèi)星星歷分為廣播星歷和精密星歷。采用精密星歷，在靜態(tài)精密定位中有重要作用。

1.1.2 衛(wèi)星鐘誤差指由鐘差、頻偏、頻漂等產(chǎn)生的誤差，也包括鐘隨機誤差。以上兩項誤差是由衛(wèi)星自身引起的，無法進(jìn)行改正。

1.2 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差

1.2.1 接收機安置誤差

接收機天線相位中心相對于測站標(biāo)石中心的誤差。包括天線整平、對中誤差和量取天線高誤差。精密定位時，必須仔細(xì)操作，以減少誤差的影響。

1.2.2 接收機計算誤差

接收機噪聲及接收機確定衛(wèi)星信號傳播時間的精度也有一定局限性，從而造成計算位置出現(xiàn)偏差。一般情況下，接收機引起的誤差比信號傳輸過程中引起的誤差要小。

1.2.3 衛(wèi)星與接收機組成的幾何形狀的影響（PDOP）

用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，定位精度與接收機中定位衛(wèi)星組成的幾何形狀有緊密關(guān)系，最好的幾何形狀就是PDOP值最小時。在開放、無遮擋的區(qū)域，衛(wèi)星覆蓋非常好，PDOP值就會很小。

1.2.4 接收機計算誤差

由接收機自身的精度決定，無法進(jìn)行改正，而接收機安置誤差和衛(wèi)星與接收機組成的幾何形狀的影響可以通過具體操作來解決。

1.3 與信號傳播有關(guān)的誤差

衛(wèi)星信號從太空傳輸?shù)浇邮諜C，要經(jīng)過大氣層中的電離層和對流層，它們會引起電磁波傳播的延遲，使信號穿過大氣層的速度不相同。接收衛(wèi)星信號受周圍環(huán)境的影響，可能會產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。

1.3.1 電離層折射誤差

電離層是距地面50～1000km的大氣層，電離層受輻射產(chǎn)生大量的自由電子和正離子，使傳播信號的路徑發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化，造成接受信號延遲，距離產(chǎn)生誤差，從而影響觀測精度。在GPS信號傳輸路徑中，自由電子密度越高對GPS信號影響越大，這是GPS信號傳播中最主要的一個誤差來源。為了滿足高精度的GPS測量，故引入電離層延遲改正模型。由于影響電離層折射的因素很多，無法建立嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，它只是一種經(jīng)驗估算公式，反應(yīng)的是全球的平均狀況。

1.3.2 對流層折射誤差

地面上不同的地方，氣壓、濕度等不一樣，氣體中包含的水汽會引起信號的反射；從上至下大氣層密度越來越大，氣溫越來越高，對信號會產(chǎn)生折射。這樣，傳播信號的路徑會發(fā)生變化，使距離產(chǎn)生誤差。衛(wèi)星高度角越大，信號穿越大氣層的路徑就會越短，影響也會越小，反之影響會越大。為了消弱對流層折射誤差的影響，引入對流層模型，以便對測量的距離加以改正。

1.3.3 多路徑效應(yīng)誤差

GPS信號和光信號的傳播一樣，也會受到反射，地面接收設(shè)備不僅接收來自衛(wèi)星的原始信號，同時也接收經(jīng)過高大建筑物、山體或大面積水域的反射干擾信號，多路徑的信號傳播稱為多路徑效應(yīng)。接收機接受的干擾信號會削弱收到的GPS衛(wèi)星的原始信號，造成位置計算誤差，是影響GPS定位精度的重要誤差源。

1.4 其他干擾產(chǎn)生的誤差

受障礙物遮擋，接收衛(wèi)星信號會暫時中斷；因微波信號、電磁信號干擾造成失鎖；電源故障使信號暫時中斷，計數(shù)器無法連續(xù)計數(shù)，產(chǎn)生周跳。重新跟蹤信號后，整周計數(shù)不正確，但不到一整周的相位觀測值是正確的。解算基線時，有周跳的觀測值會出現(xiàn)很大的殘差。

1.5 與控制網(wǎng)布設(shè)有關(guān)的誤差

布網(wǎng)的幾何圖形包括三邊形、四邊形、五邊形等，一般采用四邊形布網(wǎng)；連接方式包括邊連式、點連式、網(wǎng)連式、邊點混合連接式、多邊形連接等，點連式的幾何強度很弱，容易造成控制網(wǎng)的扭曲變形，應(yīng)避免使用。

邊長的長短直接影響邊長的相對精度；獨立閉合環(huán)數(shù)會直接影響控制網(wǎng)的精度。

2 應(yīng)對措施

2.1 減小接收機誤差的措施

2.1.1 接收機安置誤差

儀高的量取、儀器對中整平等會直接影響定位精度，需要加強人員培訓(xùn)，使操作人員熟練掌握操作全過程。另外，不同儀器的動態(tài)與靜態(tài)切換、電量的實時監(jiān)測對觀測結(jié)果也很重要。

2.1.2 儀高量取

量取儀高的部位應(yīng)統(tǒng)一，在互為120°方向上量取3次，天線高限差應(yīng)小于3mm，盒尺精度要有保證，在沒有粗差的情況下，取3次的平均值作為最終儀高。

2.1.3 儀器對中整平

對中設(shè)備的精度直接影響控制網(wǎng)的點位精度和邊長相對精度，測前需要對所有設(shè)備進(jìn)行全面檢驗，腳架需穩(wěn)固，基座對中部位在互為180°的方向上，對中精度偏離控制在1mm之內(nèi)。

2.1.4 衛(wèi)星與接收機組成的幾何形狀的影響

在某一時段上PDOP會大于10，致使定位精度降低，需要進(jìn)行星厲預(yù)報，避開超過指標(biāo)要求的時段。

2.2 消弱信號傳播誤差的措施

2.2.1 電離層折射誤差

通過采用雙頻接收機，比較GPS衛(wèi)星信號L1和L2載波，計算出大氣層的影響，可以有效減弱電離層折射的影響。

2.2.2 對流層折射誤差

考慮到對流層的折射與衛(wèi)星的高度角有關(guān)，高度角越小，信號穿過大氣層的距離越長，產(chǎn)生的折射誤差越大，因此對接收機或接收數(shù)據(jù)必須進(jìn)行高度角的限制，最大限度地消弱對流層的影響。

2.2.3 多路徑效應(yīng)誤差

因多路徑誤差的復(fù)雜性，無法建立改正模型，只能采取消弱措施。點位選擇時，應(yīng)避開引發(fā)多路徑效應(yīng)的物體如大面積水面、大面積水泥地面、高大建筑物等；汽車?？奎c不得離測站距離過近；不宜選在山坡、山谷、盆地中，以免反射信號從天線抑徑板（儀器上抑制多路徑效應(yīng)的裝置）上方進(jìn)入接收機。

2.3 消弱信號干擾誤差的措施

消除信號干擾影響，主要是選擇合適的點位。在實地選點時，需要綜合各方面的因素，多進(jìn)行觀察，避開對信號產(chǎn)生干擾的區(qū)域：①遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源200m以上，如電視臺、電臺及微波站等，遠(yuǎn)離高壓線和微波傳送通道50m以上；②接收機附近不應(yīng)適用對講機，以免對衛(wèi)星信號產(chǎn)生干擾；③在視場內(nèi)避開障礙物如樹木的影響，以免對信號造成遮擋，產(chǎn)生周跳。

如果基線解算結(jié)果發(fā)現(xiàn)殘差，對接受數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的覆蓋，修復(fù)整周跳變。如果因為電源中斷使信號暫時中斷，中斷前后信號本身失去了連續(xù)性，修復(fù)周跳就失去了意義。

2.4 消弱與控制網(wǎng)布設(shè)有關(guān)的誤差

點位選擇時，根據(jù)已知點的分布情況，應(yīng)加大邊長，盡量避免方位邊出現(xiàn)短邊，以提高邊長的相對精度；按C級網(wǎng)布設(shè)，連接2個已知點之間的獨立閉合環(huán)數(shù)應(yīng)小于等于6，超過此要求時，控制網(wǎng)的精度得不到保證，故布網(wǎng)時，應(yīng)盡量減少獨立閉合環(huán)數(shù)，以提高控制網(wǎng)的精度。

3 結(jié)語

通過對影響定位精度因素的分析，分清各項誤差的來源，進(jìn)而有針對性地采取防范措施，把外界因素對信號的干擾降到最低程度，為接受高質(zhì)量的衛(wèi)星信號打下基礎(chǔ)，從而保證了控制網(wǎng)的精度。

［1］許紹銓，張華海，楊志強，等.GPS測量原理及應(yīng)用［J］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2007，12（2）.

［2］GB/T 18314—2009，全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范［S］.

［3］李青岳.工程測量學(xué)［M］.北京：測繪出版社，1984.

P228.4

A

1672-9900（2011）01-0095-02

2011－01－28

崔志成（1965－），男（漢族），河北衡水人，高級工程師，主要從事測繪技術(shù)研究工作，（Tel）15832101518。