GPS測(cè)量誤差

在GPS測(cè)量中，影響觀測(cè)精度的主要誤差可分為以下三類：

一、與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差

與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差

1. 衛(wèi)星鐘差

由于衛(wèi)星的位置是時(shí)間的函數(shù)，因此，GPS的觀測(cè)量均發(fā)精密測(cè)時(shí)為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對(duì)應(yīng)的信息，是通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)的編碼信息傳送給接收機(jī)的。在GPS定位中，無(wú)論是碼相位觀測(cè)或是載波相位觀測(cè)，均要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步。實(shí)際上，以盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是它們與理想的GPS時(shí)之間，仍存在著難以避免的偏差和漂移。這種偏差的總量約在1ms以內(nèi)。

對(duì)于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)確定，并通過(guò)衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機(jī)。經(jīng)鐘差改正后，各衛(wèi)星之間的同步差，即可保持在20ns以內(nèi)。

在相對(duì)定位中，衛(wèi)星鐘差可通過(guò)觀測(cè)量求差（或差分）的方法消除。

2. 衛(wèi)星軌道偏差

估計(jì)與處理衛(wèi)星的軌道偏差較為困難，其主要原因是，衛(wèi)星在運(yùn)行中要受到多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站，以難以充分可靠的測(cè)定這作用力，并掌握它們的作用規(guī)律，目前，衛(wèi)星軌道信息是通過(guò)導(dǎo)航電文等到的。

應(yīng)該說(shuō)，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前GPS測(cè)量的主要誤差來(lái)源之一。測(cè)量的基線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，此項(xiàng)誤差的影響就越大。

在GPS定位測(cè)量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下直種方法:

1） 忽略軌道誤差

這種方法以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準(zhǔn)，不再考慮衛(wèi)星軌道實(shí)際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中。

2） 采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù)

這種方法是在數(shù)據(jù)處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)這些參數(shù)為常量，將其與其它求知數(shù)一并求解。

3） 同步觀測(cè)值求差

這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站一同，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對(duì)不同觀測(cè)站同步觀測(cè)量的影響，具有系統(tǒng)誤差性質(zhì)，所以通過(guò)上述求差的方法，可以明顯的減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，尤其當(dāng)基線較短時(shí)，其效用更不明顯。

這種方法對(duì)于精度相對(duì)定位，具有極其重要的意義。

二、與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差

與衛(wèi)星信號(hào)有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)

1. 電離層折射的影響

GPS衛(wèi)星信號(hào)的其它電磁波信號(hào)一樣，當(dāng)其通過(guò)電離層時(shí)，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號(hào)的傳播路徑發(fā)生變化。當(dāng)GPS衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對(duì)信號(hào)傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)，則影響最大。

為了減弱電離層的影響，在GPS定位中通常采用下面措施

（1）利用雙頻觀測(cè)

由于電離層的影響是信號(hào)頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。便能多確定其影響，而對(duì)觀測(cè)量加以修正。因此，具有雙頻的GPS接收機(jī)，在精密定位中測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。不過(guò)應(yīng)當(dāng)明確指出，在太陽(yáng)輻射的正午或在太陽(yáng)黑子活動(dòng)的異常期，應(yīng)盡量避免觀測(cè)。在尤其是精密定位測(cè)量。

（2）利用電離層模型加以修正

對(duì)于單頻GPS接收機(jī)，為了減弱電記屋的影響，一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對(duì)觀測(cè)量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率約為75％。

（3）利用同步觀測(cè)值求差

這一方法是利用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī)，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)的求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當(dāng)觀測(cè)站間的距離較近時(shí)（＜20km），由于衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)各觀測(cè)站的路徑相近，所經(jīng)過(guò)的介質(zhì)狀況相似，因此通過(guò)各觀測(cè)站對(duì)相同衛(wèi)星信號(hào)的同步觀測(cè)值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響，其殘差將不會(huì)超過(guò)0.000001。對(duì)于單頻GPS接收機(jī)而言，這種方法的重要意義尤為明顯。

2. 對(duì)流層折射的影響

對(duì)流層折射對(duì)觀測(cè)值的影響，可分為干分量與濕分量。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號(hào)傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對(duì)于干分量的影響，可通過(guò)地面的大氣資料計(jì)算；濕分量目前尚無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定。對(duì)于輸送短的基線（＜50km），濕分量的影響較小。

關(guān)于對(duì)流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法：

（1）定位精度要求不高時(shí)，可不考慮其影響。

（2）采用對(duì)流層模型進(jìn)行改正；

（3）采用觀測(cè)量求差的方法。與電離層的影響相類似，當(dāng)觀測(cè)站間相距不遠(yuǎn)（＜20km）時(shí)，由于信號(hào)通過(guò)對(duì)流層的路徑相近，對(duì)流層的物理特性相近，所以對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，可以明顯的減弱對(duì)流層折射的影響。

3. 多路徑效應(yīng)影響

多路徑效應(yīng)亦稱多路徑誤差，是指接收機(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)，信號(hào)疊加將會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)（相位中心點(diǎn)）位置的變化，從而便觀測(cè)量產(chǎn)生誤差，而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)碼偽距的影響可達(dá)到米級(jí)，對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)。而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號(hào)失鎖和使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生周跳。因此，在精密GPS導(dǎo)航和測(cè)量中，多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的。

目前減弱多路徑效應(yīng)影響的措施有：

（1）安置接收機(jī)天線的環(huán)境，應(yīng)避開較強(qiáng)的反射面，如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。

（2）選擇造型適宜且屏蔽良好的天線等。

（3）適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響。

（4）改善GPS接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)，了減弱多路徑效應(yīng)的影響。

三、接收設(shè)備有關(guān)的誤差

與GPS接收機(jī)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)的整周不定性影響。

1. 觀測(cè)誤差

觀測(cè)誤差包括觀測(cè)的分辨誤差及接收機(jī)天線相對(duì)于測(cè)站點(diǎn)的安置誤差等。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為觀測(cè)的分辨誤差約為信號(hào)波長(zhǎng)的1％。故知道載波相位的分辨誤差比碼相位不小，由于此項(xiàng)誤差屬于偶然誤差，可適當(dāng)?shù)卦黾佑^測(cè)量，將會(huì)明顯地減弱其影響。

接收機(jī)天線相對(duì)于觀測(cè)站中心的安置誤差，主要是天線的置不與對(duì)中誤差以及量取天線高的誤差，在精密定位工作中，必須認(rèn)真，仔細(xì)操作，以盡量減小這種誤差的影響。

2. 接收機(jī)的鐘差

盡管GPS接收機(jī)高有高精度的石英鐘，其日頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10的-11方，但對(duì)載波相位觀測(cè)的影響仍是不可忽視的。

處理接收機(jī)鐘差較為有效的方法是將各觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差間看成是相關(guān)的，由此建立一個(gè)鐘差模型，并表示為一個(gè)時(shí)間多項(xiàng)式的形式，然后在觀測(cè)量的平差計(jì)算中統(tǒng)一求解，得到多項(xiàng)式的系數(shù)，因而也得到接收機(jī)的鐘差改正。

3. 載波相位觀測(cè)的整周未知數(shù)

載波相位觀測(cè)上當(dāng)前普遍采用的最精密的觀測(cè)方法，由于接收機(jī)只能測(cè)定載波相位非整周的小數(shù)部份，而無(wú)法直接測(cè)定開波相位整周數(shù)，因而存在整周不定性問(wèn)題。

此外，在觀測(cè)過(guò)程中，由于衛(wèi)星信號(hào)失鎖而發(fā)生的周跳現(xiàn)象。從衛(wèi)星信號(hào)失鎖到信號(hào)重新鎖定，對(duì)載波相位非整周的小數(shù)部分并無(wú)影響，仍和失鎖前保持一致，但整周數(shù)卻發(fā)生中斷而不再連續(xù)，所以周跳對(duì)觀測(cè)的影響與整周未知數(shù)的影響相似，在精密定位的數(shù)據(jù)處理中，整周未知數(shù)和周跳都是關(guān)鍵性的問(wèn)題。

4. 天線的相位中心位置偏差

在GPS定位中，觀測(cè)值是以接收機(jī)天線相位中心位置為準(zhǔn)的，因而天線的相位中心與其幾何中心理論上保持一致?？墒?，實(shí)際上天線的相位中心位置隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，即觀測(cè)時(shí)相位中心的瞬時(shí)位置（稱為視相位中心）與理論上的本單位中心位置將有所不同，天線相位中心的偏差對(duì)相對(duì)定位結(jié)果的影響，根據(jù)天線性能的優(yōu)劣，可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米。所以對(duì)于精密相對(duì)定位，這種影響是不容忽視的。

在實(shí)際工作中，如果使用同一類型的天線，在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站上，同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，那么便可通過(guò)觀測(cè)值求差，以削弱相位中心偏移的影響。需要提及的是，安置各觀測(cè)站的天線時(shí)，均奕按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極。