GPS測量誤差的成因分析及應對策略探討

張坤

中國水利水電第八工程局有限公司 湖南 長沙 410004

1 GPS測量誤差的成因分析

1.1 衛星相關的誤差

1.1.1 星歷誤差。星歷誤差也叫軌道誤差，主要是由起算數據誤差所導致。通常來說，定軌站數量多少及空間分布的位置、定軌的力學模型及應用軟件、觀測值精準度、星歷外推時間間隔等都可能造成軌道誤差。星歷誤差的存在會直接影響到單點定位、相對定位等的精度，是造成GPS測量中星歷誤差的主要來源。

1.1.2 衛星鐘差。受衛星鐘隨機誤差以及鐘差、頻偏、頻漂等各方誤差因素的影響，導致即使有再高精度的衛星鐘，與理論GPS標準時間相比，也會或多或少會出現一些偏差。根據測算，衛星鐘如果有0.1～1ms的偏差總量，就可能造成30～300km的測距誤差[1]，所以，在正常操作時，很難實現GPS測量完全精準定位的要求。

1.2 信號傳播相關的誤差

1.2.1 電離層折射誤差。GPS信號傳輸通過電離層時，其傳輸速率會發生延遲，路徑也會產生一定的偏轉，所以測量結果也會出現一定的偏差。一般來說，電離層電子總量和信號頻率直接決定了GPS信號的傳輸速率和傳輸路徑，其中，在夜間時，天頂方向的衛星，受電離層折射的影響最小，由此而造成的誤差也最小；在白天正午時分，靠近地平面的衛星，受到電離層折射的影響最強，由此而造成的誤差也最大，有的甚至達到150m[2]。因此，在GPS測量作業時，要充分考慮電離層折射影響并采取有效處理措施，以免對GPS測量精度造成干擾。

1.2.2 對流層折射誤差。對流層的大氣密度比電離層更大，且大氣狀況也更加復雜，在GPS信號傳輸通過時，其傳輸路徑會出現偏轉，造成測量距離偏差，即對流層折射形成的誤差。一般來說，對流層折射對GPS觀測值精準度的影響，主要為干分量和濕分量影響。不同位置的衛星，兩種影響的比重各有不同，其中在天頂方向的衛星，干分量影響約占90%左右。

1.2.3 多路徑誤差。GPS測量作業時，測站周邊的物體也在反射GPS信號，并將信號反饋至接收天線，或者周邊物體自己產生電磁輻射信號，接收天線既收到了正常信號，也收到了其他反饋信號，形成疊加效應，從而影響了GPS觀測的精準度，這種干擾現象就稱為多路徑誤差（圖1）。多路徑誤差也是GPS測量精度誤差的主要來源之一，其不僅會使GPS測量精度大打折扣，而且還有可能在高反射環境中造成接收機信號失鎖。

1.3 接收機相關的誤差

1.3.1 觀測誤差。觀測誤差多是與人為操作失誤、讀數馬虎所導致，主要包括：①人為讀數錯誤或觀測時間不當、時間過短引起失誤；②接收機天線安置不規范，相位中心出現偏離；③流動站未嚴格對中或立直固定不穩等。根據實踐經驗發現，GPS觀測誤差約為信號波長的1%，由此，GPS碼信號與載波信號的觀測精度如下表1所示[3]：

表1 碼信號與載波信號的觀測誤差

1.3.2 接收機鐘差。GPS接收機主要是石英鐘，雖然其有著較高的精度，但是和標準的GPS時間還略有不同，存在同步差。根據測算，接收機鐘與衛星鐘差1μs，就會出現大約300m的距離誤差[4]。

1.3.3 天線相位中心偏差。天線相位中心偏差是指因GPS信號輸入強弱、方位不同和高度角差異等，使得實際天線相位中心的瞬間位置與理論有一定的偏差。一般來說，天線性能優劣會對這種偏差有一定的影響，通常在幾毫米和幾厘米之間。GPS測量中，單點精密定位的要求更加嚴格，因此，務須要消除天線相位中心偏差對其的影響。

2 GPS測量誤差的應對策略

2.1 衛星相關誤差的應對

2.1.1 星歷誤差的應對。對于星歷誤差可采取如下3種措施：一是，采用精密的星歷，即建立完善的區域性衛星跟蹤網，并進行獨立定軌，這樣可以防止外國故意降低星歷精度的可能性，使得單點定位更加精準，從而提升了相對長基線的定位精度。二是，采用軌道松弛改進法，即在平差模型中，根據星歷所指定的衛星位置，將其作為已知數，并按照平差計算法，計算得出GPS測站的位置和軌道改正數。三是，采用同步觀測求差法，消除兩個不同測站的誤差，進而減少衛星星歷誤差的影響。

2.1.2 衛星鐘差的應對。衛星鐘差的處理可以使用連續監測法，即對衛星鐘的運行狀態連續監測，確定出現誤差的大小，通過廣播星歷鐘的鐘差改正數做出改正。一般來說，改正后的衛星鐘能控制在20ns以內，使測距誤差不超過6m[5]。若再采用相對定位或差分定位法，可進一步降低衛星鐘差，提高GPS測量精度。

2.2 信號傳播相關誤差的應對

2.2.1 電離層折射誤差的應對。

2.2.1.1 使用雙頻觀測。對于不同頻率的電磁波信號，在電離層中傳輸的過程中，所受到的折射影響也有所不同，故而在被接收機接收的時間也會不同。根據這一原理，可以發射雙頻信號，在接收到雙頻信號值以后，通過觀測值可以計算出電離層延遲量，由此可以修正GPS測量觀測值，減少誤差的影響。

2.2.1.2 同步觀測值求差。在基線長度較短的兩個觀測站，電磁波傳輸的環境、路徑基本一致，在同步觀測時，其量差可以作為電離層折射的修正值。根據這一原理，可使用≥2臺的接收機，在基線兩側同時觀測同一衛星，這樣可以獲取觀測值的量差，進而作為電離層折射對GPS測量精度的修正值。但是這種方法適用于測站距離較短（＜20㎞）的情況下，如果測站距離較長，同步觀測的環境將會發生改變，其觀測值量差不足以作為電離層折射的修正值，也會影響GPS測量的精度。

2.2.1.3 合理選擇觀測時段。GPS信號傳輸中電子含量多少會直接影響到電離層折射誤差，而在太陽光的作用下，電子含量將會增多，故而在GPS測量時盡量選擇在沒有太陽的時間段，這樣可以有效降低電離層折射誤差所造成的影響。

2.2.2 對流層折射誤差的應對。

2.2.2.1 建立對流層延遲模型。根據測站區氣象環境等資料，結合誤差建立改正模型，并根據模型對誤差進行修正，這樣能有效減少約92%對流層折射對GPS測量定位精度的干擾[6]。

2.2.2.2 進行同步觀測求差。觀測方式和電離層一樣，在兩個距離較短的觀測站，同步傳輸GPS信號，同步觀測得出對流層延遲差，進而作為GPS測量精度的修正值。對于部分GPS測量作業對定位精度要求不高時，可以忽略對流層影響。

2.2.3 多路徑誤差的應對。

2.2.3.1 選擇適宜觀測站點。首先，GPS測站對周邊自然環境要求較高，如周邊有湖河、鹽堿、金屬礦等，會產生較為強烈的反射波，干擾GPS信號，所以要選擇草地、低矮灌木叢植被或者粗糙翻耕過的地面區域，這樣可以有效吸收GPS信號而避免形成反射波；而高大建筑物會遮擋GPS信號傳輸，特別是建筑墻面的材質會反射信號，一旦被GPS接收，會干擾其測量精度。其次，GPS測站對電磁輻射要求較高，應盡量避開電磁輻射強的區域，例如雷達、電臺、基站、信號發射塔、微波中繼站等自身都有較強的電磁輻射，在接收到GPS信號時，不僅會反射，還會將自身的電磁輻射傳輸出去，容易造成GPS天線單元受損，且汽車等交通工具也會反射電磁波，所以測站附近盡量不停放汽車。另外，如果GPS測站區域具有較強的反射波，且已經定位不能更改，那么就需要在后期作好改進，以減少多路徑效應所造成的誤差，具體做法如下：增高GPS天線高度，盡量超越干擾區域；采用大偏心觀測法，盡量規避反射波的干擾；將觀測到的多路徑效應時段直接去除，減少多路徑誤差的影響。

2.2.3.2 優化接收機天線布設?？紤]到多路徑效應誤差，需要選擇性能更好的微帶天線，同時在天線下方設置抑徑板或抑徑圈，這種抑徑板或抑徑圈能有效屏蔽地面反射波，較為完整的接收到GPS信號，并能消除30%左右的多路徑效應誤差[7]。在選擇抑徑板時，其半徑的計算如下（圖2）：

2.3 接收機相關誤差的應對

2.3.1 觀測誤差的應對。觀測誤差以人為性、偶然性居多，可以對前文提出的問題做出針對性處理。如適當延長觀測時長，合理確定觀測時段能減少或規避分辨誤差；按照要求規范安裝接收機天線，各項設備調試達標，進行標準化、程序化作業，可以減少或規避相位偏差、穩定誤差等，提高GPS測量精度。

2.3.2 接收機鐘差的應對。對于單點定位，可以用未知數方程式進行求解，構建鐘差模型，將不同觀測時刻導入，標識出時間多項式，再用平差計算系數，確定接收機鐘差的修正數。對于一些特殊測量段，對定位精度要求較高，可以使用精度較高的設備，如銣（Rb）原子鐘或銫（Cs）原子鐘能有效減少鐘差，提高測量精度。

2.3.3 天線相位中心偏差的應對?？梢允褂猛接^測方式予以解決，需考慮2個前提，一是天線的類型相同；二是使用≥2個且距離較短的測站，同時同步觀測同組衛星，這樣就能得到觀測量差，進而減少天線相位中心的干擾。使用這種方式要確保每個測站的天線都要定向方位，且每個定向偏差＜3°。

3 結束語

GPS測量誤差的成因眾多，若未經妥當防控，則極易導致測放精度難以達標。因此，務須高度關注，提前采取一系列妥當防控舉措，并在測量作業時謹慎操作、反復校驗，從而使得GPS測量的測放結果精準、可靠，以為后續施工的順利開展打好根基。