摘 要:本文探討了GPS測(cè)量方法與數(shù)據(jù)處理，并重點(diǎn)分析了GPS測(cè)量的誤差。為更好地利用GPS測(cè)量技術(shù)提供了相關(guān)理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:GPS測(cè)量 誤差分析 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào):P228文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)04(b)-0131-01

1 前言

全球定位系統(tǒng)又被稱為GPS，通過地球上的接收機(jī)，GPS測(cè)量可以接收人造衛(wèi)星發(fā)出的電波，并加以分析，測(cè)量出該地的三維坐標(biāo)值。由于其具有著快速、高精度及全天候等常規(guī)測(cè)量不具有的優(yōu)點(diǎn)，而深受喜愛。它在測(cè)繪中的應(yīng)用包括地震預(yù)測(cè)、地圖測(cè)繪、建立和測(cè)定大地控制網(wǎng)點(diǎn)等。

2 GPS測(cè)量方法

GPS測(cè)量主要分為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量、相對(duì)定位及單點(diǎn)定位。

2.1 單點(diǎn)定位

相對(duì)于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量與相對(duì)定位，單點(diǎn)定位比較簡單，它與四點(diǎn)距離交會(huì)相似。如果需要求一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以利用三顆衛(wèi)星發(fā)出的電波，若接收機(jī)的計(jì)時(shí)誤差需要修正，應(yīng)增加觀測(cè)信號(hào)?。一般情況下，單點(diǎn)定位應(yīng)能接收四科衛(wèi)星的信號(hào)。然而由于只用一臺(tái)接收機(jī)與天線求三維坐標(biāo)值，定點(diǎn)精度比較差，測(cè)量誤差通常在幾十米。所以，測(cè)量定位通常不能用單點(diǎn)定位。

2.2 相對(duì)定位

2.2.1 動(dòng)態(tài)測(cè)量

在測(cè)量區(qū)選定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置天線與接收機(jī)在已知點(diǎn)上作為固定基準(zhǔn)點(diǎn)，跟蹤可見衛(wèi)星，并將另一臺(tái)流動(dòng)接收機(jī)置于未知的觀測(cè)點(diǎn)上，在對(duì)所測(cè)衛(wèi)星跟蹤而不失鎖的情況下，使接收機(jī)可以在各觀測(cè)點(diǎn)上觀測(cè)數(shù)秒鐘，這種測(cè)量方法就是動(dòng)態(tài)測(cè)量。與靜態(tài)測(cè)量相比，動(dòng)態(tài)測(cè)量雖然能夠高效測(cè)量多個(gè)未知點(diǎn)，但其精度不理想。

2.2.2 快速靜態(tài)測(cè)量

這種測(cè)量方法是在觀測(cè)中選定一個(gè)基準(zhǔn)站使一臺(tái)接收機(jī)在已知控制點(diǎn)的基準(zhǔn)站上不動(dòng)，另幾臺(tái)接收機(jī)移動(dòng)到各待定點(diǎn)，并觀測(cè)數(shù)分鐘，然后，再移至下點(diǎn)作出類似觀測(cè)。

2.2.3 靜態(tài)測(cè)量

這種測(cè)量方法是以兩臺(tái)以上的天線和接收機(jī)放置在數(shù)條基線的兩端測(cè)站點(diǎn)上，同步觀測(cè)衛(wèi)星。觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算程序處理后，求得各觀測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)值。這種測(cè)量方法的精度較高?？梢杂糜谝恍┚纫筝^高的控制測(cè)量工程測(cè)量中。

2.3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量

2.3.1 快速靜態(tài)測(cè)量

在每一用戶上，GPS接收機(jī)靜止地觀測(cè)，同時(shí)利用接收的基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地解算用戶測(cè)點(diǎn)與整周未知數(shù)的坐標(biāo)值。定為精度較高。

2.3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量

在某一起始點(diǎn)上，靜止觀測(cè)數(shù)分鐘，進(jìn)行初始化工作，然后，運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)按采樣間隔自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，利用基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)確定采樣點(diǎn)的空間位置。這種測(cè)量方法的定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

2.3.3 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量

在觀測(cè)工作開始前，流動(dòng)的接收機(jī)首先在某一起點(diǎn)上靜止地進(jìn)行觀測(cè)，采用快速解算整周未知數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)初始化工作。流動(dòng)的接收機(jī)在觀測(cè)站上需靜止觀測(cè)數(shù)分鐘，同時(shí)利用同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，解算流動(dòng)站的三維坐標(biāo)值。

3 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理是為了獲得GPS觀測(cè)基線向量，并對(duì)成果進(jìn)行檢核。預(yù)處理是為進(jìn)一步的平差計(jì)算作準(zhǔn)備，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯加工整理，并產(chǎn)生專用信息文件。

3.2 GPS網(wǎng)的平差處理

在進(jìn)行過質(zhì)量檢核后，以獨(dú)立基線組成的閉合圖形、三線基線與其相應(yīng)協(xié)方陣作為觀測(cè)信息，然后以一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)作為依據(jù)，進(jìn)行GPS網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與平差處理。

GPS定位中，影響觀測(cè)量精度的主要誤差來源分為三類:與衛(wèi)星有關(guān)的誤差;與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差;與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。

4 GPS測(cè)量的誤差及其對(duì)策

根據(jù)誤差的性質(zhì)可分為:系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、以及大氣折射的誤差等。為了減弱和修正系統(tǒng)誤差對(duì)觀測(cè)量的影響，一般根據(jù)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因而采取不同的措施:引入相應(yīng)的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其他未知參數(shù)一井求解;建立系統(tǒng)誤差模型，對(duì)觀測(cè)量加以修正;將不同觀測(cè)站，對(duì)相同衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，以減弱和消除系統(tǒng)誤差的影響;簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。偶然誤差包括多路徑效應(yīng)誤差和觀測(cè)誤差等。

GPS觀測(cè)量均以精密測(cè)量時(shí)為依據(jù)。GPS定位中，無論碼相位觀測(cè)還是載波相位觀測(cè)，都要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘保持嚴(yán)格同步。實(shí)際上，盡管衛(wèi)星上設(shè)有高精度的原子鐘，仍不可避免地存在鐘差和漂移，偏差總量約在1ms內(nèi)，引起的等效距離可達(dá)300km。衛(wèi)星鐘的偏差一般可通過對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)精確地確定，通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶。經(jīng)鐘差模型改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差保持在20ns以內(nèi)，引起的等效距離偏差不到6m。各衛(wèi)星鐘經(jīng)過改正的殘差，在相對(duì)定位中，可通過觀測(cè)量求差(差分)方法消除。由于衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)中受多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測(cè)站又難以可靠地測(cè)定這些作用力并掌握其作用規(guī)律，因此，衛(wèi)星軌道誤差的估計(jì)和處理一般較困難。目前，通過導(dǎo)航電文所得的衛(wèi)星軌道信息，相應(yīng)的位置誤差約20～40m。隨著攝動(dòng)力模型和定軌技術(shù)的不斷完善，衛(wèi)星的位置精度將可提高到5～10m。衛(wèi)星的軌道誤差是當(dāng)前GPS定位的重要誤差來源之一。衛(wèi)星軌道偏差對(duì)絕對(duì)定位的影響可達(dá)幾十米到一百米。而在相對(duì)定位中，由于相鄰測(cè)站星歷誤差具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此對(duì)相對(duì)定位的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)絕對(duì)定位的影響，不過，隨著基線距離的增加，衛(wèi)星軌道偏差引起的基線誤差將不斷加大。

多路徑效應(yīng)，也稱多路徑誤差，即接收機(jī)天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，還可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào)。兩種信號(hào)迭加，將引起測(cè)量參考點(diǎn)位置變化，使觀測(cè)量產(chǎn)生誤差。在一般反射環(huán)境下，對(duì)測(cè)碼偽距的影響達(dá)米級(jí)，對(duì)測(cè)相偽距影響達(dá)厘米級(jí)。在高反射環(huán)境中，影響顯著增大，且常常導(dǎo)致衛(wèi)星失鎖和產(chǎn)生周跳。措施是安置接收機(jī)天線的環(huán)境應(yīng)避開較強(qiáng)發(fā)射而，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面;選擇造型適宜且屏蔽良好的天線如扼流圈天線;適當(dāng)延長觀測(cè)時(shí)間，削弱周期性影響;改善接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)。

接收設(shè)備有關(guān)的誤差，主要包括觀測(cè)誤差、接收機(jī)鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測(cè)的整周不確定性影響。觀測(cè)誤差，除分辨誤差外，還包括接收天線相對(duì)測(cè)站點(diǎn)的安置誤差。分辨誤差一般認(rèn)為約為信號(hào)波長的l%。安置誤差主要有天線的置平與對(duì)中誤差和量取天線相位中心高度(天線高)誤差。接收機(jī)鐘差，GPS接收機(jī)一般設(shè)有高精度的石英鐘，日頻率穩(wěn)定度約為10～11。如果接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘之問的同步差為ls，則引起的等效距離誤差為300m。處理接收機(jī)鐘差的方法，作為未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解;利用觀測(cè)值求差方法，減弱接收機(jī)鐘差影響;定位精度要求較高時(shí)，可采用外接頻標(biāo)，如鉚、艷原子鐘，提高接收機(jī)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)精度。

其他誤差來源有地球自轉(zhuǎn)影響、相對(duì)論效應(yīng)、衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘震蕩器的隨機(jī)誤差、大氣折射模型和衛(wèi)星軌道攝動(dòng)模型誤差、地球潮汐以及信號(hào)傳播的相對(duì)論效應(yīng)等都會(huì)對(duì)觀測(cè)量產(chǎn)生影響。為提高長距離相對(duì)定位的精度，滿足地球動(dòng)力學(xué)研究要求，研究這些誤差來源，并確定它們的影響規(guī)律和改正方法，有重要意義。