劉建賢

深圳市長勘勘察設(shè)計(jì)有限公司,廣東深圳 518003

GPS測量的誤差分析與探討

劉建賢

深圳市長勘勘察設(shè)計(jì)有限公司,廣東深圳 518003

目前，GPS控制測量中的應(yīng)用十分廣泛。本文從介紹GPS定位系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)而分析了GPS測量的主要誤差，有助于盡可能做到在滿足工程需要的前提下，節(jié)省人力物力。

GPS測量；控制測量；誤差分析；誤差影響因素

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位(GPS)是繼互聯(lián)網(wǎng)、移動通信之后，人類進(jìn)入信息化社會的又一次影響深遠(yuǎn)的信息技術(shù)革命。互聯(lián)網(wǎng)、移動通信、衛(wèi)星定位已經(jīng)成為信息社會的三大支柱產(chǎn)業(yè)。GPS技術(shù)作為一項(xiàng)20世紀(jì)的高新技術(shù)，目前已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在控制測量中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的測量作業(yè)工作方式，提高了工作效率，也帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為充分發(fā)揮GPS技術(shù)的優(yōu)越性，更好地適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域的需要，我們必須在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷探討問題[1，2]。本文主要就GPS測測量的誤差分析相關(guān)問題進(jìn)行一些探討。

1 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

1.1 衛(wèi)星鐘差

GPS測量實(shí)際上是，通過測定信號從GPS衛(wèi)星傳播到接收機(jī)的時(shí)間差來確定距離，進(jìn)而計(jì)算位置。因此，GPS衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定度就十分重要，測得的時(shí)間差的1ms誤差，對應(yīng)300km的測距誤差。雖然GPS衛(wèi)星采用了高精度的銫或銣原子鐘，其穩(wěn)定度達(dá)到l00m的精度，但是不可避免的還存在誤差。

對于衛(wèi)星鐘差，可通過接受衛(wèi)星導(dǎo)航電文，采用GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的改正模型，計(jì)算改正數(shù)，經(jīng)過改正后，衛(wèi)星鐘可達(dá)到20ns的精度，即對應(yīng)6m的距離誤差。在GPS差分定位中，衛(wèi)星鐘差可通過在衛(wèi)星之間求差，消除其對測量結(jié)果的影響。

1.2 衛(wèi)星軌道誤差

衛(wèi)星軌道誤差就是計(jì)算的衛(wèi)星位置的誤差。由于衛(wèi)星運(yùn)動中受多種攝動力影響，衛(wèi)星的運(yùn)行軌道極為復(fù)雜，精確測定各種攝動力，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道是十分困難的，目前，通過廣播星歷計(jì)算的衛(wèi)星位置精度可達(dá)到5～10m。

衛(wèi)星軌道的誤差可通過差分計(jì)算得到有效的消弱，差分之后，衛(wèi)星位置誤差△s與基線長度誤差△b的關(guān)系可粗略的簡化為：，其中，b為基線長度，ρ為衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，即當(dāng)基線長度為25km，衛(wèi)星位置誤差為10m時(shí)，基線的誤差大約為lcm。可見衛(wèi)星軌道誤差，在差分相對定位影響不大，不過隨著基線距離的增大，其影響越來越顯著。對于長距離的基線測量，可以采用亞米的精密星歷，也可以采用短弧法，將部分衛(wèi)星軌道參數(shù)作為未知數(shù)，與基線向量一同解算。

2 與傳播路徑有關(guān)的誤差

2.1 電離層折射影響

電離層是從高于70km～100km的大氣層。電磁波信號通過大氣的電離層時(shí)傳播速度會發(fā)生變化，致使GPS測距結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)性的偏差，稱之為電離層折射的影響。電離層折射的大小取決于信號頻率和外界條件，如太陽光照強(qiáng)度、太陽黑子數(shù)、時(shí)間、地點(diǎn)、衛(wèi)星高度角等。在夜間且衛(wèi)星處于天頂時(shí)，電離層折射的影響較小，小于為5m，在中午且衛(wèi)星處于地平線上時(shí)，電離層折射的影響較大，大于為150m。采用雙頻GPS接收機(jī)可以基本消除電離層的影響。單頻GPS接收機(jī)，可通過采用導(dǎo)航電文提供的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行改正，消除75%的影響。

2.2 對流層折射影響

對流層是指從40km高度到地面的大氣層。電磁波信號通過大氣的對流層時(shí)傳播速度也會發(fā)生變化，致使GPS測距結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)性的偏差，稱之為對流層折射的影響。對流層折射的影響的大小主要與溫度、濕度、氣壓、衛(wèi)星高度角等因素有關(guān)。對流層折射的一般在影響在2～30m之間。對于短距離（小于20km）GPS基線測量，通過GPS接收機(jī)之間的差分，可以有效地消弱對流層折射的影響。對于長距離，可通過觀測氣象元素（溫度、濕度、氣壓），按照模型計(jì)算改正數(shù)，同時(shí)在差分計(jì)算模型中引入對流層改正參數(shù)一并解算。

2.3 多路徑誤差

多路徑誤差是指，GPS接收機(jī)除收到直接來自衛(wèi)星的信號外，還收到來自接收機(jī)天線周圍物體的一次或多次反射信號，兩種信號疊加后，GPS信號相位發(fā)生變化，從而產(chǎn)生的測量誤差。多路徑誤差對于偽距觀測量可產(chǎn)生數(shù)米的誤差，對于載波相位觀測量可產(chǎn)生數(shù)厘米的誤差。多路徑誤差雖然不大，但是由于其與每個(gè)測站的環(huán)境有關(guān)，沒有規(guī)律不好消弱。因此，它是高精度GPS測量的主要誤差之一。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；采用扼流線圈；盡可能延長每點(diǎn)觀測時(shí)間，最好在一天的不同時(shí)間進(jìn)行觀測，另外還可以采用防多路徑效應(yīng)的天線。

3 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差

3.1 觀測誤差

觀測誤差包括，GPS接收機(jī)天線安置誤差(如天線對中誤差、天線置平誤差及天線量高誤差等)和GPS接收機(jī)的分辨誤差。天線安置誤差，可通過精細(xì)操作，達(dá)到要求的精度。分辨誤差通常認(rèn)為是信號波長的1%，即P碼為0.3m，C/A碼為2.9m，L1載波為2.0mm，L1載波為2.5mm。通過增加觀測次數(shù)，可減弱分辨誤差。

3.2 接收機(jī)鐘差

GPS接收機(jī)一般采用石英鐘，穩(wěn)定度大約為10-11，比衛(wèi)星的鐘差要大2～3個(gè)數(shù)量級。可采用與處理衛(wèi)星鐘差類似的方法處理接收機(jī)鐘差。處理GPS接收機(jī)鐘差的常用方法是引入鐘差未知數(shù)，與所求未知坐標(biāo)向量一起解算。

4 結(jié)論

GPS技術(shù)作為一項(xiàng)20世紀(jì)的高新技術(shù)，因其具有測量精度高、費(fèi)用省、觀測省時(shí)省力且不受天氣條件限制等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程測量領(lǐng)域。GPS技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的測量作業(yè)工作方式，提高了工作效率，也帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為充分發(fā)揮GPS技術(shù)的優(yōu)越性，更好地適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域的需要，我們必須在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷探討問題。本文從介紹GPS定位系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)而分析了GPS測量的主要誤差，有利于對今后GPS在工程測量應(yīng)用的實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

[1]馬耀昌，辛國.GPS測量誤差與數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制[J].地理空間信息， 2006，4(2).

[2]侯幫早.GPS測量誤差與數(shù)據(jù)處理的控制[J].湖北電力，2005，29(Z2).

P228.4

A

1674-6708（2010）21-0213-02