GPS測量的誤差及精度控制

1、精品文檔你我共享AAAAAAGPS測量的誤差及精度控制摘要：介紹了 GPS測量的各種主要誤差源和它們的影響。對于精度控制問題，主要討論的是小型控制網(wǎng)（基 線長1020km），局部地區(qū)應(yīng)用的動態(tài)和準(zhǔn)動態(tài)的差分測量。關(guān)鍵詞：GPS;誤差；精度控制一、GPS測量的誤差源和GPS定位網(wǎng)設(shè)計1. GPS測量的誤差源GPS測量誤差按其生產(chǎn)源可分 3大部分：GPS信號的自身誤差，包括軌道誤差 （星歷誤差）和SA ,AS影響；GPS信號的傳輸誤差，包括太陽光壓，電離層延遲，對流層延遲，多路徑傳播和由它們影響或其他原因產(chǎn)生的周跳；GPS接收機的誤差，主要包括鐘誤差，通道間的偏差，鎖相環(huán)延遲，碼跟蹤環(huán)偏差，天線相

2、位中心偏差等。2. GPS定位網(wǎng)的設(shè)計由GPS測量的誤差源可以看出，GPS網(wǎng)的設(shè)計已免除了測角、邊角同測和測邊網(wǎng)等的傳統(tǒng)要求。它不需要點間通視， 也不需要考慮布設(shè)什么樣的圖形，也就更不需要考慮圖形強度，不需要設(shè)置在制高點上（哪里需要就可以設(shè)置在哪里）。所以GPS網(wǎng)的設(shè)計是非常靈活的。但也應(yīng)注意以下幾個問題：除了特殊需要，一般 GPS基線長度相差不要過大，這樣可以使 GPS測量的精度分布均勻； GPS網(wǎng)不要 有開放式的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，應(yīng)構(gòu)成封閉式閉合環(huán)和子環(huán)路；應(yīng)盡量消除多路徑影響，防止 GPS信號通過其他物體反射到 GPS天線上，因此應(yīng)避開強反射的地面，避開強反射環(huán)境，如山谷、山坡、建筑物等；避開強

3、電磁波干擾，設(shè)站應(yīng)遠離雷達站、電臺、微波中繼站等。二、軌道誤差（星歷誤差）和SA，AS影響1.軌道誤差有關(guān)部門提供一定精度的衛(wèi)星軌道，以廣播星歷形式發(fā)播給用戶使用，從而已知觀測瞬間所觀測衛(wèi)星的位置，因而衛(wèi)星軌道誤差與星歷誤差是一個含義。衛(wèi)星星歷誤差又等效為偽距誤差。由于衛(wèi)星軌道受地球和日、月引力場、太陽光壓、潮汐等攝動力及大氣阻力的影響，而其中有的是隨機影響，而不能精密確定，使衛(wèi)星軌道產(chǎn)生誤差。目前，GPS衛(wèi)星軌道誤差的等效偽距誤差 （使用的衛(wèi)星廣播星歷）為4.2m。美國的SA政策和AS政策人為地使導(dǎo)航定位的精度降低，點位誤差有時達到100m。控制網(wǎng)的靜態(tài)GPS測量是利用載波相位測量，一般是由

4、一個點設(shè)為已知點與一個待定點位同步觀測GPS衛(wèi)星，取得載波相位觀測值，從而得岀待定點位的坐標(biāo)或兩點間的坐標(biāo)值，稱為基線測量，短基線測量可以消除SA影響。動態(tài)測量解決SA影響的途徑是實時差分定位（稱Real-time DGPS）,即在已知坐標(biāo)精品文檔你我共享AAAAAA點上布設(shè)基準(zhǔn)點，通過基準(zhǔn)站取得誤差校正值，通過數(shù)據(jù)鏈實時傳給導(dǎo)航定位的移動站，從而消除SA影響及兩站的各種共同的誤差，提高了移動站的導(dǎo)航定位精度。加濾波等處理的導(dǎo)航軟件以及組合導(dǎo)航系統(tǒng)， 已使導(dǎo)航定位精度差分距離在100km左右時達到亞米級，差分距離遠于1500km時達到米級。2. 美國的SA技術(shù)與AS影響SA技術(shù)是選擇可用性(S

5、elective Availability)的簡稱，它是由兩種技術(shù)使用戶的定位精度降低，即5(dither)技術(shù)和 (epsilon技術(shù)。5技術(shù)是人為地施加周期為幾分鐘的呈隨機特征的高頻抖動信號，使GPS衛(wèi)星頻率10.23MHz加以改變，最后導(dǎo)致定位產(chǎn)生干擾誤差，技術(shù)是降低衛(wèi)星星歷精度，呈無規(guī)則的隨機變化，使得衛(wèi)星的真實位置增加了人為的誤差。AS技術(shù)(Anti-Spoofing)叫反電子欺騙技術(shù)，其目的是為了在和平時期保護其 P碼，不讓非授權(quán)用戶使 用；戰(zhàn)時防止敵方對精密導(dǎo)航定位作用的 P碼進行電子干擾。AS技術(shù)使得用C/A碼工作的用戶無法再和 P碼相位測量聯(lián)合解算進行雙頻電離層精密測距修正，

6、實際降低了用戶定位精度。3. 確定GPS衛(wèi)星軌道是減少星歷誤差和消除技術(shù)影響的根本方法利用區(qū)域性GPS跟蹤網(wǎng)可以確定GPS衛(wèi)星軌道。跟蹤站地心坐標(biāo)的誤差對衛(wèi)星軌道的影響是10倍或更大。因此，要提供優(yōu)于2m精度的衛(wèi)星軌道要求跟蹤站地心坐標(biāo)的精度優(yōu)于0.1m。據(jù)介紹，采用強約束全球站松弛軌道的加權(quán)約束基準(zhǔn)方法，可以得出優(yōu)于5cm的相對坐標(biāo)值，基本上可以滿足我國現(xiàn)階段區(qū)域性定軌的需要。如果，以我國現(xiàn)有 GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)站，根據(jù)對各衛(wèi)星記錄的觀測值，計算出對現(xiàn)有廣播星歷軌道根數(shù)的誤差改正值，可以進一步計算長弧軌道的精密星歷，從而能直接向用戶播發(fā)精密星歷，取代現(xiàn)有的&技術(shù)降低精度以后的廣播星歷。三、太陽

7、光壓對GPS衛(wèi)星產(chǎn)生攝動加速度太陽光壓對衛(wèi)星產(chǎn)生攝動影響衛(wèi)星的軌道，它是精密定軌的最主要誤差源。太陽光壓對衛(wèi)星產(chǎn)生的攝動加速度受太陽與地球間距離的變化(地球軌道偏心距)而引起太陽輻射壓力的變化，也與太陽光強度、衛(wèi)星受到的照射面程和照射面積與太陽的幾何關(guān)系及照射面的反 射和吸收特性有關(guān)，由于衛(wèi)星表面材料的老化、衛(wèi)星姿態(tài)控制的誤差等也使太陽光壓發(fā)生變 化。已有的太陽光壓改正模型有：標(biāo)準(zhǔn)光壓模型、多項式光壓模型和 ROCK4光壓攝動模型， 這幾種光壓模型精度基本上相當(dāng)，可以滿足1m定軌的要求。最近有人提出，用附加隨機過程參數(shù)的方法或者對較長的軌道用一階三角多項式逼近非模型化的長期項影響，可得到更理精

8、品文檔你我共享AAAAAA想的結(jié)果，甚至可以滿足0.10.2m精度的定軌要求。四、電離層的信號傳播延遲電離層引起碼信號傳播延遲，它與沿衛(wèi)星和用戶接收機視線方向上的電子密度有關(guān)，在垂直方向上延遲值在夜間平均可達3m左右，白天可達15m，在低仰角情況下分別可達 9m和45m,在反常時期這個值還會加大。為了削弱電離層延遲所引起的定位精度損失，在長基準(zhǔn)測量中用雙頻接收機采集GPS數(shù)據(jù)，對觀測成果進行實時電離層延遲改正，可以獲得很好的效果。對于單頻接收機的用戶，雖然可以用數(shù)學(xué)模型進行改正，但其殘差仍然很大。也可以用提高衛(wèi)星高度截止角減少其影響。在赤道和地極附近存在著嚴(yán)重的電離層赤道擾動和地極擾動。因而，

9、利用雙頻GPS接收機觀測，只適用于沒有電離層擾動的中緯度地區(qū)來進行電離層改正。赤道擾動。最壞的電離層影響是在赤道附近。強烈影響大概在 10。以內(nèi)的區(qū)域，此影響可延續(xù)至赤道兩邊的 30。擾動一般在日落到午夜發(fā)生，延續(xù)到第二天黎明。 它是由電離層中電子含量小規(guī)模無規(guī)律引起的，它有幾米到幾千米的波長，這些無規(guī)律的電子密度能夠產(chǎn)生衍射和反射效應(yīng)，接收的信號能使相位和振幅變異，它能妨礙GPS衛(wèi)星信號跟蹤，引起周跳。甚至基線在10km以內(nèi)時，強烈的電子水平分布梯度能使模糊度解算不能進行。地極擾動。它沒有赤道附近那么強烈，它的發(fā)生與磁暴活動有關(guān)，它主要是位于磁緯的69。70。的極光帶。在強磁暴期間，這些極光

10、影響能延伸到中緯度地區(qū)，使周跳數(shù)增多。五、對流層的信號傳播延遲對流層延遲是電磁波信號通過對流層時其傳播速度不同于真空中光速所引起的。分干大氣分量和濕大氣分量。 在低仰角時它可以達到 20m。其中干大氣分量約占 80%90%,可以 用一定的模型大部分改正掉。溫大氣分量數(shù)值雖不大，但它隨緯度和高度的變化呈現(xiàn)出很大 的變化，而且隨時間變化得非?？?。由于空氣中的水汽和干氣相當(dāng)難以預(yù)測，所以測量中往往測量的是干、濕分量混合體，故難以得到它的準(zhǔn)確值。 到目前為止已開發(fā)出來了許多計算 濕對流層延遲的實用模型，但對流層延遲仍為主要誤差源。對流層延遲與電離層延遲一樣，主要影響天頂方向， 由于它們的相關(guān)性， 在短

11、基線測量中會很好的消除，在長基線測量中采取雙頻接收機也能很好的減少其影響。對于對流層延遲，多用隨機過程模擬和濾波方法進行參數(shù)估算及函數(shù)逼近方法模擬改正。好的數(shù)學(xué)模型改正， 可以使基線天頂方向提高到水平方向（平面坐標(biāo)）接近的水平。六、多路徑誤差多路徑誤差是指 GPS信號射至其他的物體上又反射到GPS接收天線上，對 GPS信號直接射至GPS接收天線上的直接波的干擾。多路徑誤差的大小，取決于反射波的強弱和 用戶天線抗衡反射波的能力。用戶天線附設(shè)仰徑板，當(dāng)仰徑板半徑為40cm,天線高于1m至2m,可抑制多路徑影響。據(jù)大量資料的分析統(tǒng)計，多路徑誤差有以下危害：當(dāng)邊長小于10km時，主要誤差源是天線的對中

12、誤差和多路徑誤差；多路徑誤差對點位坐標(biāo)的影響，在一般環(huán)境下可達59cm，在高反射環(huán)境下可達 15cm;在高反射環(huán)境（城鎮(zhèn)、水體旁、沙灘、飛機、艦船等） 下，碼信號受多徑誤差的影響，可導(dǎo)致接收機的相位失鎖；實踐證明，觀測值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的。131釦接收機天線附近的水平面、垂直面和斜面都會使GPS信號產(chǎn)生鏡反射。天線附近的地形地物，例如道路、樹木、建筑物、池塘、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構(gòu)成鏡反射。因此，選擇GPS點位時應(yīng)特別注意避開這些地形地物，采取提高天線高度和其他防止多路 徑誤差的措施七、周跳1. 周跳和周跳的產(chǎn)生周跳也稱為失周。在精密的 GPS相對定位中采用的觀測值是

13、相位觀測值。相位觀測值 是接收機本機振蕩產(chǎn)生的相位與接收到的衛(wèi)星載波相位之差，在量測時，只能測到不足1周的小數(shù)部分（可準(zhǔn)到0.01周）。在理想條件下，接收機在鎖住衛(wèi)星后可保持跟蹤，從而測出包括整數(shù)部分的相位變化量，因此每個歷元的相位觀測量與接收機到衛(wèi)星的距離相差載波波長的一個整數(shù)倍，它是一個固定不變的值， 該整數(shù)被稱為整周模糊度， 在解算時與其他參數(shù) 精品文檔你我共享AAAAAA一起求出。在實際觀測條件下，接收機往往會由于某種原因（如衛(wèi)星信號被擋?。πl(wèi)星短時間失去跟蹤，在失去跟蹤時間內(nèi)相位的變化就不能被測出，稱為失周或失鎖，也稱為周跳。在短距離GPS基線定位中，大氣軌道誤差基本被抵消，電離層

14、和對流層延遲由于它們的相 關(guān)性也消除了大部分影響，失周大小能保持較好的整數(shù)特性，較容易處理產(chǎn)生周跳的原因，可分為外部原因和接收機質(zhì)量問題。外部原因有：衛(wèi)星信號被天線附近的地形地物短時間遮擋；動態(tài)測量時，由于載體運動速度太快或天線傾斜使信號丟失；由于多路徑誤差、電離層活動加劇、對流層延遲影響，使衛(wèi)星信號的噪聲偏大而產(chǎn)生周跳。 GPS接收機質(zhì)量不佳：衛(wèi)星信號在接收機電路中受干擾，導(dǎo)致信號丟失；接收機內(nèi)信號處 理單元質(zhì)量不佳；接收機內(nèi)跟蹤環(huán)路設(shè)計不理想，在某些環(huán)境下，將使相位發(fā)生180或90位移，從而產(chǎn)生周跳或 1/4周跳。2. 周跳對點位坐標(biāo)的影響在GPS相位測量中，觀測數(shù)據(jù)中大于10周的周跳，在

15、數(shù)據(jù)預(yù)處理時不難發(fā)現(xiàn)，可予以消除。然而，小于10周的周跳，特別是15周的周跳，以及半周跳和 1/4周跳，不易發(fā) 現(xiàn)，而對含有周跳的觀測值周跳的影響視為觀測的偶然誤差，因而嚴(yán)重影響坐標(biāo)的精度。據(jù)拉查佩利的統(tǒng)計，一個周跳對經(jīng)度、緯度、高程的影響為L = 0.03 0.06mB= 0.10 0.18mh= 0.14 0.16m可見，即使只有一個衛(wèi)星存在一個周跳，也會對所測點產(chǎn)生幾厘米的誤差。由于一個點位坐標(biāo)是由4個以上衛(wèi)星所確定的，故周跳對點位坐標(biāo)的影響取決于以下因素：1. 所測衛(wèi)星的數(shù)量；2. 所測衛(wèi)星組成的幾何圖形；3. 周跳影響各分量的大小和周跳次數(shù)。然而，即使只有一個衛(wèi)星殘存有一個周跳，也會

16、使該次定位點位坐標(biāo)有幾毫米至幾厘米的誤差。由此可見，凡精度要求達到厘米級或分米級的GPS定位測量，都必須清除觀測數(shù)據(jù)中的全部周跳。3.周跳的探測和修復(fù)周跳的處理可分為 2步：從觀測數(shù)據(jù)中探測出全部周跳及將探測出的周跳加以全部修 復(fù)。周跳的探測和修復(fù)都應(yīng)在觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段進行。GPS相對定位中的失周處理是非常麻煩復(fù)雜的問題，因而應(yīng)盡量避免周跳的發(fā)生。為此，對于儀器本身應(yīng)通過儀器檢定， 在測定其質(zhì)量確定可靠時才能用于測量作業(yè)，在測量作業(yè)中尤其應(yīng)防止多路徑的影響，避免失周的現(xiàn)象發(fā)生。對于周跳的探測和修復(fù)已有許多軟件處理方法。如文獻2,也可以用組成單差、 雙差、3差和4差，根據(jù)組成高階差數(shù)后，周跳

17、被成倍放大，階數(shù)越高，放大倍數(shù)越大的特性，能 夠快速有效地探測出周跳。先進的GPS接收機內(nèi)裝有 專用算法器”可探測出大部分周跳，供處理數(shù)據(jù)時使用。避免和正確處理周跳，是提高GPS測量精度的關(guān)鍵。八、GPS測量儀器的質(zhì)量檢定上面已經(jīng)談到GPS接收機常存在鐘誤差、通道間的偏差、鎖相環(huán)延遲、碼跟蹤環(huán)偏差、 天線相位中心偏差等。所以必須先了解儀器性能、工作特性及其可能達到的精度水平。它是制定GPS作業(yè)計劃的依據(jù)，也是GPS定位測量順利完成的重要保證。也就是說對GPS測量儀器必須先進行作業(yè)前的檢驗，沒有檢驗的儀器是不能用于作業(yè)的。測量型GPS接收機實測檢驗項目有：天線相位中心穩(wěn)定性測試； 內(nèi)部噪聲水平測

18、試； 野外作業(yè)性能及不同測程精度指標(biāo)的測試； 頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價； 高低溫性能測試。關(guān)于測量型GPS接收機的檢定目的、檢定項目和檢定方法見國家測繪局發(fā)布的中華人民共和國 測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全球定位系統(tǒng) （GPS）測量型接收機檢定規(guī)程 （1995-07-01）。九、單、雙頻接收機比較3比較單、雙頻接收機的優(yōu)缺點，便于用戶選型時參考。精品文檔你我共享AAAAAA謝世杰.GPS接收機現(xiàn)狀J 石油物探裝備,1995(1 )沁園春單頻接收機的優(yōu)點是：需要電子元件較大，對微處理器的要求較低，不需要昂貴的互相關(guān)器或Z碼發(fā)生器，產(chǎn)品數(shù)量大，價格只有雙頻接收機的一半；不易出故障，平均無故障時間（MBFT）約為8000h;不受DODP碼保密的限制； 邊長短于10km時比雙頻 結(jié)果精度高； 功耗低，體積小，重量輕，給外業(yè)帶來方便。缺點是： 點間距離超過2030km時，定位精度受到電離層、對流層延遲的影響。凡 點位相對精度要求 2X10-6時，邊長不宜超過2030km; 在快速靜態(tài)和動態(tài)測量中觀測時 間比雙頻接收機長。雙頻接收機的優(yōu)點是：可以基本消除電離層延遲對點位坐標(biāo)的影響，點間距離可達1000km;在快速靜態(tài)和動態(tài)測量中觀測時間比單頻機短。單頻機的優(yōu)點則是雙頻機的主要缺點。十、結(jié)束語對于GPS控制網(wǎng)基線測量