針對GPS誤差來源進行數據采集與處理的方法

摘 要: GPS是通過地面監控站對衛星監測，測試衛星鐘的偏差，并使用二項式模擬衛星的誤差，保證衛星鐘與標準GPS時間同步，進一步消弱剩余衛星鐘殘差后，使用差分技術來實現定位的一種方法。定位時在偽距單點定位、載波相位測量和整周跳變等方面都存在一定的誤差。因此，對于分析其誤差來源，進而采用正確的數據采集與處理方法，確保定位的精度具有十分重要有意義。

關鍵詞: GPS系統 誤差 數據采集與處理 定位精度

全球定位系統(GPS)是美國國防部研制的采用距離交會原理進行工作的一種衛星導航定位系統。該系統具有全球性、全天候、高精度、快速實時的三維導航、定位和授時功能。其主要由衛星、地面監控與用戶設備三部分組成。GPS系統定位時在偽距單點定位、載波相位測量和整周跳變等方面都存在一定的誤差，這對其測量的精度也有一定的影響，因此對其誤差的來源進行分析，并采用正確的方法進行數據采集與處理，以便獲得更高的定位精度就顯得很有必要。

一、GPS系統的誤差來源

(一)衛星鐘誤差

雖然衛星上采用的是原子鐘(銫鐘和銣鐘)。但是，這些鐘與GPS標準時之間還會有偏差和漂移發生。而GPS定值所需的觀測都是以精密測時為依據的，衛星鐘的誤差將會對偽碼測距和載波相位測量產生誤差。衛星鐘偏差總值達1毫秒，產生的等效誤差將達300千米。

GPS定位系統通過地面監控站對衛星監測，測試衛星鐘的偏差，用二項式模擬衛星的誤差，并保證衛星與標準GPS時間同步在20納秒之間，由此引起的等效偏差不會超過6米。要想進一步消弱剩余衛星殘差，可以通過差分技術來實現。

(二)衛星星歷誤差

衛星星歷是GPS衛星定位中的重要數據。衛星星歷是由地面監控站跟蹤監測GPS求定的。由于地面監測站測試的誤差，以及衛星在空中運行受到多種攝動力的影響，地面監控站難以充分可靠地測定這些作用力的影響，使得測定的衛星軌道會有誤差;另外，由地面注控站給衛星的廣播星歷和由衛星向地面發送的廣播星歷，都是由地面監測的衛星軌道外推出來的，使得由廣播星歷提供的衛星位置與衛星實際位置之間有誤差，對于長基線，廣播星歷誤差將是影響定位精度的重要原因。另外，衛星歷誤差對相距不太遠的兩個測站定位影響大體相同。因此，采用同步觀測求差，即采用兩個或多個測站上對同一衛星信號進行同步觀測，然后求差，就可以減弱衛星軌道誤差的影響。

(三)電離層延遲誤差

從地面70千米向上直到大氣層都為電離層。在太陽的紫外線及高能粒子作用下，該區域中的氣體分子和原子將產生電離形成自由電子和正離子。帶電粒子的存在將影響天線電信號，使傳播速度發生變化，傳播路徑產生彎曲，產生所謂的電離層延遲誤差。對于電離層延遲的影響，可以利用電離層模型加以改正。在導航電文中提供電離層改正模型。

(四)對流層延遲誤差

從地面向上至40千米為對流層，大氣層中質量99%都集中在此層中。這一層也是氣象現象主要出現的地區。電磁波在其中的傳播速度與大氣的折射率有關外，而且有電磁波傳播方向有關，在天頂方向延遲可達2.3米，在高度角10°時可達20米，而與頻率無關。減少對流層折射對電磁波延遲影響方法，可以利用模型改正。實測地區氣象資料利用模型改正，能減少對流層對電磁波延遲達92%至93%。

(五)多路徑效應影響誤差

GPS衛星信號從2000千米高空向地面發射，若接收機天線周圍有高大建筑物或水面時，建筑物和水面對于電磁波有強反射作用。天線接收機的信號不但有直接從衛星發射的信號，還有從反射的電磁波，這兩種信號疊加作為觀測量，定位會產生誤差，該誤差稱為多路徑效應，為減少多路徑效應影響，在安置天線時，應避開強反射物。

二、GPS數據采集與處理的方法

數據采集是采集、記錄觀測資料和其他有關信息的過程。在GPS測量中采集的數據一般有:一是各種觀測值;二是衛星導航電文;三是相關點號、點名、地理與平面坐標、高程等。外業觀測的最終目的就是為了完成數據采集工作。

(一)數據采集的方法

數據采集時應注意的方面有很多，在觀測時段上，從測站上開始搜索、接收衛星信號起至停止觀測間的連續工作時間段，不同等級的GPS測量對時段長度及時段數有不同的要求。在采樣的間隔上，接收機中一般設有多種采樣間隔供用戶選擇。靜態定位一般可選用較大的時間間隔，如15秒或30秒;動態定位一般應選用較小的采樣間隔，如5秒或1秒，取決于用戶的運動速度及精度要求。另一方面是在截止高度角上，數據采集中設置的截止高度角有一個限值，只有當衛星高度角接近此限值時才能觀測，當衛星高度角過小時對流層延遲，對流層延遲將迅速增大且難以準確確定;截止高度角過大時，衛星的幾何圖形將變壞，許多有用的觀測值將被丟失，都會對定位產生不利影響。

站址的選擇上，一是要選擇在地質條件良好，點位穩定，交通方便，點位易于長期保存。便于安置儀器設備及安全方便地進行操作的地方。二是測站上空視野開闊，高度角在15°以上無成片障礙物，以保證衛星信號的順利接收。三是要遠離電視臺、微波中繼站等大功率無線電發射源的距離要大于400米以上，離高壓線、變壓器等的距離要在100米以上。四是選站時應盡量避開在面積水域、廣告牌、建筑物等信號反射物，以避免產生多路徑誤差。五是要充分利用原有控制點的標石，有利于用常規方法進行、擴展和平面控制網的加密。

(二)數據的處理的方法

在數據采集好后，還要進行數據的檢驗。檢驗的方法有幾種方法:

1.使用獨立基線向量檢驗。若一組基線向量中的任何一條基線向量皆無法用其他基線向量的線性組合來表示，則該組基線向量就是一組獨立的基線向量。用n臺接收機進行同步觀測時可求得n條獨立的基線向量，但其中最多只能選出(n-1)條獨立的基線向量，通常只有獨立基線向量才能參加控制網平差。

2.使用同步環檢核。當有三臺或三臺以上的GPS接收機進行同步觀測所獲得的基線向量構成的閉合環稱為同步環，同步環閉合差從理論上講應等于零，但由于計算環中各基線向量時所使用的觀測資料并不嚴格同步，數據處理軟件不夠完善和計算過程中的誤差的影響等原因，同步環閉合差實際上并不等于零。同步環閉合差只從某一側面反映GPS測量的質量，由于許多誤差(如對中誤差、量取天線高時出現的誤差等)是無法在同步環閉合差中得以反映的，因此即使同步環閉合差很小也并不意味著觀測質量一定很高。

3.采用多基線解。將同一時段中參加同步觀測的各臺接收機(n>3)的觀測資料一并進行平差計算，求出各站的從標及協方差陣(其中一站的坐標應已知)的數據處理方法。這種方法可得出惟一解，理論上較為嚴密。參加網平差時可任意選擇(n-1)條獨立的基線向量。由于解算的工作量較大，對計算的要求較高，故一般用在精度較高的規模較大的GPS測量控制網中。

4.采用異步環檢核。由獨立基線向量組成的閉合環稱為異步環。我們可以根據GPS測量精度要求，為異步環閉合差制定一個合適的限差。這樣就可以通過此項檢驗較為科學地評定GPS測量的質量。對于一些不合常理的數據，可以進行數據剔除，以提高測量的精度。

參考文獻:

[1]陳麗華.土木工程測量[M].杭州:浙江大學出版社，2003.