黃燕明

摘要:本文通過對(duì)GPS測(cè)量的誤差來源進(jìn)行分析, 總結(jié)出各類誤差對(duì)GPS測(cè)量精度的影響,指導(dǎo)我們?cè)谶M(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)如何消除或減弱各類誤差對(duì)GPS測(cè)量精度的影響,達(dá)到快速取得滿足GPS測(cè)量精度要求的成果。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；數(shù)據(jù)誤差；GPS

引言

如其他測(cè)量一樣,GPS測(cè)量同樣不可避免地受到測(cè)量誤差的影響。GPS是一個(gè)龐大的系統(tǒng)(由GPS衛(wèi)星、用戶和地面的監(jiān)控站三部分組成),誤差的組成也很復(fù)雜。根據(jù)不同的研究方向和研究重點(diǎn),誤差的分類各有不同;通常是按誤差的性質(zhì)將其分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩類;按誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度把誤差分為噪聲誤差、偏差和偶然誤差;按誤差的來源將其分為與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差、與接收機(jī)有關(guān)的誤差、野外工作失誤四種類型。本文按誤差的來源對(duì)GPS測(cè)量誤差進(jìn)行分析。

1與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,主要包括衛(wèi)星星歷的誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、SA技術(shù)與AS技術(shù)的影響、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對(duì)論效應(yīng)的影響等。

1.1衛(wèi)星星歷的誤差

衛(wèi)星星歷的誤差指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實(shí)際位置間的偏差。由于衛(wèi)星星歷是GPS定位的主要數(shù)據(jù)依據(jù),是由地面監(jiān)控站跟蹤檢測(cè)GPS衛(wèi)星求定的。由于地面檢測(cè)站測(cè)試的誤差,以及衛(wèi)星在空中運(yùn)行受到多種攝動(dòng)力影響,地面監(jiān)控站難以充分可靠地測(cè)定這些作用力的影響,使得測(cè)定的衛(wèi)星軌道會(huì)有誤差;另外由地面注入站給衛(wèi)星的廣播星歷和由衛(wèi)星向地面發(fā)送的廣播星歷,都是由地面監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星軌道外推計(jì)算出來的,使得由廣播星歷提供的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星實(shí)際位置之間有誤差。減弱星歷誤差影響的途徑:采用由美國國防制圖局(DMA)生產(chǎn)的精密星歷以及由國際GPS服務(wù)(IGS)生產(chǎn)的精密星歷；建立自己的跟蹤網(wǎng)獨(dú)立定軌,采用不斷改進(jìn)的定軌技術(shù)及攝動(dòng)力模型,根據(jù)實(shí)測(cè)星歷,獲得較好的定軌精度；采用相對(duì)定位作業(yè)模式,用同步觀測(cè)值求差來降低或消除這一誤差；在大區(qū)域測(cè)區(qū),采用軌道松弛法,求得測(cè)站位置及軌道改正數(shù),對(duì)無法獲取精密星歷進(jìn)行補(bǔ)救。

1.2衛(wèi)星鐘的鐘差

GPS測(cè)量的原理是信號(hào)由衛(wèi)星傳播到接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以衛(wèi)星信號(hào)的傳播速度。如果衛(wèi)星信號(hào)中有6~8ms的誤差,則其影響可達(dá)180~240cm?？梢奊PS的測(cè)量精度與時(shí)鐘(衛(wèi)星和接收機(jī)的時(shí)鐘)誤差密切相關(guān)。雖然GPS衛(wèi)星都采用高精度的原子鐘,但由于主控站(及監(jiān)控站)的控制和調(diào)整,仍不能完全改正衛(wèi)星鐘的鐘面時(shí)與GPS時(shí)之間的同步誤差及衛(wèi)星鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步誤差,通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶。這樣就存在兩種時(shí)間誤差,并引起等效的距離誤差。在相對(duì)定位中,衛(wèi)星鐘差或經(jīng)主控站(及監(jiān)控站)改正后的殘差可通過觀測(cè)量求差(或差分)得以消除,而接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步誤差(即接收機(jī)鐘差)也可通過觀測(cè)值求差得以有效的減弱。因此衛(wèi)星鐘差通過模型和數(shù)據(jù)處理方法可以得到一定程度的修正。

1.3地球自轉(zhuǎn)的影響

衛(wèi)星在運(yùn)行中,不僅是受地球質(zhì)心引力的作用,還受到地球潮汐、太陽光壓,太陽和月球的引力,大氣阻力等作用。因此必須建立各種攝動(dòng)力模型,對(duì)衛(wèi)星軌道加以修正,滿足衛(wèi)星精密定位的需要。通過地面監(jiān)控站實(shí)測(cè)GPS衛(wèi)星在某一時(shí)間的位置,對(duì)衛(wèi)星的軌道進(jìn)行改正,實(shí)現(xiàn)精密定軌,同時(shí)當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)測(cè)站,由于地球自轉(zhuǎn)使衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間延遲,從而引起坐標(biāo)變化,可根據(jù)地球自轉(zhuǎn)速度,求出旋轉(zhuǎn)角度,建立相關(guān)坐標(biāo)模型消除地球自轉(zhuǎn)的影響。

2與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差

與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差,主要包括電離層延遲、對(duì)流層折射的影響和多路徑效應(yīng)的影響、周跳。

2.1電離層延遲

電離層(含平流層)是高度在60~1000km間的大氣層,在這一層中,由于太陽的作用,使大氣中的分子發(fā)生了電離,而電離層中的電子密度是變化的,它與太陽黑子活動(dòng)狀況、地球上地理位置、季節(jié)變化和時(shí)間有關(guān)。GPS衛(wèi)星信號(hào)在通過電離層時(shí),和其它電磁波信號(hào)一樣要受到帶電介質(zhì)的非線性散射特性的影響,不僅傳播速度發(fā)生變化,信號(hào)的傳播路徑亦會(huì)發(fā)生彎曲,所以電離層對(duì)GPS信號(hào)的影響會(huì)使利用GPS接收機(jī)所測(cè)得的衛(wèi)星至天線之間的距離產(chǎn)生誤差。對(duì)GPS信號(hào)而言,這種距離誤差可達(dá)50～150rn?？梢圆捎萌缦路椒▉硐魅蹼婋x層對(duì)信號(hào)影響:

2.1.1 利用雙頻改正技術(shù)。由于電離層對(duì)信號(hào)的影響與信號(hào)本身頻率有關(guān),根據(jù)L1/L2的頻率的信號(hào)是沿同一路徑到達(dá)接收機(jī)的,只存在電離層折射影響不同,利用L1/L2的頻率觀測(cè)值直接解算出電離層的時(shí)延差點(diǎn)改正數(shù)。經(jīng)過雙頻觀測(cè)值改正后,偽距殘差可達(dá)厘米級(jí)。

2.1.2 采用電離層模型加以改正,對(duì)GPS單頻機(jī),在導(dǎo)航電文中提供電離層改正模型,將電離層延遲影響減少75%。

2.1.3 對(duì)于短距離基線(測(cè)站間距離20KM以內(nèi)),可采用兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)量求差,由于衛(wèi)星到兩個(gè)測(cè)站電磁波傳播路徑上的大氣狀況很相似,因此,通過求差,可以削弱電離層延遲的影響。

2.2對(duì)流層延遲

對(duì)流層是高度在50km以下的大氣層,大氣中質(zhì)量99%都在此層中。這一層也是氣象現(xiàn)象主要出現(xiàn)的地區(qū)。受地面氣候的影響非常大,對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的折射比電離層更為復(fù)雜。對(duì)流層對(duì)信號(hào)的折射誤差與信號(hào)傳播路線上的溫度、氣壓和濕度有關(guān),同時(shí)還與衛(wèi)星的高度角及測(cè)站的正高有關(guān)。對(duì)流層對(duì)信號(hào)折射所造成的衛(wèi)星到測(cè)站距離的誤差一般為幾米至十幾米。在施測(cè)GPS控制網(wǎng)時(shí),為了削弱對(duì)流層的折射影響,首先應(yīng)進(jìn)行模型改正。實(shí)測(cè)地區(qū)氣象資料利用氣象模型改正,能減少對(duì)流層對(duì)電磁波延遲達(dá)92%～93%。由于模型改正僅能切削去對(duì)流層折射影響的大部分,在觀測(cè)值中仍會(huì)含有少量由對(duì)流層折射造成的誤差,此時(shí)應(yīng)再利用差分技術(shù)進(jìn)一步削弱對(duì)流層折射的影響。

2.3多路徑誤差

多路徑效應(yīng)是由于接收機(jī)天線不只是接收到衛(wèi)星直接發(fā)射的信號(hào),還接收到經(jīng)接收機(jī)天線周圍物體一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào),把這兩種疊加的信號(hào)作為觀測(cè)量來解算,定位結(jié)果中就含有這種多路徑信號(hào)影響的誤差。為了減少多路徑效應(yīng)影響,在選點(diǎn)時(shí),點(diǎn)位應(yīng)盡量避開強(qiáng)反射物(如水面、平坦光滑地面和平整的建筑物);選用能削弱多路徑效應(yīng)的天線(如具有Pinwheel技術(shù)的天線;采用扼流線圈);可能時(shí),延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間,最好在一天的不同時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)。

２.4周跳

衛(wèi)星信號(hào)被障礙物暫時(shí)阻擋或受無線電信號(hào)干擾產(chǎn)生整周跳變即周跳。對(duì)周跳必須進(jìn)行修復(fù),檢驗(yàn)和使用周跳的方法通常有:屏幕掃描法,多項(xiàng)式擬合法,衛(wèi)星間求差法。根據(jù)殘差修復(fù)整周跳變。解決周跳的根本途徑是提高外業(yè)觀測(cè)的條件,重視選點(diǎn)條件等,人為地避免周跳的發(fā)生。

3與接收機(jī)有關(guān)的誤差

GPS測(cè)量的主要觀測(cè)量是衛(wèi)星信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)的時(shí)間延遲,為了測(cè)量時(shí)間延遲,要在接收機(jī)內(nèi)復(fù)制測(cè)距碼信號(hào),并通過接收機(jī)的時(shí)間延遲器進(jìn)行A相移,使復(fù)制的碼信號(hào)與接收到的相應(yīng)碼信號(hào)達(dá)到最大相關(guān),其必須的相移量,便是衛(wèi)星發(fā)射的碼信號(hào)到達(dá)接收機(jī)天線的傳播時(shí)間。衛(wèi)星發(fā)射碼與接收機(jī)內(nèi)復(fù)制的相應(yīng)測(cè)距碼之間的相位差,通常其大小約為碼元寬度的1%。根據(jù)相位差與碼元寬度的這種關(guān)系,我們可初步估計(jì)各種波長(zhǎng)的信號(hào)的觀測(cè)精度。

與接收機(jī)有關(guān)的誤差還包括接收機(jī)鐘差、通道間的偏差、鎖相環(huán)延遲、碼跟蹤環(huán)偏差、天線相位中心的偏差、和天線的安置精度。要減弱接收設(shè)備的誤差對(duì)觀測(cè)精度的影響,必須在作業(yè)前先了解儀器的性能、工作特性及其要達(dá)到的精度要求,制定好GPS作業(yè)計(jì)劃,這也是GPS定位測(cè)量順利完成的保證。因此,必須定期對(duì)GPS接收機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)項(xiàng)目有:①天線相位中心穩(wěn)定性測(cè)試;②內(nèi)部噪聲水平測(cè)試;③野外作業(yè)性能及不同測(cè)程精度指標(biāo)的測(cè)試;④頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià);⑤高低溫性能測(cè)試。

4野外工作失誤

對(duì)于野外工作失誤(如:錯(cuò)誤的測(cè)量天線高、錯(cuò)誤的測(cè)站名、對(duì)中整平誤差、選擇了錯(cuò)誤的天線類型)和矛盾的接收機(jī)設(shè)置(如:數(shù)據(jù)采樣率不一致、鐘漂移率過大、高度截止角過高、衛(wèi)星開啟或禁用混亂、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一),產(chǎn)生的錯(cuò)誤或粗差,我們可以通過嚴(yán)密的野外觀測(cè)程序來減少這種錯(cuò)誤或粗差。作業(yè)前,檢查各接收機(jī)的設(shè)置,確保各接收機(jī)設(shè)置正確一致;作業(yè)時(shí),野外記錄的測(cè)站名、位置、觀測(cè)時(shí)間和天線高要清楚準(zhǔn)確,而且必需在觀測(cè)開始和結(jié)束時(shí)分別測(cè)量、記錄天線高。

結(jié)束語

只有對(duì)GPS測(cè)量誤差的進(jìn)一步詮釋，理解了這些誤差源的性質(zhì)、大小及其影響，并采取相應(yīng)的措施將其減弱，從而得以進(jìn)一步提高其觀測(cè)成果的精度。