GPS誤差分析與精度控制探析

劉峻杉

摘要：全球衛星定位系統（GPS）主要用于定位與三維導航，其覆蓋范圍廣，能夠連續作業，并且具備較強的保密性和抗干擾性，因此被廣泛應用于氣象、通信、交通、軍事、航空等領域，發揮了重要作用。為提升GPS精度，本文主要分析了GPS測量誤差來源及改進措施。

關鍵詞：精度控制；GPS；誤差

GPS通過衛星實現精準的導航、定位，打破了傳統測量方法的局限，在眾多領域中都有所應用。GPS的精確度能夠在很大程度上影響其功能發揮，提升其精確度是研究人員的工作重點。下面將討論GPS測量誤差來源以及消除方法。

1 誤差來源

GPS在工作過程中存在的誤差來源主要包括以下三方面：

1.1 GPS接收機的問題

GPS 接收機自身存在問題也會產生數據誤差，因此工作人員應全面掌握設備性能、工作特點及精確度，在此基礎上進行GPS作業方案的制定，從而確保GPS定位工作的順利開展。

1.2 GPS信號的自身誤差

1）星歷誤差：預報的衛星位置不正確產生的誤差即屬于星歷誤差。通常情況下，某一衛星的星歷誤差對所有用戶來講都沒有差別。對于同一顆衛星，如果不同人員處于不同的觀測角度，那么由星歷誤差造成的結果并不相同，所以，最終得到的位置結果也不相同。換句話說，星歷誤差不能通過多臺接收機同時作業的方式消除。如果用戶之間的距離較小，星歷誤差造成的結果誤差范圍大致相同，所以星歷誤差可以通過差分觀測來完全消除。

2）衛星鐘差：GPS在測量距離時主要依靠預報的衛星鐘。對于C /A 碼及P碼用戶來講，其衛星鐘差相同，且與方向沒有關系。衛星鐘差的產生主要是由SA造成的，然而早在2000年美國便不再執行該項的限制政策。

1.3 GPS信號的傳輸誤差

1） 周跳：即失周。GPS相對定位是依據相位觀測值進行的，其指的是獲得的衛星載波相位與接收機振蕩形成的相位之差，實際量測只能得到數值的小數部分（精確至0，01周）。理想狀態下，接收機可以鎖定衛星并進行跟蹤，通過這樣的方法得到數值的整數部分，所以整周模糊度并不會發生改變，在計算時可以一并求出。然而實際情況中，接收機在鎖定衛星之后并不能確保實時跟蹤，比如突然失去衛星信號，因此無法得到未跟蹤時的相位變化，即周跳，也稱作失鎖或失周。工作人員需要在數據的預處理過程中進行周跳的修正與探測，失周處理十分麻煩，因此應采取措施避免這種現象的產生。

2） 多徑誤差：反射信號到達接收機天線也會影響觀測值的精度，該誤差屬于多徑誤差。如果天線周圍有較大的反射面，那么多徑誤差將較大，情況嚴重的話，會造成15米及以上的觀測誤差，所以移動站與基地站在選擇天線位置時應仔細考慮。

3） 對流層誤差：電磁波在對流層的傳播速度與真空中光的傳播速度不同而產生的誤差屬于對流層誤差。主要包括濕大氣分量與干大氣分量，低仰角情況下為20米，其中干大氣分量所占比例高，約為80%～90%，借助相應模型可以修正絕大部分。盡管濕大氣分量占據的比例小，但是其會隨著高度與緯度的不同發生較大的變化，且變化速度會逐漸加快。為此，研究人員設計出分析濕對流層誤差的模型，該模型主要通過隨機模擬以及濾波的方式估算相關參數，進行函數逼近。模型的運用能夠使基線天頂方向與平面坐標（水平方向）的水平相近。

4） 電離層誤差：電離層效應會造成觀測值不準確，由此產生的誤差屬于電離層誤差。沿用戶接收機和衛星視線方向中的電子密度能夠影響該誤差，夜間垂直方向上的延遲值大約為3米，白天大約為15米，低仰角條件下夜間與白天的延遲值大約為9米和45米，如果是反常時期，那么延遲值會進一步增大。為降低電離層延遲造成的誤差，在長基準測量時GPS數據的收集應選用雙頻接收機，該設備能夠實時修正觀測結果，提升觀測值的準確度。

2 減少誤差的方法

2.1數據處理

1） 選用合適的線性組合進行載波相位測量，在歷元、衛星、接收機間求一次差，能夠分別消除整周模糊度、接收機鐘誤差以及衛星鐘誤差；在衛星、接收機間求二次差能夠同時消除接收機鐘誤差以及衛星鐘誤差；在歷元、衛星、接收機間求三次差能夠得到只含有未知坐標差的方程。

2） 注重起算數據的合理性，具體方法包括：與高級GPS網控制點連測，數據精度為米級；將已知點的三維坐標轉變至W GS- 84坐標系內，數據精度為幾米級；若無法實現與其他控制點的連測，那么起算數據應選用觀測超過30分鐘的單點定位結果，數據精度大約為10米至15米。

3） 廣播星歷部分或全部替換為精密星歷。用戶可以通過網絡平臺獲取精密星歷，從而減少星歷誤差，降低SA政策產生的影響。

2.2 測量手段

1） 利用廣域差分或區域差分方式，在降低用戶站與基準站誤差的同時，還能夠增加站間距，從100千米變為2000千米。

2）絕對定位替換為相對定位，相比于絕對定位，相對定位有利于減小衛星鐘差、星歷誤差以及大氣延遲誤差。

3） 偽距測量替換為載波相位測量，因為載波波長較短（K1為19厘米，K2 為24.4 厘米），選用載波相位測量可將精確度提高2至3個數量級，選用雙拼改正能夠有效減少電離層誤差。

2.3測站安置

1）選取合適的截止高度角，降低對流層以及電流層的影響，接收較多的衛星信號，從而提高多余觀測數，完善幾何圖形。

2）測站安置時盡量避免盆地、山坡、山谷以及面積較大的平靜水面，安置地點周圍不能有廣告牌、高大建筑等，地面粗糙為宜，因為這種地面發射能力弱，多路徑誤差小。同時，減小多路徑誤差的方法還包括增長觀測時間、接收天線內配備抑徑板。

3 結語

如果GPS控制網基線較短，那么星歷誤差以及SA技術并不會對測量精度產生影響。在實際作業時，如果GPS接收機狀況良好，那么影響測量精度的誤差主要包括點位對中誤差、周跳以及多路徑誤差，因此要采取措施減少這三大誤差。對流層以及電離層延遲對基線測量過程中兩點間的高度影響較大，為了確保作業精度，應盡量減少兩點間高差。

參考文獻：

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