GPS定位測量相關誤差分析及修正

2016-01-19 02:46:32張珍云

湖北工程學院學報 2015年6期

張珍云

(湖北工程學院新技術學院，湖北孝感 432000)

GPS定位測量相關誤差分析及修正

張珍云

(湖北工程學院新技術學院，湖北孝感 432000)

摘要：GPS測量技術以其卓越的性能已成功應用于諸多領域，對其測量精度的要求也越來越高。從GPS自身的測量精度、與衛星自身相關的誤差、與信號傳播途徑相關的誤差以及與接收設備相關的誤差四個方面詳細分析了測量過程中存在相關誤差的原因，并相應地提出了避免或減小每種誤差的方法。

關鍵詞：GPS測量;誤差分析;誤差修正

中圖分類號：P228.5

文獻標志碼：碼：A

文章編號：號：2095-4824(2015)06-0124-04

收稿日期：2015-09-03

作者簡介：張珍云(1988-),女，湖北孝感人，湖北工程學院新技術學院助教，碩士。

Abstract：The measuring techniques of GPS have been successfully applied in many areas due to its excellent performance, while the requirements of measurement accuracy also increase with each passing day. The paper makes an analysis of the errors in the measurement and its causes from four aspects, including the measuring accuracy of GPS, the errors related to satellites, the errors related to the ways of transforming signals and the errors related to the receiving equipments. Besides, the approaches to reduce or avoid each kind of errors are accordingly proposed.

GPS系統是一種采用空間距離交會法的衛星導航定位系統[1]。GPS衛星定位的基本原理就是利用多個衛星的已知空間瞬間位置，以GPS衛星和GPS接收機天線之間的距離差為觀測量，通過距離交會法求得地面GPS接收機的位置。GPS接收機不僅可以從衛星導航電文中解算出衛星的運行軌道參數，計算出衛星的空間位置，還可以精確地測量出各個衛星信號的發射時間。將衛星信號的發射時間與GPS接收機的信號接收時間相減，所得的差與光速相乘結果便是GPS接收機天線至衛星的相對距離。

1誤差分類

在GPS測量中影響其定位準確度和可靠性的因素很多，使用GPS定位時，誤差主要可分為四大部分，即GPS自身的測量精度引起的誤差、衛星自身相關引起的誤差、信號傳播途徑相關的誤差和接收設備引起的誤差。與衛星設備有關的誤差包括衛星鐘差、星歷誤差以及由相對論效應引起的誤差。與信號傳播路徑有關的誤差包括電離層延遲誤差、對流層延遲誤差、多路徑傳播和其他原因產生周跳引起的誤差。接收設備有關的誤差主要是接收機噪聲誤差和接收機通道間偏差。

1.1GPS測量精度

GPS的測量精度主要有兩種重要因素：測量誤差和衛星與用戶的幾何位置[2]。通常使用幾何精度因子(GDOP)來描述空間位置精度因子(PDOP)和接收機鐘差精度因子(TDOP)的綜合影響，它們之間的關系是。GPS絕對定位的誤差與精度因子(DOP)的大小成正比，精度因子的大小與所測衛星的幾何分布圖形有關。衛星在空間中分布范圍越大，觀測站與4顆觀測衛星所構成的六面體體積也越大，此時GDOP值越小，觀測精度也相應的越好。通常需要限制觀測衛星的高度角來降低大氣層折射引起的觀測誤差。

1.2與衛星自身有關的誤差

(1)衛星鐘差。衛星鐘差不僅包括由鐘差、頻偏、頻漂等產生的誤差,而且包含衛星鐘的隨機誤差[3]。盡管GPS衛星均安裝了高準確度的原子鐘，偏差總量在1 ms以內，但它們引起的等效距離偏差可達300 m。GPS定位時觀測量均以準確的測定信號傳播時間為前提，其中衛星鐘差會對偽碼測距和載波相位測量產生誤差。衛星偏差值可通過地面監控站對衛星的監測測得。該偏差值一般可用二項式來表示：

δtj=a0+a1(tj-toc+a2(tj-toc)2)

(1)

式中：toc——衛星鐘差參數的參考時刻；tj——計算衛星種差的時刻；a0，a1，a2——衛星鐘參數，這些參數可從衛星導航電文中獲得。通過二項式模擬衛星鐘差可以確保衛星鐘與GPS

標準時同步在20 ns以內，由此引起的等效距離偏差在6 m以內。如果需要進一步消弱星鐘誤差，可以通過差分定位的方法來實現。

(2)星歷誤差。衛星的廣播星歷參數或其他軌道信息所給出的衛星位置與衛星的真實位置之間的偏差稱為星歷誤差(或稱軌道誤差)，如圖1所示。使用GPS廣播星歷推算衛星軌道時，其位置誤差約為2 030 m。

圖1　星歷誤差示意圖

衛星在運行中會受多種攝動力的交叉影響，由于這些隨機因素的存在，測量站不能精確可靠的判斷它們與衛星間的作用規律，因而測定的衛星軌道會有誤差。星歷誤差是另外一種系統誤差，因此同一時段內多次重復測量也無法消除，但是星歷誤差對距離相近的測量站間的影響也近似相同。有三種方法可以有效消除星歷誤差。第一，建立衛星觀測網獨立定位法；第二，相對定位差分技術法；第三，軌道松弛法。目前，消除星歷誤差最簡單易行的辦法是差分定位。

1.3與信號傳播路徑有關的誤差

(1)電離層延時誤差。電離層是高度位于50 km至1 000 km之間的大氣層[4]。由于電離層內正離子和自由電子的電子密度呈非均勻分布狀態，GPS衛星信號通過電離層時會產生折射現象，信號的傳播路徑會發生彎曲，信號的傳播速度也將發生變化。信號傳播時間與真空中光速相乘得到的距離會與衛星至接收機間的幾何距離有偏差，稱之為電離層折射誤差。GPS信號在測量站天頂方向的延遲白天可達30 ns(約10 m)，夜間則在3 ns到10 ns之間(約1～3 m)。信號傳播方向的延遲與觀測仰角有關，在30～50 ns之間(約5～9 m)。電離層折射誤差必須加以修正，否則會產生較大的定位誤差。

信號傳播路徑上電子總量是電離層引起誤差的主要因素，而電子總量又由載波頻率、觀測方向的仰角、觀測時電離層的活動狀況等因素決定。電離層引起的測距誤差可表示為：

(2)

削弱電離層折射誤差影響的方法有三種。一是使用電離層模型修正，一般使用導航電文提供的電離層延遲模型來減弱電離層誤差的影響。天頂方向的電離層延遲為：

(3)

式中DC=5ns；T=14h，其他參數均可從導航電文中獲得。對于非天頂方向的電離層延遲，可用下式進行計算：

(4)

式中：z是衛星信號和中心電離層交點處的天頂距。

二是在雙頻接收機的情況下，利用無電離層組合(L3)消除電離層影響，其組合為：

φLC=φ1-ρφ2

(5)

由于電離層折射的產生因素非常多，很難建立嚴格的修正模型，其殘差仍然很大。另一種對兩種模型均有效的方法是同步觀測值求差，這種方法適用于短基線的情況，若兩個測量站相距較近(20 km)，則測量站間電離層的電子密度和衛星的高度角基本相似，此時衛星信號傳播到兩個測量站經過的介質、路徑狀況均相似，使用多臺GPS接收機同步對同組衛星的觀測值求差可有效消弱電離層折射誤差。

(2)對流層延時誤差。對流層折射誤差是高度為50 km以下的大氣底層的折射誤差。在對流層中大氣包含干大氣分量和濕大氣分量，信號在對流層中90%的延遲是由大氣中干燥氣體引起的[5]，即干大氣分量，其余10%的延遲由水汽引起的，即濕大氣分量。濕大氣分量數值雖不大，但卻是影響對流層延遲改正精度的重要因素。大氣層中水汽分布不僅在時間和空間上變化巨大，而且隨緯度和高度的變化而變化，現有的對流層延遲改正模型仍不能完全改正濕大氣分量。

目前，采用的對流層折射改正模型有多種，采用最為廣泛的是赫普菲爾德模型，表示為：

ΔS=ΔSd+ΔSw

(6)

式中：E——衛星高度角，ΔS——對流層折射改正值，Kd、Kw、hd、hw，分別表示為：

(7)

(8)

hd=40 136+148.72(Ts-273.16)

(9)

hw=1 100

(10)

式中：Ts—測站的絕對溫度(K)；Ps——測站的氣壓(100Pa)；es—測站的水氣壓(100Pa)；hs——測站的高程(m)；hd——對流層外邊緣的高度(m)。

可以采用對流層修正模型、同步觀測求差法，或者引入描述對流層影響的待估參數三種方法來削弱對流層折射誤差對測量精度的影響。

(3)多路徑誤差。GPS測量時信號從高空向地面發射衛星信號時，周圍反射物所反射的衛星信號和直接來自衛星的信號疊加進入GPS接收機天線并產生干涉效應，使觀測值與真實值產生偏差，即多路徑誤差，如圖2所示。

圖2　多路徑效應

一般環境下，多路徑誤差對三維坐標精度的影響在59 cm之間，在極端高反射情況下，它對測量精度的影響可達15 cm。多路徑效應是影響GPS測量精度的一個重要因素，甚至還可能導致GPS接收機的相位失鎖。GPS接收機觀測值中大部分的周跳都是由多路徑誤差引起的。接收機天線附近的樹木、建筑、水體、沙灘、山坡以及大功率無線電發生器和高壓輸電線等都會使GPS信號產生鏡面反射[6]。測量站天線位置的選擇要盡可能避開這些地形地貌。提高天線高度、增加觀測時間、選擇能抑制多路徑效應的天線、用小波對觀測數據進行濾波等措施能有效減小多路徑誤差。

1.4與接收設備有關的誤差

(1)接收機鐘差。接收機鐘差即GPS接收機的時鐘與GPS標準時之間的差異。接收機鐘差是影響觀測量精度的重要因素，而鐘的質量與使用環境很大程度上影響著鐘差的大小。盡管通過采用石英晶體振蕩器作為頻標可以使GPS接收機日頻率穩定度達到10-11精度，但其頻率穩定性仍遠不及衛星鐘使用的原子振蕩器，這對載波相位觀測的影響仍不可忽視，由此而引起的等效距離誤差甚至可達300 m。目前，處理接收機鐘差比較常用的方法是修正接收機鐘差。一般認為各觀測時刻的接收機鐘差間是相關的。首先把每個時刻測量的接收機鐘差作為一個獨立未知數列入觀測方程，然后將其與測量站的位置參數平差計算求解多項式的系數，最后通過在衛星間一次差分的方法來削弱接收機鐘差的影響。

(2)天線相位中心誤差。測量時的數據均以GPS接收機天線的相位中心為準，但實際測量時，如果信號輸入強度、頻率、方位角和高度角等發生變化，GPS接收機天線的相位中心也會有所變化，由此天線相位中心誤差。根據天線性能好壞的差異，天線相位中心誤差對定位精度的影響一般在毫米級到厘米級之間。顯然，這對精密定位而言不容忽視，在天線設計時如何減少相位中心的偏移是一個非常關鍵的問題。

天線相位偏心改正可用下式進行描述：