GPS在数据测量中的误差因素

1、GPS在数据测量中的误差因素摘要: 本文通过对 GPS测量的误差来源进行分析 , 总结出各类误差对 GPS测量精度的影响 , 指导我们在进行 GPS测量时如何消除或减弱各类误差对 GPS测量精度的影响 , 达到快速取得满足 GPS测量精度要求的成果。关键词: 卫星;GPS引言如其他测量一样 ,GPS测量同样不可避免地受到测量误差的影响。 GPS是一 个庞大的系统 （由GPS卫星、用户和地面的监控站三部分组成 ）, 误差的组成也很 复杂。根据不同的研究方向和研究重点 ,误差的分类各有不同 ; 通常是按误差的 性质将其分为系统误差和偶然误差两类 ; 按误差对测量结果的影响程度把误差分 为噪声误差、

2、偏差和偶然误差 ; 按误差的来源将其分为与卫星有关的误差、与信 号传播有关的误差、与接收机有关的误差、野外工作失误四种类型。本文按误 差的来源对 GPS测量误差进行分析。1 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 , 主要包括卫星星历的误差、卫星钟的误差、 SA技术与 AS技术的影响、地球自转的影响和相对论效应的影响等。1.1 卫星星历的误差 卫星星历的误差指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏 差。由于卫星星历是 GPS定位的主要数据依据 , 是由地面监控站跟踪检测 GPS卫 星求定的。由于地面检测站测试的误差 , 以及卫星在空中运行受到多种摄动力影 响,地面监控站难以充分可靠地测定这些

3、作用力的影响 , 使得测定的卫星轨道会 有误差; 另外由地面注入站给卫星的广播星历和由卫星向地面发送的广播星历 , 都是由地面监测的卫星轨道外推计算出来的 , 使得由广播星历提供的卫星位置与 卫星实际位置之间有误差。减弱星历误差影响的途径 : 采用由美国国防制图局 （DMA）生产的精密星历以及由国际 GPS服务（IGS） 生产的精密星历 ; 建立自己的跟 踪网独立定轨 ,采用不断改进的定轨技术及摄动力模型 ,根据实测星历 ,获得较好 的定轨精度 ; 采用相对定位作业模式 ,用同步观测值求差来降低或消除这一误差 ; 在大区域测区 , 采用轨道松弛法 , 求得测站位置及轨道改正数 ,对无法获取精密

4、星 历进行补救。1.2 卫星钟的钟差 GPS测量的原理是信号由卫星传播到接收机的传播时间乘以卫星信号的传 播速度。如果卫星信号中有 68ms的误差, 则其影响可达 180240cm。可见 GPS 的测量精度与时钟 （卫星和接收机的时钟 ） 误差密切相关。虽然 GPS卫星都采用 高精度的原子钟 ,但由于主控站 （及监控站）的控制和调整 ,仍不能完全改正卫星 钟的钟面时与 GPS时之间的同步误差及卫星钟与卫星钟之间的同步误差 , 通过卫 星的导航电文提供给用户。这样就存在两种时间误差 , 并引起等效的距离误差。 在相对定位中 ,卫星钟差或经主控站 （及监控站 ）改正后的残差可通过观测量求差 （ 或

5、差分 ） 得以消除 , 而接收机钟与卫星钟之间的同步误差 （ 即接收机钟差 ） 也可通 过观测值求差得以有效的减弱。因此卫星钟差通过模型和数据处理方法可以得到一定程度的修正。1.3 地球自转的影响卫星在运行中 ,不仅是受地球质心引力的作用 , 还受到地球潮汐、太阳光压 太阳和月球的引力 ,大气阻力等作用。因此必须建立各种摄动力模型 , 对卫星轨 道加以修正 , 满足卫星精密定位的需要。通过地面监控站实测 GPS卫星在某一时 间的位置,对卫星的轨道进行改正 ,实现精密定轨 ,同时当卫星信号到达测站 ,由 于地球自转使卫星信号产生时间延迟 , 从而引起坐标变化 , 可根据地球自转速度 求出旋转角度

6、 , 建立相关坐标模型消除地球自转的影响。2 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差 , 主要包括电离层延迟、对流层折射的影响和多路径 效应的影响、周跳。2.1 电离层延迟电离层（含平流层）是高度在 601000km间的大气层 ,在这一层中 ,由于太阳 的作用, 使大气中的分子发生了电离 ,而电离层中的电子密度是变化的 ,它与太阳 黑子活动状况、地球上地理位置、季节变化和时间有关。 GPS卫星信号在通过 电离层时 ,和其它电磁波信号一样要受到带电介质的非线性散射特性的影响 , 不 仅传播速度发生变化 , 信号的传播路径亦会发生弯曲 ,所以电离层对 GPS信号的 影响会使利用 GPS接收机所测

7、得的卫星至天线之间的距离产生误差。对 GPS信 号而言, 这种距离误差可达 50150rn。可以采用如下方法来削弱电离层对信号 影响:2.1.1 利用双频改正技术。由于电离层对信号的影响与信号本身频率有关 , 根据 L1/L2 的频率的信号是沿同一路径到达接收机的 , 只存在电离层折射影响不 同,利用 L1/L2 的频率观测值直接解算出电离层的时延差点改正数。经过双频观 测值改正后 ,伪距残差可达厘米级。 2.1.2 采用电离层模型加以改正 ,对 GPS单 频机, 在导航电文中提供电离层改正模型 , 将电离层延迟影响减少 75%。2.1.3 对于短距离基线 （ 测站间距离 20KM以内）, 可

8、采用两个或多个观测站 同步观测量求差 ,由于卫星到两个测站电磁波传播路径上的大气状况很相似 , 因 此,通过求差 ,可以削弱电离层延迟的影响。2.2 对流层延迟对流层是高度在 50km以下的大气层 , 大气中质量 99%都在此层中。这一层 也是气象现象主要出现的地区。受地面气候的影响非常大 , 对 GPS卫星信号的折 射比电离层更为复杂。对流层对信号的折射误差与信号传播路线上的温度、气 压和湿度有关 , 同时还与卫星的高度角及测站的正高有关。对流层对信号折射所 造成的卫星到测站距离的误差一般为几米至十几米。在施测 GPS控制网时 , 为了 削弱对流层的折射影响 , 首先应进行模型改正。实测地区

9、气象资料利用气象模型 改正, 能减少对流层对电磁波延迟达 92%93%。由于模型改正仅能切削去对流层 折射影响的大部分 ,在观测值中仍会含有少量由对流层折射造成的误差 , 此时应 再利用差分技术进一步削弱对流层折射的影响。2.3 多路径误差 多路径效应是由于接收机天线不只是接收到卫星直接发射的信号 , 还接收到 经接收机天线周围物体一次或多次反射的卫星信号 , 把这两种叠加的信号作为观 测量来解算 , 定位结果中就含有这种多路径信号影响的误差。为了减少多路径效 应影响,在选点时 , 点位应尽量避开强反射物 （如水面、平坦光滑地面和平整的建 筑物）; 选用能削弱多路径效应的天线 （如具有 Pin

10、wheel 技术的天线 ;采用扼流线 圈）; 可能时,延长观测时间 ,最好在一天的不同时间进行观测。2.4 周跳 卫星信号被障碍物暂时阻挡或受无线电信号干扰产生整周跳变即周跳。对 周跳必须进行修复 , 检验和使用周跳的方法通常有 : 屏幕扫描法 , 多项式拟合法 , 卫星间求差法。根据残差修复整周跳变。解决周跳的根本途径是提高外业观测 的条件,重视选点条件等 , 人为地避免周跳的发生。3 与接收机有关的误差GPS测量的主要观测量是卫星信号从卫星到接收机的时间延迟 , 为了测量时 间延迟,要在接收机内复制测距码信号 , 并通过接收机的时间延迟器进行 A相移, 使复制的码信号与接收到的相应码信号达

11、到最大相关 , 其必须的相移量 , 便是卫 星发射的码信号到达接收机天线的传播时间。卫星发射码与接收机内复制的相 应测距码之间的相位差 , 通常其大小约为码元宽度的 1%。根据相位差与码元宽 度的这种关系 , 我们可初步估计各种波长的信号的观测精度。与接收机有关的误差还包括接收机钟差、通道间的偏差、锁相环延迟、码 跟踪环偏差、天线相位中心的偏差、和天线的安置精度。要减弱接收设备的误 差对观测精度的影响 , 必须在作业前先了解仪器的性能、工作特性及其要达到的 精度要求,制定好 GPS作业计划,这也是 GPS定位测量顺利完成的保证。因此 ,必 须定期对 GPS接收机进行检验 , 检验项目有 : 天线相位中心稳定性测试 ; 内部 噪声水平测试 ; 野外作业性能及不同测程精度指标的测试 ; 频标稳定性检验 和数据质量的评价 ; 高低温性能测试。4 野外工作失误对于野外工作失误 （如: 错误的测量天线高、错误的测站名、对中整平误 差、选择了错误的天线类型 ）和矛盾的接收机设置 （如: 数据采样率不一致、钟漂 移率过大、高度截止角过高、卫星开启或禁用混乱、数据格式不统一 ）, 产生的 错误或粗差 , 我们可以通过严