GPS測(cè)量誤差及精度控制測(cè)量探究

王丹　黃吉來(lái)

摘 要：GPS測(cè)量指的是通過(guò)地面接收設(shè)備對(duì)同一時(shí)刻接受多顆衛(wèi)星發(fā)出的信息來(lái)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(huì)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(cè)量過(guò)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(cè)量產(chǎn)生誤差的原因，影響對(duì)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(gè)方面入手分析了GPS測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生誤差的原因，并針對(duì)誤差產(chǎn)生的原因提出了對(duì)誤差的精度控制相關(guān)對(duì)策。

關(guān)鍵詞：GPS測(cè)量 GPS測(cè)量誤差 精度控制 原因 對(duì)策

中圖分類號(hào)：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（a）-0016-02

GPS（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(guò)地面接收設(shè)備對(duì)同一時(shí)刻接受多顆衛(wèi)星發(fā)出的信息來(lái)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(huì)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(gè)用戶提供精確度非常高的時(shí)間、速度三維坐標(biāo)等信息的技術(shù)參數(shù)。整個(gè)GPS主要包括三個(gè)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(gè)固定的軌道上的高約2.02萬(wàn)千米的24顆衛(wèi)星群。為保證所有地點(diǎn)和地平線以上在任何一個(gè)時(shí)間都會(huì)接收到來(lái)自最少4顆GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，要求GPS空間衛(wèi)星系統(tǒng)中的六個(gè)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(shí)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(cè)站三個(gè)部分組成。其中主控站負(fù)責(zé)按照每個(gè)監(jiān)控站所檢測(cè)的GPS數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算各個(gè)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(cè)站主要是接受來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，以此來(lái)監(jiān)測(cè)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(hào)，從而進(jìn)行GPS導(dǎo)航定位，而且隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS測(cè)量?jī)x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(huì)的各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

1 GPS測(cè)量誤差的形成原因

GPS測(cè)量通過(guò)地面接收設(shè)備對(duì)同一時(shí)刻接受多顆衛(wèi)星發(fā)出的信息來(lái)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(huì)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(cè)量過(guò)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(cè)量產(chǎn)生誤差的原因，直接影響著對(duì)地面目標(biāo)的準(zhǔn)確的位置判斷，因此，GPS測(cè)量誤差的形成原因主要包括以下幾點(diǎn)。

1.1 軌道誤差（星歷誤差）

由于地面用戶在確定觀測(cè)瞬間某一衛(wèi)星的位置時(shí)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(cè)定是根據(jù)地面監(jiān)測(cè)站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而得來(lái)的，因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中衛(wèi)星本身會(huì)受到攝動(dòng)力等多種作用力的影響，地面監(jiān)測(cè)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(cè)量誤差原因中，星歷誤差是最主要也是最重的誤差來(lái)源。

1.2 GPS在衛(wèi)星信號(hào)傳輸中產(chǎn)生誤差

GPS在衛(wèi)星信號(hào)傳輸中產(chǎn)生誤差主要包括三方面的原因，首先是電離層導(dǎo)致信號(hào)傳播過(guò)程中產(chǎn)生延遲，電力層對(duì)信號(hào)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(hào)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(shí)期會(huì)出現(xiàn)更高的延遲值。其次是對(duì)流層對(duì)信號(hào)傳播的延遲影響，主要是因?yàn)樾盘?hào)以電磁波的形式通過(guò)對(duì)流層時(shí)，信號(hào)的傳播速度區(qū)別于真空中光的傳播速度，而導(dǎo)致信號(hào)在對(duì)流層出現(xiàn)延遲。其三是GPS信號(hào)多路徑傳播而引起的誤差，多路徑誤差即指GPS信號(hào)可能通過(guò)先射到某一物體上然后再經(jīng)過(guò)反射達(dá)到GPS接收天線，而不是直接發(fā)射至信號(hào)接收天線，這就會(huì)對(duì)直線射至信號(hào)接收天線的直線波GPS信號(hào)本身造成一定的干擾，多路徑差錯(cuò)的強(qiáng)度會(huì)因用戶GPS信號(hào)接收天線抗干擾能力的強(qiáng)度和反射信號(hào)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(gè)方面，首先是觀測(cè)誤差。觀測(cè)誤差的產(chǎn)生一方面與觀測(cè)人員的職業(yè)素養(yǎng)和觀測(cè)設(shè)備的精確測(cè)量有關(guān)，如果觀測(cè)人員能夠具備專業(yè)的職業(yè)素質(zhì)，那么他們將對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡的分析，這對(duì)于解決問(wèn)題有相當(dāng)大的幫助；觀測(cè)設(shè)備的精準(zhǔn)度可以通過(guò)采取太陽(yáng)光壓改正模型來(lái)滿足要求；另一方面與GPS信號(hào)接收天線的定位精確度有關(guān)；其次就是信號(hào)接收天線中心位置的偏差，由于信號(hào)在傳至接收天線時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)強(qiáng)時(shí)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(cè)量出現(xiàn)誤差；其三是接收機(jī)時(shí)鐘誤差，通常GPS信號(hào)接收機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘都選用石英晶體振蕩器，穩(wěn)定度變化范圍為1×106～5×106，由于衛(wèi)星時(shí)鐘與地面信號(hào)接收機(jī)時(shí)鐘在同步性上出現(xiàn)差距，哪怕是一點(diǎn)差距都會(huì)造成很大的等效距離誤差，嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。

2 GPS測(cè)量精度控制測(cè)量的相關(guān)對(duì)策

根據(jù)以上對(duì)GPS測(cè)量誤差產(chǎn)生原因的分析，提出了對(duì)誤差的精度控制相關(guān)對(duì)策。

2.1 衛(wèi)星精度控制對(duì)策

在確定GPS衛(wèi)星軌道時(shí)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(huì)以10倍甚至更大的比例影響到衛(wèi)星軌道的精確測(cè)量，故而為確保精度優(yōu)于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(duì)坐標(biāo)值，這與我國(guó)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(duì)衛(wèi)星觀測(cè)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(zhǎng)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(hào)傳播精度控制對(duì)策

電離層和對(duì)流層時(shí)影響衛(wèi)星信號(hào)傳播精確度得主要因素，可以通過(guò)三種方法來(lái)減少其對(duì)信號(hào)傳播精度的影響，①根據(jù)電離層模型特點(diǎn)進(jìn)行改正，②采用雙頻接收機(jī)以減少延遲，③同步測(cè)量求差法。減少對(duì)流層的折射可以通過(guò)模型改正和同步觀測(cè)求差的方法，減少對(duì)流層對(duì)電磁波的延遲誤差。

2.3 地面接受設(shè)備測(cè)量的精度控制對(duì)策

首先是觀測(cè)誤差的精度控制，一般來(lái)說(shuō)ROCK4 光壓攝動(dòng)模型、多項(xiàng)式光壓模型、標(biāo)準(zhǔn)光壓模型這三種太陽(yáng)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(duì)于單點(diǎn)定位，要把鐘差帶入方程中進(jìn)行求解；對(duì)于載波相位相對(duì)定位，要采用觀測(cè)值求差法；對(duì)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(shí)天線盤上指定方向?yàn)楸狈剑谙鄬?duì)定位時(shí)采用求差法來(lái)減少相位中心偏差的誤差影響。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，導(dǎo)致GPS測(cè)量誤差的原因主要來(lái)自衛(wèi)星、衛(wèi)星信息傳播以及地面接收設(shè)備三個(gè)方面，該文通過(guò)對(duì)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(duì)策，以期進(jìn)一步提高測(cè)量的精度，最大程度確保GPS導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確性。

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