淺談GPS衛(wèi)星定位的誤差

摘要：在使用GPS衛(wèi)星定位測(cè)量工作中，雖然測(cè)量精度大大提高，但仍不可避免的有一定的誤差，文章中作者對(duì)產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析研究得出一定的結(jié)論并提出相應(yīng)的減小誤差措施。

關(guān)鍵詞：GPS衛(wèi)星定位；產(chǎn)生誤差；引起原因；對(duì)應(yīng)措施

中圖分類號(hào)：P207文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

GPS是利用衛(wèi)星的測(cè)時(shí)和測(cè)距進(jìn)行導(dǎo)航，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。是目前世界上最先進(jìn)、最完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與定位系統(tǒng)，它不僅具有不用通視自由設(shè)點(diǎn)、定位精度高、觀測(cè)速度快、功能齊全、操作簡便、全天候全球性作業(yè)、實(shí)時(shí)高精度，三維導(dǎo)航與定位能力，而且具有良好的抗干擾和保密性。

但是，不可避免的，GPS衛(wèi)星定位測(cè)量仍然存在著測(cè)量誤差，影響其定位精度因素分為以下四大類：與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素、與傳播路徑有關(guān)的因素、與觀測(cè)接收設(shè)備有關(guān)的因素以及其它因素。

1 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素

1.1 星歷誤差

在進(jìn)行GPS定位時(shí)，計(jì)算在某時(shí)刻GPS衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過各種類型的星歷提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計(jì)算出的衛(wèi)星位置都會(huì)與其真實(shí)位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。星歷誤差是GPS測(cè)量的重要誤差來源。

消除星歷誤差的方法主要有：①建立衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)獨(dú)立定位法。這對(duì)于保證定位的可靠性和精度都是至關(guān)重要的措施。如果跟蹤站的數(shù)量和分布選擇得當(dāng)，實(shí)測(cè)星歷有可能達(dá)到10-7的精度，這對(duì)提高精密定位的精度將起著顯著作用。②相對(duì)定位差分技術(shù)法。因?yàn)樾菤v誤差對(duì)相對(duì)不太遠(yuǎn)的兩個(gè)測(cè)站的影響基本相同，采用接收機(jī)間的一次差分觀測(cè)值可消除衛(wèi)星星歷誤差的影響。③軌道松弛法。所謂軌道松弛法，就是在平差模型中引入表達(dá)衛(wèi)星位置的附加參數(shù)，通過平差求得測(cè)站位置和軌道改正數(shù)，從而改善軌道精度。不過這種方法不適合范圍較小的測(cè)區(qū)，計(jì)算過程較復(fù)雜，不宜在作業(yè)單位普遍推廣。

1.2 衛(wèi)星鐘差

衛(wèi)星鐘差是GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的誤差。衛(wèi)星鐘有偏差和漂移，差1ms，相當(dāng)于300km。

消除方法：使用同步觀測(cè)相對(duì)定位方法。

1.3 衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差

衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號(hào)發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。

2 與傳播路徑有關(guān)的因素

2.1 離層延遲

由于地球周圍的電離層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為電離層延遲。電離層折射誤差與頻率、時(shí)間及地點(diǎn)等因素均有密切相關(guān)。對(duì)GPS衛(wèi)星頻率來說，對(duì)測(cè)距的影響一般在50～100m[1]內(nèi)變化。可見它對(duì)測(cè)量精度影響是不可忽略的，必須采取有效的措施來削弱它的影響。

對(duì)于電離層時(shí)延改正，雙頻接收機(jī)和單頻接收機(jī)應(yīng)采用的方法是不同的：①單頻接收機(jī)，采用電離層模型來補(bǔ)償它的影響。其基本思想是假定把整個(gè)電離層壓縮到等效高度為H的一個(gè)單層L上，用該層代表整個(gè)電離層。②對(duì)雙頻接收機(jī)碼相位測(cè)量或載波相位測(cè)量，由于電離層對(duì)L1和L2頻率有色散作用，故可利用兩個(gè)頻率的相位觀測(cè)值求出免受電離層折射影響的相位觀測(cè)值。

2.2 對(duì)流層延遲

對(duì)于地球周圍的對(duì)流層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為對(duì)流層延遲。對(duì)流層折射率與大氣壓力、溫度和濕度密切相關(guān)。由于大氣的對(duì)流作用很強(qiáng)，大氣狀態(tài)變化復(fù)雜，所以大氣折射率的變化及其影響比較復(fù)雜。

減弱對(duì)流層折射的措施主要有：采用對(duì)流層模型加以改正；引入描述對(duì)流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得； 利用同步觀測(cè)值求差；利用水氣輻射計(jì)直接測(cè)定信號(hào)傳播的影響。此法求得的對(duì)流層折射濕分量的精度可優(yōu)于1cm。

2.3 多路徑效應(yīng)

由于接收機(jī)周圍環(huán)境的影響，測(cè)站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)天線，使得接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中還包含有反射和折射信號(hào)的影響，這就是所謂的多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)是GPS測(cè)量中的一種重要的誤差來源，它嚴(yán)重影響GPS測(cè)量的精度。反射物可以是地面、山坡、高層建筑等。

由于反射波一部分能量被反射面吸收， GPS接收天線為右旋圓極化結(jié)構(gòu)，也能抑制反射波，因此反射波除了存在相位延遲外，信號(hào)強(qiáng)度一般也會(huì)減少。

目前減弱多路徑誤差的方法有：選擇合適的站址；測(cè)站應(yīng)遠(yuǎn)離大面積平靜的水面，不宜選擇在山坡、山谷和盆地中，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高層建筑物；在天線中設(shè)置抑徑板，接收機(jī)天線對(duì)于極化特性不同的反射信號(hào)應(yīng)有較強(qiáng)的抑制作用。

3 與觀測(cè)接收設(shè)備有關(guān)的因素

3.1 接收機(jī)鐘差

接收機(jī)鐘差是GPS接收機(jī)所使用的鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異。

減弱接收機(jī)鐘差的方法有: ①把每個(gè)觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中與觀測(cè)站的位置參數(shù)一并求解。②把各觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差間作相關(guān)處理，將接收機(jī)鐘差表示為時(shí)間多項(xiàng)式，并在觀測(cè)量的平差計(jì)算中求解多項(xiàng)式的系數(shù)。③通過衛(wèi)星間求一次差來消除接收機(jī)的鐘誤差。

3.2 接收機(jī)天線相位中心偏差

接收機(jī)天線相位中心偏差是GPS接收機(jī)天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)的相位中心之間的差異。

在實(shí)際工作中若使用同一類天線，在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)測(cè)站同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，可通過觀測(cè)值求差來減弱相位偏移的影響。但這時(shí)各測(cè)站的天線均應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極。

3.3 接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差

在進(jìn)行GPS定位時(shí)，定位結(jié)果還會(huì)受到諸如處理與控制軟件和硬件等的影響。

3.4 天線相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相位增加效應(yīng)

4 其它誤差

4.1 GPS控制部分人為或計(jì)算機(jī)造成的影響 由于GPS控制部分的問題或用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)引入的誤差等。

4.2 數(shù)據(jù)處理軟件的影響 數(shù)據(jù)處理軟件的算法不完善對(duì)定位結(jié)果的影響。

4.3 固體潮、極潮和海水負(fù)荷的影響

4.4 相對(duì)論效應(yīng)。

衛(wèi)星鐘和地面鐘由于存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從地面觀測(cè)，衛(wèi)星鐘走得慢，影響電磁波傳播時(shí)間的測(cè)定。

結(jié)論

因?yàn)樵贕PS測(cè)量中受以上各種誤差的影響，所以我們?cè)趯?shí)際工作中要嚴(yán)格按照測(cè)量規(guī)程的要求進(jìn)行操作，盡量減弱各種誤差的影響。又因?yàn)楦呔菺PS儀器設(shè)備較昂貴，一般的單位或部門很難承受，所以建議對(duì)從事一般測(cè)量的單位來說選用一般精度的GPS儀器或用傳統(tǒng)測(cè)量儀器即可；對(duì)于承接高精度精密定位的較大單位就要用高精度的GPS儀器，以保證測(cè)量成果精度滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1]孔祥元，梅是義.控制測(cè)量學(xué)上冊(cè)(第二版) [M].武漢大學(xué)出版社，2002.2.

[2]付水旺.淺談GPS測(cè)量與誤差分析[J].世界采礦快報(bào)，2000.16(10/11)：406～407.

[3]徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，王澤民.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1998.10.