GPS測量的誤差及其對策探討

摘 要:本文探討了GPS測量方法與數(shù)據(jù)處理，并重點分析了GPS測量的誤差。為更好地利用GPS測量技術(shù)提供了相關(guān)理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:GPS測量 誤差分析 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號:P228文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0131-01

1 前言

全球定位系統(tǒng)又被稱為GPS，通過地球上的接收機，GPS測量可以接收人造衛(wèi)星發(fā)出的電波，并加以分析，測量出該地的三維坐標(biāo)值。由于其具有著快速、高精度及全天候等常規(guī)測量不具有的優(yōu)點，而深受喜愛。它在測繪中的應(yīng)用包括地震預(yù)測、地圖測繪、建立和測定大地控制網(wǎng)點等。

2 GPS測量方法

GPS測量主要分為實時動態(tài)測量、相對定位及單點定位。

2.1 單點定位

相對于實時動態(tài)測量與相對定位，單點定位比較簡單，它與四點距離交會相似。如果需要求一個點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以利用三顆衛(wèi)星發(fā)出的電波，若接收機的計時誤差需要修正，應(yīng)增加觀測信號?。一般情況下，單點定位應(yīng)能接收四科衛(wèi)星的信號。然而由于只用一臺接收機與天線求三維坐標(biāo)值，定點精度比較差，測量誤差通常在幾十米。所以，測量定位通常不能用單點定位。

2.2 相對定位

2.2.1 動態(tài)測量

在測量區(qū)選定一個基準(zhǔn)點，設(shè)置天線與接收機在已知點上作為固定基準(zhǔn)點，跟蹤可見衛(wèi)星，并將另一臺流動接收機置于未知的觀測點上，在對所測衛(wèi)星跟蹤而不失鎖的情況下，使接收機可以在各觀測點上觀測數(shù)秒鐘，這種測量方法就是動態(tài)測量。與靜態(tài)測量相比，動態(tài)測量雖然能夠高效測量多個未知點，但其精度不理想。

2.2.2 快速靜態(tài)測量

這種測量方法是在觀測中選定一個基準(zhǔn)站使一臺接收機在已知控制點的基準(zhǔn)站上不動，另幾臺接收機移動到各待定點，并觀測數(shù)分鐘，然后，再移至下點作出類似觀測。

2.2.3 靜態(tài)測量

這種測量方法是以兩臺以上的天線和接收機放置在數(shù)條基線的兩端測站點上，同步觀測衛(wèi)星。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)計算程序處理后，求得各觀測站點的坐標(biāo)值。這種測量方法的精度較高。可以用于一些精度要求較高的控制測量工程測量中。

2.3 實時動態(tài)測量

2.3.1 快速靜態(tài)測量

在每一用戶上，GPS接收機靜止地觀測，同時利用接收的基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)，實時地解算用戶測點與整周未知數(shù)的坐標(biāo)值。定為精度較高。

2.3.2 動態(tài)測量

在某一起始點上，靜止觀測數(shù)分鐘，進行初始化工作，然后，運動的接收機按采樣間隔自動進行觀測，利用基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)確定采樣點的空間位置。這種測量方法的定位精度可以達(dá)到厘米級。

2.3.3 準(zhǔn)動態(tài)測量

在觀測工作開始前，流動的接收機首先在某一起點上靜止地進行觀測，采用快速解算整周未知數(shù)，進行實時初始化工作。流動的接收機在觀測站上需靜止觀測數(shù)分鐘，同時利用同步觀測數(shù)據(jù)，解算流動站的三維坐標(biāo)值。

3 GPS測量數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

進行GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理是為了獲得GPS觀測基線向量，并對成果進行檢核。預(yù)處理是為進一步的平差計算作準(zhǔn)備，對原始數(shù)據(jù)進行編輯加工整理，并產(chǎn)生專用信息文件。

3.2 GPS網(wǎng)的平差處理

在進行過質(zhì)量檢核后，以獨立基線組成的閉合圖形、三線基線與其相應(yīng)協(xié)方陣作為觀測信息，然后以一個點的三維坐標(biāo)作為依據(jù)，進行GPS網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與平差處理。

GPS定位中，影響觀測量精度的主要誤差來源分為三類:與衛(wèi)星有關(guān)的誤差;與信號傳播有關(guān)的誤差;與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。

4 GPS測量的誤差及其對策

根據(jù)誤差的性質(zhì)可分為:系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、以及大氣折射的誤差等。為了減弱和修正系統(tǒng)誤差對觀測量的影響，一般根據(jù)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因而采取不同的措施:引入相應(yīng)的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其他未知參數(shù)一井求解;建立系統(tǒng)誤差模型，對觀測量加以修正;將不同觀測站，對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱和消除系統(tǒng)誤差的影響;簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。偶然誤差包括多路徑效應(yīng)誤差和觀測誤差等。

GPS觀測量均以精密測量時為依據(jù)。GPS定位中，無論碼相位觀測還是載波相位觀測，都要求衛(wèi)星鐘與接收機鐘保持嚴(yán)格同步。實際上，盡管衛(wèi)星上設(shè)有高精度的原子鐘，仍不可避免地存在鐘差和漂移，偏差總量約在1ms內(nèi)，引起的等效距離可達(dá)300km。衛(wèi)星鐘的偏差一般可通過對衛(wèi)星運行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測精確地確定，通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶。經(jīng)鐘差模型改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差保持在20ns以內(nèi)，引起的等效距離偏差不到6m。各衛(wèi)星鐘經(jīng)過改正的殘差，在相對定位中，可通過觀測量求差(差分)方法消除。由于衛(wèi)星在運動中受多種攝動力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測站又難以可靠地測定這些作用力并掌握其作用規(guī)律，因此，衛(wèi)星軌道誤差的估計和處理一般較困難。目前，通過導(dǎo)航電文所得的衛(wèi)星軌道信息，相應(yīng)的位置誤差約20～40m。隨著攝動力模型和定軌技術(shù)的不斷完善，衛(wèi)星的位置精度將可提高到5～10m。衛(wèi)星的軌道誤差是當(dāng)前GPS定位的重要誤差來源之一。衛(wèi)星軌道偏差對絕對定位的影響可達(dá)幾十米到一百米。而在相對定位中，由于相鄰測站星歷誤差具有很強的相關(guān)性，因此對相對定位的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對絕對定位的影響，不過，隨著基線距離的增加，衛(wèi)星軌道偏差引起的基線誤差將不斷加大。

多路徑效應(yīng)，也稱多路徑誤差，即接收機天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號。兩種信號迭加，將引起測量參考點位置變化，使觀測量產(chǎn)生誤差。在一般反射環(huán)境下，對測碼偽距的影響達(dá)米級，對測相偽距影響達(dá)厘米級。在高反射環(huán)境中，影響顯著增大，且常常導(dǎo)致衛(wèi)星失鎖和產(chǎn)生周跳。措施是安置接收機天線的環(huán)境應(yīng)避開較強發(fā)射而，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面;選擇造型適宜且屏蔽良好的天線如扼流圈天線;適當(dāng)延長觀測時間，削弱周期性影響;改善接收機的電路設(shè)計。

接收設(shè)備有關(guān)的誤差，主要包括觀測誤差、接收機鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不確定性影響。觀測誤差，除分辨誤差外，還包括接收天線相對測站點的安置誤差。分辨誤差一般認(rèn)為約為信號波長的l%。安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線相位中心高度(天線高)誤差。接收機鐘差，GPS接收機一般設(shè)有高精度的石英鐘，日頻率穩(wěn)定度約為10～11。如果接收機鐘與衛(wèi)星鐘之問的同步差為ls，則引起的等效距離誤差為300m。處理接收機鐘差的方法，作為未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解;利用觀測值求差方法，減弱接收機鐘差影響;定位精度要求較高時，可采用外接頻標(biāo)，如鉚、艷原子鐘，提高接收機時間標(biāo)準(zhǔn)精度。

其他誤差來源有地球自轉(zhuǎn)影響、相對論效應(yīng)、衛(wèi)星鐘和接收機鐘震蕩器的隨機誤差、大氣折射模型和衛(wèi)星軌道攝動模型誤差、地球潮汐以及信號傳播的相對論效應(yīng)等都會對觀測量產(chǎn)生影響。為提高長距離相對定位的精度，滿足地球動力學(xué)研究要求，研究這些誤差來源，并確定它們的影響規(guī)律和改正方法，有重要意義。