淺析GPS測(cè)量的誤差及對(duì)應(yīng)措施

1、淺析GPS測(cè)量的誤差及對(duì)應(yīng)措施朱道璋 張永紅（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院 江西 南昌330029）摘要 本文主要探討了GPS測(cè)量誤差源中的電離層、對(duì)流層對(duì)GPS信號(hào)傳播的延遲、多路徑效應(yīng)和接收機(jī)誤差及其對(duì)應(yīng)措施。關(guān)鍵詞 GPS 誤差 措施1引言GPS （ Global Positioning System ）衛(wèi)星定位系統(tǒng)轉(zhuǎn)為民用后，其應(yīng)用領(lǐng)域已滲透到我們生活的各個(gè)方面，如水利、交通、氣象、自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)等等。由于GPS定位系統(tǒng)是基于美國(guó)軍方的國(guó)家戰(zhàn)略研發(fā)的，所以其對(duì)外開放的徹底性還有所保留；加上整個(gè)系統(tǒng)本身研發(fā)時(shí)的局限性和民用領(lǐng)域的不斷延伸，所以同其它測(cè)量手段一樣GPS測(cè)量誤差也不可避免。GPS測(cè)量

2、誤差按其生產(chǎn)源可分三大部分：一是GPS衛(wèi)星的自身誤差。包括星歷誤差、鐘誤差和相對(duì)論效應(yīng)；二是GPS信號(hào)的傳輸誤差。包括太陽(yáng)光壓、電離層延遲、對(duì)流層延遲、多路徑傳播和由它們影響或其他原因產(chǎn)生的周跳。三是GPS接收機(jī)的誤差。主要包括鐘誤差、位置誤差、天線相位中心偏差等。另外在高精度的GPS測(cè)量中，還應(yīng)注意到與地球整體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的地球潮汐、負(fù)荷潮及相對(duì)論效應(yīng)等的影響。按GPS誤差性質(zhì)又可分為系統(tǒng)誤差與偶然誤差。偶然誤差主要包括信號(hào)的多路徑效應(yīng)，而系統(tǒng)誤差則是GPS測(cè)量的主要誤差源。由于篇幅的關(guān)系，從以上GPS測(cè)量眾多誤差中主要介紹和探討GPS的第二種誤差，即電離層延遲、對(duì)流層延遲、多路徑效應(yīng)和接收機(jī)的

3、誤差。2GPS測(cè)量的誤差2.1 電離層信對(duì)號(hào)傳播的延遲1 電離層對(duì)信號(hào)的影響所謂電離層，指地球上空距地面高度在50km1000km之間的大氣層。電離層中的氣體分子由于受到太陽(yáng)等天體各種射線輻射，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離形成大量的自由電子和離子。當(dāng)GPS信號(hào)通過(guò)電離層時(shí)，如同其他電磁波一樣，信號(hào)的路徑發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)發(fā)生變化。電離層含有較高密度的電子，它與太陽(yáng)黑子活動(dòng)狀況、地球上地理位置的不同、季節(jié)變化和不同時(shí)間有關(guān)。據(jù)資料分析，電離層電子密度白天約為夜間的5倍；一年中，冬季為夏季的4倍；太陽(yáng)黑子活動(dòng)最激烈時(shí)可為最小時(shí)的4倍。另外，電磁波傳播延遲還與電磁波傳到GPS天線的方位有關(guān)。水平方向比天頂方向

4、遲延最大可差3倍。與接收機(jī)視線方向上的電子密度有關(guān)，在垂直方向上延遲值在夜間平均可達(dá)3m左右，白天可達(dá)15m，在低仰角情況下分別可達(dá)9m和45m，在反常時(shí)期這個(gè)值還會(huì)加大。2在赤道和地極附近存在著嚴(yán)重的電離層赤道擾動(dòng)和地極擾動(dòng)赤道擾動(dòng)。最壞的電離層影響是在赤道附近。強(qiáng)烈影響大概在±10°以內(nèi)的區(qū)域，此影響可延續(xù)至赤道兩邊的±30°。擾動(dòng)一般在日落到午夜發(fā)生，延續(xù)到第二天黎明。地極擾動(dòng)。它沒有赤道附近那么強(qiáng)烈，它的發(fā)生與磁暴活動(dòng)有關(guān)，它主要是位于磁緯的69°70°的極光帶。在強(qiáng)磁暴期間，這些極光影響能延伸到中緯度地區(qū)，使周跳數(shù)增多。3

5、減弱電離層影響的措施（1）利用雙頻接收機(jī)觀測(cè)，可有效地減弱電離層折射的影響；（2）利用電離層改正模型加以修正；（3）利用同步觀測(cè)值求差。這種方法對(duì)于短基線的效果尤為明顯，這時(shí)經(jīng)電離層折射改正后基線長(zhǎng)度的殘差一般為1ppm。這很適合于我們一般的短距離的相位定位工程測(cè)量觀測(cè)，既是單頻接收機(jī)也可達(dá)到相當(dāng)高的精度。2.2 對(duì)流層的信號(hào)傳播延遲對(duì)流層是高度為40mk以下的大氣底層，其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復(fù)雜，大氣層中質(zhì)量99%都集中在此層，這一層也是氣象現(xiàn)象主要出現(xiàn)的地區(qū)。對(duì)流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的上升而降低，GPS信號(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí)，也使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使

6、測(cè)量距離產(chǎn)生偏差，這種現(xiàn)象既為對(duì)流層折射。對(duì)流層的折射比電離層更復(fù)雜。對(duì)流層折射的影響與信號(hào)高度角有關(guān)，在天頂方向延遲可達(dá)2.3m，在高度角10度時(shí)延遲可達(dá)20m。對(duì)流層延遲與電離層延遲一樣，主要影響天頂方向，由于它們的相關(guān)性，在短基線測(cè)量中會(huì)很好的消除，用相位定位既可達(dá)到要求，在長(zhǎng)基線測(cè)量中采取雙頻接收機(jī)也能很好的減少其影響。對(duì)于對(duì)流層延遲，多用隨機(jī)過(guò)程模擬和濾波方法進(jìn)行參數(shù)估算及函數(shù)逼近方法模擬改正。好的數(shù)學(xué)模型改正，可以使基線天頂方向提高到水平方向(平面坐標(biāo))接近的水平。2.3 多路徑誤差多路徑誤差是指GPS信號(hào)射至其他的物體上又反射到GPS接收天線上，對(duì)GPS信號(hào)直接射至GPS接收天線

7、上的直接波的干擾。也就是天線接收的信號(hào)不但有直接從衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，還有從反射的電磁波，這兩種信號(hào)疊加作為觀測(cè)值，定會(huì)產(chǎn)生誤差，該誤差稱為多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)是GPS測(cè)量中一種重要的誤差源，將嚴(yán)重?fù)p害GPS測(cè)量的精度，嚴(yán)重時(shí)還將引起信號(hào)的失鎖。下表給出了不同反射物面對(duì)頻率為2GHZ的微波信號(hào)的反射系數(shù)a。水面稻田野地森林山地a損耗（分貝）a損耗（分貝）a損耗（分貝）a損耗（分貝）1.000.820.640.310多路徑誤差的大小，取決于反射波的強(qiáng)弱和用戶天線抗衡反射波的能力。用戶天線附設(shè)仰徑板，當(dāng)仰徑板半徑為40cm,天線高于1m至2m,可抑制多路徑影響。據(jù)大量資料的分析統(tǒng)計(jì)，多路徑誤差有以下

8、危害： 當(dāng)邊長(zhǎng)小于10km時(shí)，主要誤差源是天線的對(duì)中誤差和多路徑誤差； 多路徑誤差對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)的影響，在一般環(huán)境下可達(dá)59cm，在高反射環(huán)境下可達(dá)15cm; 在高反射環(huán)境(城鎮(zhèn)、水體旁、沙灘、飛機(jī)、艦船等)下，碼信號(hào)受多徑誤差的影響，可導(dǎo)致接收機(jī)的相位失鎖； 實(shí)踐證明，觀測(cè)值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的。接收機(jī)天線附近的水平面、垂直面和斜面都會(huì)使GPS信號(hào)產(chǎn)生鏡反射。天線附近的地形地物，例如建筑物、水面、道路、樹木、建筑物、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構(gòu)成鏡反射。因此，選擇GPS點(diǎn)位時(shí)應(yīng)特別注意避開這些地形地物，采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施。3結(jié)束語(yǔ)3.1 系統(tǒng)誤差是GPS

9、測(cè)量的主要誤差源 GPS誤差按性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。偶然誤差主要包括信號(hào)的多路徑效應(yīng)，系統(tǒng)誤差主要衛(wèi)星的星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及大氣折光誤差等。其中系統(tǒng)誤差無(wú)論從誤差的大小還是對(duì)定位的結(jié)果都比偶然誤差大得多，是GPS測(cè)量的主要誤差源。通過(guò)對(duì)GPS測(cè)量誤差的分析和探討，在實(shí)際作業(yè)中我們充分認(rèn)識(shí)到GPS觀測(cè)誤差的重要性。1. 在作業(yè)過(guò)程中，在GPS接收機(jī)滿足作業(yè)精度要求的情況下，測(cè)量的主要誤差源是多路徑誤差、周跳和點(diǎn)位的對(duì)中誤差。作業(yè)中應(yīng)盡量避免它們的發(fā)生并減少其誤差。2. 電離層延遲和對(duì)流層延遲主要影響基線測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的高差精度，兩點(diǎn)間高差愈大影響也愈大。如果改正公式和參數(shù)不恰當(dāng)

10、，它可能產(chǎn)生每1m高差就有1mm的誤差，即1mm/m(誤差/高差)。電離層和對(duì)流層延遲對(duì)平面坐標(biāo)(L、B或X、Y)影響甚微，幾乎沒有影響。電離層和對(duì)流層延遲具有相關(guān)性，基線愈短相關(guān)性越強(qiáng)，在短基線測(cè)量中它們的影響會(huì)有很好的消除。這就是邊長(zhǎng)短于10km時(shí)，單頻結(jié)果比雙頻結(jié)果精度高的原因。3. 由GPS測(cè)量的誤差源可以看出，GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)已免除了測(cè)角、邊角同測(cè)和測(cè)邊網(wǎng)等的傳統(tǒng)要求。它不需要點(diǎn)間通視，也不需要考慮布設(shè)什么樣的圖形，也就更不需要考慮圖形強(qiáng)度，不需要設(shè)置在制高點(diǎn)上(哪里需要就可以設(shè)置在哪里)。所以GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)是非常靈活的。但也應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題： 除了特殊需要，一般GPS基線長(zhǎng)度相差不

11、要過(guò)大，這樣可以使GPS測(cè)量的精度分布均勻； GPS網(wǎng)不要有開放式的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，應(yīng)構(gòu)成封閉式閉合環(huán)和子環(huán)路； 應(yīng)盡量消除多路徑影響，防止GPS信號(hào)通過(guò)其他物體反射到GPS天線上，因此應(yīng)避開強(qiáng)反射的地面，避開強(qiáng)反射環(huán)境，如大面積水面、建筑物等； 避開強(qiáng)電磁波干擾，設(shè)站應(yīng)遠(yuǎn)離雷達(dá)站、電臺(tái)、微波中繼站等。3.2 GPS的最新發(fā)展與改進(jìn)面對(duì)導(dǎo)航市場(chǎng)的迅速發(fā)展和強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，美國(guó)政府不得不作出反映，計(jì)劃在未來(lái)10年內(nèi)對(duì)GPS做一系列的調(diào)整和改進(jìn)。對(duì)GPS的改進(jìn)將對(duì)GPS系統(tǒng)的3個(gè)部分進(jìn)行，其中對(duì)星座部分的改進(jìn)最大。GPS星座的改進(jìn)(1)改善星座的分布(2)增強(qiáng)衛(wèi)星的自主導(dǎo)航能力 (3)增加民用頻率(4)

12、頻率復(fù)用(5)增強(qiáng)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的功率2地面監(jiān)控部分的改進(jìn)衛(wèi)星位置的精度直接影響到用戶的定位精度，而地面監(jiān)控站的數(shù)量和分布部分地決定了GPS衛(wèi)星定軌的質(zhì)量。目前GPS共有5個(gè)監(jiān)控站，衛(wèi)星位置的精度為1m2m。美國(guó)軍方正計(jì)劃將國(guó)家制圖局（NIMA）的7個(gè)GPS監(jiān)控站納入目前的控制網(wǎng)，使將來(lái)的監(jiān)控站的分布更加均勻、密度更大，為了計(jì)算衛(wèi)星的位置提供更多的、更及時(shí)的高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)在未來(lái)10年，衛(wèi)星星歷的精度將達(dá)到亞米級(jí)，甚至達(dá)到厘米級(jí)，同時(shí)，向衛(wèi)星上傳數(shù)據(jù)的頻率也將更高。3用戶接受部分的改進(jìn)由于用戶的用途不同，用戶接受機(jī)的改進(jìn)也是多樣化的。接收機(jī)的硬件部分正朝多樣化、小型化、模塊化、集成化、操作簡(jiǎn)單等方向發(fā)展，例如出現(xiàn)了一些新的接收機(jī)可根據(jù)用戶的需求用軟件設(shè)定單頻GPS、雙頻GPS等模式。接收機(jī)的面板上只有一、兩個(gè)按鈕和若干個(gè)顯