GPS誤差分析與精度控制探析

劉峻杉

摘要：全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）主要用于定位與三維導(dǎo)航，其覆蓋范圍廣，能夠連續(xù)作業(yè)，并且具備較強(qiáng)的保密性和抗干擾性，因此被廣泛應(yīng)用于氣象、通信、交通、軍事、航空等領(lǐng)域，發(fā)揮了重要作用。為提升GPS精度，本文主要分析了GPS測(cè)量誤差來(lái)源及改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：精度控制；GPS；誤差

GPS通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的導(dǎo)航、定位，打破了傳統(tǒng)測(cè)量方法的局限，在眾多領(lǐng)域中都有所應(yīng)用。GPS的精確度能夠在很大程度上影響其功能發(fā)揮，提升其精確度是研究人員的工作重點(diǎn)。下面將討論GPS測(cè)量誤差來(lái)源以及消除方法。

1 誤差來(lái)源

GPS在工作過(guò)程中存在的誤差來(lái)源主要包括以下三方面：

1.1 GPS接收機(jī)的問(wèn)題

GPS 接收機(jī)自身存在問(wèn)題也會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差，因此工作人員應(yīng)全面掌握設(shè)備性能、工作特點(diǎn)及精確度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行GPS作業(yè)方案的制定，從而確保GPS定位工作的順利開(kāi)展。

1.2 GPS信號(hào)的自身誤差

1）星歷誤差：預(yù)報(bào)的衛(wèi)星位置不正確產(chǎn)生的誤差即屬于星歷誤差。通常情況下，某一衛(wèi)星的星歷誤差對(duì)所有用戶來(lái)講都沒(méi)有差別。對(duì)于同一顆衛(wèi)星，如果不同人員處于不同的觀測(cè)角度，那么由星歷誤差造成的結(jié)果并不相同，所以，最終得到的位置結(jié)果也不相同。換句話說(shuō)，星歷誤差不能通過(guò)多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)作業(yè)的方式消除。如果用戶之間的距離較小，星歷誤差造成的結(jié)果誤差范圍大致相同，所以星歷誤差可以通過(guò)差分觀測(cè)來(lái)完全消除。

2）衛(wèi)星鐘差：GPS在測(cè)量距離時(shí)主要依靠預(yù)報(bào)的衛(wèi)星鐘。對(duì)于C /A 碼及P碼用戶來(lái)講，其衛(wèi)星鐘差相同，且與方向沒(méi)有關(guān)系。衛(wèi)星鐘差的產(chǎn)生主要是由SA造成的，然而早在2000年美國(guó)便不再執(zhí)行該項(xiàng)的限制政策。

1.3 GPS信號(hào)的傳輸誤差

1） 周跳：即失周。GPS相對(duì)定位是依據(jù)相位觀測(cè)值進(jìn)行的，其指的是獲得的衛(wèi)星載波相位與接收機(jī)振蕩形成的相位之差，實(shí)際量測(cè)只能得到數(shù)值的小數(shù)部分（精確至0，01周）。理想狀態(tài)下，接收機(jī)可以鎖定衛(wèi)星并進(jìn)行跟蹤，通過(guò)這樣的方法得到數(shù)值的整數(shù)部分，所以整周模糊度并不會(huì)發(fā)生改變，在計(jì)算時(shí)可以一并求出。然而實(shí)際情況中，接收機(jī)在鎖定衛(wèi)星之后并不能確保實(shí)時(shí)跟蹤，比如突然失去衛(wèi)星信號(hào)，因此無(wú)法得到未跟蹤時(shí)的相位變化，即周跳，也稱作失鎖或失周。工作人員需要在數(shù)據(jù)的預(yù)處理過(guò)程中進(jìn)行周跳的修正與探測(cè)，失周處理十分麻煩，因此應(yīng)采取措施避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2） 多徑誤差：反射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)天線也會(huì)影響觀測(cè)值的精度，該誤差屬于多徑誤差。如果天線周圍有較大的反射面，那么多徑誤差將較大，情況嚴(yán)重的話，會(huì)造成15米及以上的觀測(cè)誤差，所以移動(dòng)站與基地站在選擇天線位置時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮。

3） 對(duì)流層誤差：電磁波在對(duì)流層的傳播速度與真空中光的傳播速度不同而產(chǎn)生的誤差屬于對(duì)流層誤差。主要包括濕大氣分量與干大氣分量，低仰角情況下為20米，其中干大氣分量所占比例高，約為80%～90%，借助相應(yīng)模型可以修正絕大部分。盡管濕大氣分量占據(jù)的比例小，但是其會(huì)隨著高度與緯度的不同發(fā)生較大的變化，且變化速度會(huì)逐漸加快。為此，研究人員設(shè)計(jì)出分析濕對(duì)流層誤差的模型，該模型主要通過(guò)隨機(jī)模擬以及濾波的方式估算相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行函數(shù)逼近。模型的運(yùn)用能夠使基線天頂方向與平面坐標(biāo)（水平方向）的水平相近。

4） 電離層誤差：電離層效應(yīng)會(huì)造成觀測(cè)值不準(zhǔn)確，由此產(chǎn)生的誤差屬于電離層誤差。沿用戶接收機(jī)和衛(wèi)星視線方向中的電子密度能夠影響該誤差，夜間垂直方向上的延遲值大約為3米，白天大約為15米，低仰角條件下夜間與白天的延遲值大約為9米和45米，如果是反常時(shí)期，那么延遲值會(huì)進(jìn)一步增大。為降低電離層延遲造成的誤差，在長(zhǎng)基準(zhǔn)測(cè)量時(shí)GPS數(shù)據(jù)的收集應(yīng)選用雙頻接收機(jī)，該設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)修正觀測(cè)結(jié)果，提升觀測(cè)值的準(zhǔn)確度。

2 減少誤差的方法

2.1數(shù)據(jù)處理

1） 選用合適的線性組合進(jìn)行載波相位測(cè)量，在歷元、衛(wèi)星、接收機(jī)間求一次差，能夠分別消除整周模糊度、接收機(jī)鐘誤差以及衛(wèi)星鐘誤差；在衛(wèi)星、接收機(jī)間求二次差能夠同時(shí)消除接收機(jī)鐘誤差以及衛(wèi)星鐘誤差；在歷元、衛(wèi)星、接收機(jī)間求三次差能夠得到只含有未知坐標(biāo)差的方程。

2） 注重起算數(shù)據(jù)的合理性，具體方法包括：與高級(jí)GPS網(wǎng)控制點(diǎn)連測(cè)，數(shù)據(jù)精度為米級(jí)；將已知點(diǎn)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)變至W GS- 84坐標(biāo)系內(nèi)，數(shù)據(jù)精度為幾米級(jí)；若無(wú)法實(shí)現(xiàn)與其他控制點(diǎn)的連測(cè)，那么起算數(shù)據(jù)應(yīng)選用觀測(cè)超過(guò)30分鐘的單點(diǎn)定位結(jié)果，數(shù)據(jù)精度大約為10米至15米。

3） 廣播星歷部分或全部替換為精密星歷。用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)獲取精密星歷，從而減少星歷誤差，降低SA政策產(chǎn)生的影響。

2.2 測(cè)量手段

1） 利用廣域差分或區(qū)域差分方式，在降低用戶站與基準(zhǔn)站誤差的同時(shí)，還能夠增加站間距，從100千米變?yōu)?000千米。

2）絕對(duì)定位替換為相對(duì)定位，相比于絕對(duì)定位，相對(duì)定位有利于減小衛(wèi)星鐘差、星歷誤差以及大氣延遲誤差。

3） 偽距測(cè)量替換為載波相位測(cè)量，因?yàn)檩d波波長(zhǎng)較短（K1為19厘米，K2 為24.4 厘米），選用載波相位測(cè)量可將精確度提高2至3個(gè)數(shù)量級(jí)，選用雙拼改正能夠有效減少電離層誤差。

2.3測(cè)站安置

1）選取合適的截止高度角，降低對(duì)流層以及電流層的影響，接收較多的衛(wèi)星信號(hào)，從而提高多余觀測(cè)數(shù)，完善幾何圖形。

2）測(cè)站安置時(shí)盡量避免盆地、山坡、山谷以及面積較大的平靜水面，安置地點(diǎn)周圍不能有廣告牌、高大建筑等，地面粗糙為宜，因?yàn)檫@種地面發(fā)射能力弱，多路徑誤差小。同時(shí)，減小多路徑誤差的方法還包括增長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間、接收天線內(nèi)配備抑徑板。

3 結(jié)語(yǔ)

如果GPS控制網(wǎng)基線較短，那么星歷誤差以及SA技術(shù)并不會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，如果GPS接收機(jī)狀況良好，那么影響測(cè)量精度的誤差主要包括點(diǎn)位對(duì)中誤差、周跳以及多路徑誤差，因此要采取措施減少這三大誤差。對(duì)流層以及電離層延遲對(duì)基線測(cè)量過(guò)程中兩點(diǎn)間的高度影響較大，為了確保作業(yè)精度，應(yīng)盡量減少兩點(diǎn)間高差。

參考文獻(xiàn)：

[1]李怡彬.GPS測(cè)量中的誤差與精度控制研究[J].科技傳播，2013（4）：106+123.

[2]王宏超.淺析GPS測(cè)量中的誤差及精度控制研究[J].城市建筑，2013（24）：152-152.

[3]雷娟.GPS測(cè)量誤差源分析及精度控制[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2008（1）：28-31.endprint