GPS在數(shù)據(jù)測(cè)量中的誤差因素

1、GPS在數(shù)據(jù)測(cè)量中的誤差因素摘要: 本文通過(guò)對(duì) GPS測(cè)量的誤差來(lái)源進(jìn)行分析 , 總結(jié)出各類誤差對(duì) GPS測(cè)量精度的影響 , 指導(dǎo)我們?cè)谶M(jìn)行 GPS測(cè)量時(shí)如何消除或減弱各類誤差對(duì) GPS測(cè)量精度的影響 , 達(dá)到快速取得滿足 GPS測(cè)量精度要求的成果。關(guān)鍵詞: 衛(wèi)星;GPS引言如其他測(cè)量一樣 ,GPS測(cè)量同樣不可避免地受到測(cè)量誤差的影響。 GPS是一 個(gè)龐大的系統(tǒng) （由GPS衛(wèi)星、用戶和地面的監(jiān)控站三部分組成 ）, 誤差的組成也很 復(fù)雜。根據(jù)不同的研究方向和研究重點(diǎn) ,誤差的分類各有不同 ; 通常是按誤差的 性質(zhì)將其分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩類 ; 按誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度把誤差分 為噪聲誤差、

2、偏差和偶然誤差 ; 按誤差的來(lái)源將其分為與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信 號(hào)傳播有關(guān)的誤差、與接收機(jī)有關(guān)的誤差、野外工作失誤四種類型。本文按誤 差的來(lái)源對(duì) GPS測(cè)量誤差進(jìn)行分析。1 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 , 主要包括衛(wèi)星星歷的誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、 SA技術(shù)與 AS技術(shù)的影響、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對(duì)論效應(yīng)的影響等。1.1 衛(wèi)星星歷的誤差 衛(wèi)星星歷的誤差指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實(shí)際位置間的偏 差。由于衛(wèi)星星歷是 GPS定位的主要數(shù)據(jù)依據(jù) , 是由地面監(jiān)控站跟蹤檢測(cè) GPS衛(wèi) 星求定的。由于地面檢測(cè)站測(cè)試的誤差 , 以及衛(wèi)星在空中運(yùn)行受到多種攝動(dòng)力影 響,地面監(jiān)控站難以充分可靠地測(cè)定這些

3、作用力的影響 , 使得測(cè)定的衛(wèi)星軌道會(huì) 有誤差; 另外由地面注入站給衛(wèi)星的廣播星歷和由衛(wèi)星向地面發(fā)送的廣播星歷 , 都是由地面監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星軌道外推計(jì)算出來(lái)的 , 使得由廣播星歷提供的衛(wèi)星位置與 衛(wèi)星實(shí)際位置之間有誤差。減弱星歷誤差影響的途徑 : 采用由美國(guó)國(guó)防制圖局 （DMA）生產(chǎn)的精密星歷以及由國(guó)際 GPS服務(wù)（IGS） 生產(chǎn)的精密星歷 ; 建立自己的跟 蹤網(wǎng)獨(dú)立定軌 ,采用不斷改進(jìn)的定軌技術(shù)及攝動(dòng)力模型 ,根據(jù)實(shí)測(cè)星歷 ,獲得較好 的定軌精度 ; 采用相對(duì)定位作業(yè)模式 ,用同步觀測(cè)值求差來(lái)降低或消除這一誤差 ; 在大區(qū)域測(cè)區(qū) , 采用軌道松弛法 , 求得測(cè)站位置及軌道改正數(shù) ,對(duì)無(wú)法獲取精密

4、星 歷進(jìn)行補(bǔ)救。1.2 衛(wèi)星鐘的鐘差 GPS測(cè)量的原理是信號(hào)由衛(wèi)星傳播到接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以衛(wèi)星信號(hào)的傳 播速度。如果衛(wèi)星信號(hào)中有 68ms的誤差, 則其影響可達(dá) 180240cm。可見 GPS 的測(cè)量精度與時(shí)鐘 （衛(wèi)星和接收機(jī)的時(shí)鐘 ） 誤差密切相關(guān)。雖然 GPS衛(wèi)星都采用 高精度的原子鐘 ,但由于主控站 （及監(jiān)控站）的控制和調(diào)整 ,仍不能完全改正衛(wèi)星 鐘的鐘面時(shí)與 GPS時(shí)之間的同步誤差及衛(wèi)星鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步誤差 , 通過(guò)衛(wèi) 星的導(dǎo)航電文提供給用戶。這樣就存在兩種時(shí)間誤差 , 并引起等效的距離誤差。 在相對(duì)定位中 ,衛(wèi)星鐘差或經(jīng)主控站 （及監(jiān)控站 ）改正后的殘差可通過(guò)觀測(cè)量求差 （ 或

5、差分 ） 得以消除 , 而接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步誤差 （ 即接收機(jī)鐘差 ） 也可通 過(guò)觀測(cè)值求差得以有效的減弱。因此衛(wèi)星鐘差通過(guò)模型和數(shù)據(jù)處理方法可以得到一定程度的修正。1.3 地球自轉(zhuǎn)的影響衛(wèi)星在運(yùn)行中 ,不僅是受地球質(zhì)心引力的作用 , 還受到地球潮汐、太陽(yáng)光壓 太陽(yáng)和月球的引力 ,大氣阻力等作用。因此必須建立各種攝動(dòng)力模型 , 對(duì)衛(wèi)星軌 道加以修正 , 滿足衛(wèi)星精密定位的需要。通過(guò)地面監(jiān)控站實(shí)測(cè) GPS衛(wèi)星在某一時(shí) 間的位置,對(duì)衛(wèi)星的軌道進(jìn)行改正 ,實(shí)現(xiàn)精密定軌 ,同時(shí)當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)測(cè)站 ,由 于地球自轉(zhuǎn)使衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間延遲 , 從而引起坐標(biāo)變化 , 可根據(jù)地球自轉(zhuǎn)速度 求出旋轉(zhuǎn)角度

6、 , 建立相關(guān)坐標(biāo)模型消除地球自轉(zhuǎn)的影響。2 與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差 , 主要包括電離層延遲、對(duì)流層折射的影響和多路徑 效應(yīng)的影響、周跳。2.1 電離層延遲電離層（含平流層）是高度在 601000km間的大氣層 ,在這一層中 ,由于太陽(yáng) 的作用, 使大氣中的分子發(fā)生了電離 ,而電離層中的電子密度是變化的 ,它與太陽(yáng) 黑子活動(dòng)狀況、地球上地理位置、季節(jié)變化和時(shí)間有關(guān)。 GPS衛(wèi)星信號(hào)在通過(guò) 電離層時(shí) ,和其它電磁波信號(hào)一樣要受到帶電介質(zhì)的非線性散射特性的影響 , 不 僅傳播速度發(fā)生變化 , 信號(hào)的傳播路徑亦會(huì)發(fā)生彎曲 ,所以電離層對(duì) GPS信號(hào)的 影響會(huì)使利用 GPS接收機(jī)所測(cè)

7、得的衛(wèi)星至天線之間的距離產(chǎn)生誤差。對(duì) GPS信 號(hào)而言, 這種距離誤差可達(dá) 50150rn。可以采用如下方法來(lái)削弱電離層對(duì)信號(hào) 影響:2.1.1 利用雙頻改正技術(shù)。由于電離層對(duì)信號(hào)的影響與信號(hào)本身頻率有關(guān) , 根據(jù) L1/L2 的頻率的信號(hào)是沿同一路徑到達(dá)接收機(jī)的 , 只存在電離層折射影響不 同,利用 L1/L2 的頻率觀測(cè)值直接解算出電離層的時(shí)延差點(diǎn)改正數(shù)。經(jīng)過(guò)雙頻觀 測(cè)值改正后 ,偽距殘差可達(dá)厘米級(jí)。 2.1.2 采用電離層模型加以改正 ,對(duì) GPS單 頻機(jī), 在導(dǎo)航電文中提供電離層改正模型 , 將電離層延遲影響減少 75%。2.1.3 對(duì)于短距離基線 （ 測(cè)站間距離 20KM以內(nèi)）, 可

8、采用兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站 同步觀測(cè)量求差 ,由于衛(wèi)星到兩個(gè)測(cè)站電磁波傳播路徑上的大氣狀況很相似 , 因 此,通過(guò)求差 ,可以削弱電離層延遲的影響。2.2 對(duì)流層延遲對(duì)流層是高度在 50km以下的大氣層 , 大氣中質(zhì)量 99%都在此層中。這一層 也是氣象現(xiàn)象主要出現(xiàn)的地區(qū)。受地面氣候的影響非常大 , 對(duì) GPS衛(wèi)星信號(hào)的折 射比電離層更為復(fù)雜。對(duì)流層對(duì)信號(hào)的折射誤差與信號(hào)傳播路線上的溫度、氣 壓和濕度有關(guān) , 同時(shí)還與衛(wèi)星的高度角及測(cè)站的正高有關(guān)。對(duì)流層對(duì)信號(hào)折射所 造成的衛(wèi)星到測(cè)站距離的誤差一般為幾米至十幾米。在施測(cè) GPS控制網(wǎng)時(shí) , 為了 削弱對(duì)流層的折射影響 , 首先應(yīng)進(jìn)行模型改正。實(shí)測(cè)地區(qū)

9、氣象資料利用氣象模型 改正, 能減少對(duì)流層對(duì)電磁波延遲達(dá) 92%93%。由于模型改正僅能切削去對(duì)流層 折射影響的大部分 ,在觀測(cè)值中仍會(huì)含有少量由對(duì)流層折射造成的誤差 , 此時(shí)應(yīng) 再利用差分技術(shù)進(jìn)一步削弱對(duì)流層折射的影響。2.3 多路徑誤差 多路徑效應(yīng)是由于接收機(jī)天線不只是接收到衛(wèi)星直接發(fā)射的信號(hào) , 還接收到 經(jīng)接收機(jī)天線周圍物體一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào) , 把這兩種疊加的信號(hào)作為觀 測(cè)量來(lái)解算 , 定位結(jié)果中就含有這種多路徑信號(hào)影響的誤差。為了減少多路徑效 應(yīng)影響,在選點(diǎn)時(shí) , 點(diǎn)位應(yīng)盡量避開強(qiáng)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 （如具有 Pin

10、wheel 技術(shù)的天線 ;采用扼流線 圈）; 可能時(shí),延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間 ,最好在一天的不同時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)。2.4 周跳 衛(wèi)星信號(hào)被障礙物暫時(shí)阻擋或受無(wú)線電信號(hào)干擾產(chǎn)生整周跳變即周跳。對(duì) 周跳必須進(jìn)行修復(fù) , 檢驗(yàn)和使用周跳的方法通常有 : 屏幕掃描法 , 多項(xiàng)式擬合法 , 衛(wèi)星間求差法。根據(jù)殘差修復(fù)整周跳變。解決周跳的根本途徑是提高外業(yè)觀測(cè) 的條件,重視選點(diǎn)條件等 , 人為地避免周跳的發(fā)生。3 與接收機(jī)有關(guān)的誤差GPS測(cè)量的主要觀測(cè)量是衛(wèi)星信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)的時(shí)間延遲 , 為了測(cè)量時(shí) 間延遲,要在接收機(jī)內(nèi)復(fù)制測(cè)距碼信號(hào) , 并通過(guò)接收機(jī)的時(shí)間延遲器進(jìn)行 A相移, 使復(fù)制的碼信號(hào)與接收到的相應(yīng)碼信號(hào)達(dá)

11、到最大相關(guān) , 其必須的相移量 , 便是衛(wèi) 星發(fā)射的碼信號(hào)到達(dá)接收機(jī)天線的傳播時(shí)間。衛(wèi)星發(fā)射碼與接收機(jī)內(nèi)復(fù)制的相 應(yīng)測(cè)距碼之間的相位差 , 通常其大小約為碼元寬度的 1%。根據(jù)相位差與碼元寬 度的這種關(guān)系 , 我們可初步估計(jì)各種波長(zhǎng)的信號(hào)的觀測(cè)精度。與接收機(jī)有關(guān)的誤差還包括接收機(jī)鐘差、通道間的偏差、鎖相環(huán)延遲、碼 跟蹤環(huán)偏差、天線相位中心的偏差、和天線的安置精度。要減弱接收設(shè)備的誤 差對(duì)觀測(cè)精度的影響 , 必須在作業(yè)前先了解儀器的性能、工作特性及其要達(dá)到的 精度要求,制定好 GPS作業(yè)計(jì)劃,這也是 GPS定位測(cè)量順利完成的保證。因此 ,必 須定期對(duì) GPS接收機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn) , 檢驗(yàn)項(xiàng)目有 : 天線相位中心穩(wěn)定性測(cè)試 ; 內(nèi)部 噪聲水平測(cè)試 ; 野外作業(yè)性能及不同測(cè)程精度指標(biāo)的測(cè)試 ; 頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗(yàn) 和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià) ; 高低溫性能測(cè)試。4 野外工作失誤對(duì)于野外工作失誤 （如: 錯(cuò)誤的測(cè)量天線高、錯(cuò)誤的測(cè)站名、對(duì)中整平誤 差、選擇了錯(cuò)誤的天線類型 ）和矛盾的接收機(jī)設(shè)置 （如: 數(shù)據(jù)采樣率不一致、鐘漂 移率過(guò)大、高度截止角過(guò)高、衛(wèi)星開啟或禁用混亂、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一 ）, 產(chǎn)生的 錯(cuò)誤或粗差 , 我們可以通過(guò)嚴(yán)