GPS測量的誤差及其對策探討

摘 要:本文探討了GPS測量方法與數據處理，并重點分析了GPS測量的誤差。為更好地利用GPS測量技術提供了相關理論基礎。

關鍵詞:GPS測量 誤差分析 數據處理

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

1 前言

全球定位系統又被稱為GPS，通過地球上的接收機，GPS測量可以接收人造衛星發出的電波，并加以分析，測量出該地的三維坐標值。由于其具有著快速、高精度及全天候等常規測量不具有的優點，而深受喜愛。它在測繪中的應用包括地震預測、地圖測繪、建立和測定大地控制網點等。

2 GPS測量方法

GPS測量主要分為實時動態測量、相對定位及單點定位。

2.1 單點定位

相對于實時動態測量與相對定位，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數據，可以利用三顆衛星發出的電波，若接收機的計時誤差需要修正，應增加觀測信號?。一般情況下，單點定位應能接收四科衛星的信號。然而由于只用一臺接收機與天線求三維坐標值，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 動態測量

在測量區選定一個基準點，設置天線與接收機在已知點上作為固定基準點，跟蹤可見衛星，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秒鐘，這種測量方法就是動態測量。與靜態測量相比，動態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 快速靜態測量

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

2.2.3 靜態測量

這種測量方法是以兩臺以上的天線和接收機放置在數條基線的兩端測站點上，同步觀測衛星。觀測數據經計算程序處理后，求得各觀測站點的坐標值。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 實時動態測量

2.3.1 快速靜態測量

在每一用戶上，GPS接收機靜止地觀測，同時利用接收的基準站觀測數據，實時地解算用戶測點與整周未知數的坐標值。定為精度較高。

2.3.2 動態測量

在某一起始點上，靜止觀測數分鐘，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，利用基準站的同步觀測數據確定采樣點的空間位置。這種測量方法的定位精度可以達到厘米級。

2.3.3 準動態測量

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，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分鐘，同時利用同步觀測數據，解算流動站的三維坐標值。

3 GPS測量數據處理

3.1 數據預處理

進行GPS數據預處理是為了獲得GPS觀測基線向量，并對成果進行檢核。預處理是為進一步的平差計算作準備，對原始數據進行編輯加工整理，并產生專用信息文件。

3.2 GPS網的平差處理

在進行過質量檢核后，以獨立基線組成的閉合圖形、三線基線與其相應協方陣作為觀測信息，然后以一個點的三維坐標作為依據，進行GPS網坐標轉換與平差處理。

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

4 GPS測量的誤差及其對策

根據誤差的性質可分為:系統誤差和偶然誤差。系統誤差主要包括衛星的軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差、以及大氣折射的誤差等。為了減弱和修正系統誤差對觀測量的影響，一般根據系統誤差產生的原因而采取不同的措施:引入相應的未知參數，在數據處理中聯同其他未知參數一井求解;建立系統誤差模型，對觀測量加以修正;將不同觀測站，對相同衛星的同步觀測值求差，以減弱和消除系統誤差的影響;簡單地忽略某些系統誤差的影響。偶然誤差包括多路徑效應誤差和觀測誤差等。

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

多路徑效應，也稱多路徑誤差，即接收機天線除直接收到衛星發射的信號外，還可能收到經天線周圍地物一次或多次反射的衛星信號。兩種信號迭加，將引起測量參考點位置變化，使觀測量產生誤差。在一般反射環境下，對測碼偽距的影響達米級，對測相偽距影響達厘米級。在高反射環境中，影響顯著增大，且常常導致衛星失鎖和產生周跳。措施是安置接收機天線的環境應避開較強發射而，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;適當延長觀測時間，削弱周期性影響;改善接收機的電路設計。

接收設備有關的誤差，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接收機一般設有高精度的石英鐘，日頻率穩定度約為10～11。如果接收機鐘與衛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，在數據處理中求解;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，如鉚、艷原子鐘，提高接收機時間標準精度。

其他誤差來源有地球自轉影響、相對論效應、衛星鐘和接收機鐘震蕩器的隨機誤差、大氣折射模型和衛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等都會對觀測量產生影響。為提高長距離相對定位的精度，滿足地球動力學研究要求，研究這些誤差來源，并確定它們的影響規律和改正方法，有重要意義。