GPS測量誤差及精度控制測量探究

王丹　黃吉來

摘 要：GPS測量指的是通過地面接收設備對同一時刻接受多顆衛星發出的信息來計算其與這幾顆衛星之間的距離，然后根據空間距離后方交會原理繪制三維坐標系，從而確定地面目標的位置。在GPS測量過程中，衛星、衛星信息傳播以及地面接收設備等都是GPS測量產生誤差的原因，影響對地面目標的準確的位置判斷。該文主要從衛星本身、衛星信息傳播以及地面接收設備三個方面入手分析了GPS測量過程中產生誤差的原因，并針對誤差產生的原因提出了對誤差的精度控制相關對策。

關鍵詞：GPS測量 GPS測量誤差 精度控制 原因 對策

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0016-02

GPS（Global Positioning System）系統全稱全球定位系統，具有全球性、全天候、連續性等特點，通過地面接收設備對同一時刻接受多顆衛星發出的信息來計算其與這幾顆衛星之間的距離，然后根據空間距離后方交會原理繪制三維坐標系，從而確定地面目標的位置，可為全球任何一個用戶提供精確度非常高的時間、速度三維坐標等信息的技術參數。整個GPS主要包括三個重要的組成部分，分別是空間衛星系統、地面控制系統和地面用戶系統，如圖1所示。

GPS空間衛星系統主要包括均勻分布于六個固定的軌道上的高約2.02萬千米的24顆衛星群。為保證所有地點和地平線以上在任何一個時間都會接收到來自最少4顆GPS衛星發出的信號，要求GPS空間衛星系統中的六個軌道面兩兩之間的夾角為60°，各軌道平面與地球赤道面得夾角為55°，衛星在軌道運行的周期為11小時58分鐘，如圖2所示。

GPS地面用戶系統即地面控制系統，主要由主控站、注入站以及監測站三個部分組成。其中主控站負責按照每個監控站所檢測的GPS數據來計算各個衛星的星歷和衛星鐘改正參數，然后將計算得到的數據由注入站傳送至衛星中，由此可見注入站的作用即為將主控站的計算數據注入到衛星中；監測站主要是接受來自衛星的信號，以此來監測衛星的運行情況，如圖3所示。

GPS的地面用戶系統，包括GPS接收設備、計算機等用戶設備以及數據處理軟件，主要作用是接收衛星信號，從而進行GPS導航定位，而且隨著社會科學技術的發展，GPS測量儀器正朝著更小、更輕的方向發展，成為了一種便攜式定位導航工具，在社會的各個領域都有著廣泛的應用。

1 GPS測量誤差的形成原因

GPS測量通過地面接收設備對同一時刻接受多顆衛星發出的信息來計算其與這幾顆衛星之間的距離，然后根據空間距離后方交會原理繪制三維坐標系，從而確定地面目標的位置。在GPS測量過程中涉及到的衛星、衛星信息傳播以及地面接收設備等都是GPS測量產生誤差的原因，直接影響著對地面目標的準確的位置判斷，因此，GPS測量誤差的形成原因主要包括以下幾點。

1.1 軌道誤差（星歷誤差）

由于地面用戶在確定觀測瞬間某一衛星的位置時是根據相關部門以星歷的形式發播的一定精度的衛星軌道，衛星軌道和星歷是密切相關的，因此軌道誤差又稱為星歷誤差，而衛星星歷誤差又與偽距誤差是等效的。衛星星歷的測定是根據地面監測站對衛星進行跟蹤監測數據而得來的，因為在測量過程中衛星本身會受到攝動力等多種作用力的影響，地面監測站也存在一定的誤差，所以得到的衛星軌道、衛星星歷也是存在誤差的，從而由衛星星歷所提供的衛星的位置與實際準確的衛星位置也是存在偏差的。在所有的測量誤差原因中，星歷誤差是最主要也是最重的誤差來源。

1.2 GPS在衛星信號傳輸中產生誤差

GPS在衛星信號傳輸中產生誤差主要包括三方面的原因，首先是電離層導致信號傳播過程中產生延遲，電力層對信號傳播的影響主要與沿用衛星同地面接收視線方向之間所呈現的電子密度相關，例如，若地面用花信號接收機的視線是垂直方向，則所引起的延遲值在白天可達15m，在夜間可達3m，若為低仰視角度，則延遲值在白天可達45m，在夜間可達9m，而且在異常時期會出現更高的延遲值。其次是對流層對信號傳播的延遲影響，主要是因為信號以電磁波的形式通過對流層時，信號的傳播速度區別于真空中光的傳播速度，而導致信號在對流層出現延遲。其三是GPS信號多路徑傳播而引起的誤差，多路徑誤差即指GPS信號可能通過先射到某一物體上然后再經過反射達到GPS接收天線，而不是直接發射至信號接收天線，這就會對直線射至信號接收天線的直線波GPS信號本身造成一定的干擾，多路徑差錯的強度會因用戶GPS信號接收天線抗干擾能力的強度和反射信號強度的不同而有所差異。

1.3 地面接受設備產生的誤差

地面接受設備產生的誤差主要源于三個方面，首先是觀測誤差。觀測誤差的產生一方面與觀測人員的職業素養和觀測設備的精確測量有關，如果觀測人員能夠具備專業的職業素質，那么他們將對檢測數據進行詳盡的分析，這對于解決問題有相當大的幫助；觀測設備的精準度可以通過采取太陽光壓改正模型來滿足要求；另一方面與GPS信號接收天線的定位精確度有關；其次就是信號接收天線中心位置的偏差，由于信號在傳至接收天線時會出現時強時弱的現象，導致天線的相位中心發生改變，不能與其幾何中心重合，使得測量出現誤差；其三是接收機時鐘誤差，通常GPS信號接收機內部時鐘都選用石英晶體振蕩器，穩定度變化范圍為1×106～5×106，由于衛星時鐘與地面信號接收機時鐘在同步性上出現差距，哪怕是一點差距都會造成很大的等效距離誤差，嚴重影響測量的準確度。

2 GPS測量精度控制測量的相關對策

根據以上對GPS測量誤差產生原因的分析，提出了對誤差的精度控制相關對策。

2.1 衛星精度控制對策

在確定GPS衛星軌道時采用區域性GPS跟蹤網，跟蹤站地心坐標一旦產生誤差會以10倍甚至更大的比例影響到衛星軌道的精確測量，故而為確保精度優于2m的衛星軌道就需要跟蹤站的地心坐標有優于0.1m的精確度，約束全球基站的松弛軌道加權的約束基準方法，從中可以得出優于5cm 的相對坐標值，這與我國現階段的區域性定軌的相應需求基本符合，利用現有的跟蹤站對衛星觀測數值進行計算衛星軌道根數的誤差改正值，以此提高長軌道衛星星歷的計算精度，然后向用戶發播精確度較高的星歷，提高GPS導航定位的準確性。

2.2 信號傳播精度控制對策

電離層和對流層時影響衛星信號傳播精確度得主要因素，可以通過三種方法來減少其對信號傳播精度的影響，①根據電離層模型特點進行改正，②采用雙頻接收機以減少延遲，③同步測量求差法。減少對流層的折射可以通過模型改正和同步觀測求差的方法，減少對流層對電磁波的延遲誤差。

2.3 地面接受設備測量的精度控制對策

首先是觀測誤差的精度控制，一般來說ROCK4 光壓攝動模型、多項式光壓模型、標準光壓模型這三種太陽光壓改正模型的應用都能夠滿足1m定軌的需求。其次是接收機鐘精確度控制，對于單點定位，要把鐘差帶入方程中進行求解；對于載波相位相對定位，要采用觀測值求差法；對于高精度定位，要采用外接頻標的方法。最后是天線中心位置誤差精度控制，要求在設計天線時天線盤上指定方向為北方，在相對定位時采用求差法來減少相位中心偏差的誤差影響。

3 結語

綜上所述，導致GPS測量誤差的原因主要來自衛星、衛星信息傳播以及地面接收設備三個方面，該文通過對導致誤差形成的原因進行詳盡的分析，并據此提出了減少這些誤差的相關對策，以期進一步提高測量的精度，最大程度確保GPS導航定位的準確性。

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