張 香 蘭

(山西國圖測(cè)繪有限公司，山西 呂梁 033000)

·測(cè)量·

動(dòng)態(tài)GPS精度分析理論與應(yīng)用

張 香 蘭

(山西國圖測(cè)繪有限公司，山西 呂梁 033000)

簡(jiǎn)述了GPS定位技術(shù)的特點(diǎn)，從衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道偏差、衛(wèi)星信號(hào)的傳播誤差、接收設(shè)備誤差等方面分析了動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量誤差的來源，在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化方案，旨在促進(jìn)動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量精度的提高。

動(dòng)態(tài)GPS，精度，特點(diǎn)，誤差

0 引言

科技的發(fā)展促使GPS測(cè)量的精度隨之得以不斷的提高，各種小型化的GPS測(cè)量設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面，而動(dòng)態(tài)GPS的出現(xiàn)為測(cè)量提供了更多的便捷，降低了測(cè)量人員的工作強(qiáng)度，并且也降低了測(cè)量成本。雖然動(dòng)態(tài)GPS存在諸多的優(yōu)越性，但對(duì)于動(dòng)態(tài)GPS精度的掌控卻存在一系列問題有待解決?？梢?，探究提高精度的方式，對(duì)于動(dòng)態(tài)GPS的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 GPS 定位技術(shù)的特點(diǎn)

由美國主導(dǎo)建立的GPS全球定位系統(tǒng)最初是為了滿足軍事上的要求，而后期隨著衛(wèi)星不斷增多，以及軍事需要上的降低，GPS系統(tǒng)逐漸的轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，而因?yàn)樵撓到y(tǒng)采取的是距離定位的方式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)距空間交會(huì)定點(diǎn)，有著全天候、全球性以及連續(xù)的三維導(dǎo)航、授時(shí)、定位的作用，而且還有著理想的抗干擾性和較強(qiáng)的保密性?，F(xiàn)如今，GPS系統(tǒng)在民用市場(chǎng)中得到了十分迅速的發(fā)展。動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)的出現(xiàn)為測(cè)繪行業(yè)帶來了翻天覆地的改變，大大推動(dòng)了測(cè)繪學(xué)的發(fā)展。

2 動(dòng)態(tài)GPS的誤差來源

2.1 衛(wèi)星鐘差

為了測(cè)得具體的地理位置信息，信號(hào)需在地面與衛(wèi)星之間來回傳遞，而距離的測(cè)量則要時(shí)間上的準(zhǔn)確性作為保證，但事實(shí)上，接收鐘、衛(wèi)星鐘二者之間無法始終嚴(yán)格的保持同步，雖然在衛(wèi)星上加入了精度很高的原子鐘，衛(wèi)星鐘與接收鐘之間還是可能存在1 ms左右的誤差，而對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星而言，其1 ms的運(yùn)動(dòng)距離可達(dá)到300 km。

2.2 衛(wèi)星軌道偏差

衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí)實(shí)際上還是要受到諸多外力的干擾，除了地球的引力之外還可能受到其他天體引力的吸引，雖然大體上還是在圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，但是在軌道上面卻存在一些偏差，按照當(dāng)前的技術(shù)水平尚無法完全掌握衛(wèi)星軌道的運(yùn)行規(guī)律，也就無法調(diào)控衛(wèi)星軌道的偏差。

當(dāng)前處理衛(wèi)星軌道偏差的方法主要有3種：

1)忽略軌道誤差。

如果對(duì)于測(cè)量的精度要求不高，可以直接忽略軌道誤差。

2)采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。

如果對(duì)于測(cè)量的精度要求非常高，就必須在計(jì)算時(shí)引入衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，但是這一方法也是基于短時(shí)間內(nèi)這些參數(shù)不變，其實(shí)還是存在誤差。

3)同步觀測(cè)值求差。

通過多個(gè)觀測(cè)站，以此對(duì)衛(wèi)星的同步觀測(cè)值進(jìn)行求差，借助于該方法，將衛(wèi)星軌道偏差盡可能的予以減少，這一方法可顯著改善測(cè)量精度。

2.3 衛(wèi)星信號(hào)的傳播誤差

由于信號(hào)需要在地面接收機(jī)與衛(wèi)星之間進(jìn)行傳遞，信號(hào)在傳遞的過程中需要經(jīng)過各種各樣的介質(zhì)，而這些介質(zhì)很可能改變信號(hào)傳播的強(qiáng)度、速度以及方向，從而導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)的傳播誤差。

1)電離層折射的影響。

地理上將離地面50 km～1 000 km范圍內(nèi)的大氣層稱為電離層，受到陽光的影響，電離層當(dāng)中一系列氣體分子，接受了光子所帶來的能量，繼而在外層電子躍遷之后，逐漸形成大量的自由電子和大量的正離子，并且，信號(hào)在通過電離層時(shí)，往往會(huì)受到正離子與自由電子所帶來的不同程度的影響，由此，傳播的強(qiáng)度、傳播的速度乃至傳播的方向均會(huì)有所變化，因而僅僅憑借計(jì)算信號(hào)傳播的時(shí)間和光速的乘積，無法求出衛(wèi)星和接收機(jī)二者之間的實(shí)際距離。

2)對(duì)流層折射的影響。

地理上將離地面40 km左右的大氣層稱為對(duì)流層，雖然對(duì)流層不會(huì)直接受到陽光的影響，各種自由電子以及離子的含量較低，但是陽光卻可以使得對(duì)流層的溫度呈現(xiàn)不均勻的變化，陽光照射到地面并且由地面反射至對(duì)流層，此時(shí)對(duì)流層的溫度就呈現(xiàn)不均勻的分布，信號(hào)傳遞至對(duì)流層時(shí)會(huì)由于溫度的影響而改變其路徑。

3)多路徑效應(yīng)的影響。

多路徑效應(yīng)是動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量最大的誤差來源，由于衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)是以電磁波的形式傳遞，而這種電磁波的來源并不只衛(wèi)星一種，各建筑物也可以發(fā)射出電磁波或者反射電磁波，因而由衛(wèi)星發(fā)射來的電磁波信號(hào)很容易受到來自其他波的干涉，干涉過后的電磁波信號(hào)被接收機(jī)所接收之后計(jì)算出來的數(shù)值就存在誤差。多路徑效應(yīng)是最難控制的誤差，在大多的反射環(huán)境之下，多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)碼偽距造成的影響通常可以達(dá)到米級(jí)，并且對(duì)測(cè)相偽距造成的影響則能達(dá)到厘米級(jí)；但是在高反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)的影響會(huì)大幅度增加，同時(shí)會(huì)使得接收到的衛(wèi)星信號(hào)出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，致使載波相位觀測(cè)量出現(xiàn)周跳問題。鑒于此，需要對(duì)多路徑效應(yīng)的原因進(jìn)行深入分析，而且還應(yīng)當(dāng)積極采取有助于減弱多路徑效應(yīng)誤差的辦法。

2.4 接收設(shè)備誤差

在 GPS 定位過程中，不管是測(cè)碼偽距亦或是測(cè)相偽距，其觀測(cè)值基本上都是以接收機(jī)天線的相位中心位置作為標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)于天線的相位中心及其幾何中心，從理論上來講應(yīng)當(dāng)保持一致。在實(shí)際的動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量之中由于信號(hào)的方向和強(qiáng)度受到諸多因素的影響，天線的相位中心位置事實(shí)上是在不斷變化的，即觀測(cè)時(shí)相位中心的瞬時(shí)位置(一般稱視相位中心)，與理論上的相位中心位置并不完全相同。另外，雖然天線的相位中心和幾何中心時(shí)刻保持絕對(duì)的一致，也不能完全保證定位結(jié)果的準(zhǔn)確，天線的性能對(duì)于定位的結(jié)果同樣有著不可忽視的影響。

在實(shí)際的動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量過程中為了消除相位誤差的影響，大多在多個(gè)觀測(cè)站上采用相同類型的天線予以測(cè)量，通過多個(gè)觀測(cè)站對(duì)同一衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步觀測(cè)，由此求得差值，然后將差值作為修正參數(shù)來對(duì)相位中心的偏移進(jìn)行修整。同時(shí)對(duì)于天線的安裝有諸多的要求，除了必須采取同一類型的天線之外，天線之間的距離不能過遠(yuǎn)，各天線安裝時(shí)還需依據(jù)測(cè)量指向磁北極，天線的定向偏差應(yīng)該保持在3°～5°以內(nèi)。

3 動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量?jī)?yōu)化方案

1)在實(shí)際動(dòng)態(tài)GPS的測(cè)量之中，測(cè)站的對(duì)中、天線高的量取工作對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果有著重要的影響，因此必須予以足夠的重視。同時(shí)不排除其他影響造成了數(shù)據(jù)的誤差，在數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)于明顯存在誤差的數(shù)據(jù)應(yīng)該予以剔除，這樣才能確保基線的觀測(cè)質(zhì)量；2)對(duì)于要求精度比較高的測(cè)量，為了消除衛(wèi)星中與接收器上的時(shí)間不一致的問題，需要適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)觀測(cè)的時(shí)間，特別是在測(cè)量基線向量時(shí)，測(cè)量的時(shí)間要在1 h以上，短時(shí)間的測(cè)量會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值的波動(dòng)非常明顯，而長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量則可以有效提高測(cè)量結(jié)果的精度；3)起算點(diǎn)的空間分布、數(shù)量以及擬合方法都對(duì)動(dòng)態(tài)GPS的測(cè)量有著重要的影響，為了保證測(cè)量結(jié)果的精確度，起算點(diǎn)在空間上的分布要均勻，同時(shí)起算點(diǎn)的數(shù)量也要多。一般來說，在同樣的擬合方法下，起算點(diǎn)的分布越均勻、數(shù)量越多，測(cè)得的結(jié)果便越精確。

4 結(jié)語

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展及完善，GPS技術(shù)的民用精度已經(jīng)達(dá)到相對(duì)較高的水平，并已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中的諸多方面，在城市規(guī)劃建設(shè)、森林開發(fā)、航海、道路行駛等諸多方面均發(fā)揮了巨大的作用，同時(shí)為當(dāng)代人們的生活及生產(chǎn)提供了前所未有的便利。但是，相對(duì)于動(dòng)態(tài)GPS的精度控制，尚且存在大幅度的提升空間。所以，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)化的分析影響動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量精度的因素，盡快的制定出動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量的優(yōu)化方案，從而進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量的精度。

[1] 白 帆.高動(dòng)態(tài)GPS單點(diǎn)定位的精度分析[J].現(xiàn)代導(dǎo)航,2013(1):145-147.

[2] 史東亮.動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量精度的分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2014(12):234-235.

[3] 紀(jì) 凱,杜向鋒.動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的精度分析[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào),2012,31(6):55-57.

[4] 蘇玉瑞,徐照磊,王曉南，等.GPS多基準(zhǔn)站動(dòng)態(tài)差分定位精度分析[J].測(cè)繪與空間地理信息,2012,35(7):89-91.

[5] 時(shí)小飛,生仁軍,高成發(fā),等.基于寬巷模糊度約束的GPS/BDS 動(dòng)態(tài)相對(duì)定位[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,11(22):115-116.

The precision analysis theory and application of dynamic GPS

Zhang Xianglan

(ShanxiStateMapSurveyingandMappingLimitedCompany,Lvliang033000,China)

This paper elaborated simply the characteristics of GPS positioning technology, analyzed the source of dynamic GPS strategy error from the satellite clock error, satellite orbit bias, satellite signal transmission error, accept the equipment error and other aspects, based on this put forward optimization scheme, aimed at promoting the improvement of dynamic GPS measurement precision.

dynamic GPS, accuracy, feature, error

1009-6825(2015)28-0197-02

2015-07-21

張香蘭(1962- )，女，助理工程師

TU198

A