浅析GPS测量的误差及对应措施

1、浅析GPS测量的误差及对应措施朱道璋 张永红（江西省水利规划设计院 江西 南昌330029）摘要 本文主要探讨了GPS测量误差源中的电离层、对流层对GPS信号传播的延迟、多路径效应和接收机误差及其对应措施。关键词 GPS 误差 措施1引言GPS （ Global Positioning System ）卫星定位系统转为民用后，其应用领域已渗透到我们生活的各个方面，如水利、交通、气象、自然灾害的监测等等。由于GPS定位系统是基于美国军方的国家战略研发的，所以其对外开放的彻底性还有所保留；加上整个系统本身研发时的局限性和民用领域的不断延伸，所以同其它测量手段一样GPS测量误差也不可避免。GPS测量

2、误差按其生产源可分三大部分：一是GPS卫星的自身误差。包括星历误差、钟误差和相对论效应；二是GPS信号的传输误差。包括太阳光压、电离层延迟、对流层延迟、多路径传播和由它们影响或其他原因产生的周跳。三是GPS接收机的误差。主要包括钟误差、位置误差、天线相位中心偏差等。另外在高精度的GPS测量中，还应注意到与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等的影响。按GPS误差性质又可分为系统误差与偶然误差。偶然误差主要包括信号的多路径效应，而系统误差则是GPS测量的主要误差源。由于篇幅的关系，从以上GPS测量众多误差中主要介绍和探讨GPS的第二种误差，即电离层延迟、对流层延迟、多路径效应和接收机的

3、误差。2GPS测量的误差2.1 电离层信对号传播的延迟1 电离层对信号的影响所谓电离层，指地球上空距地面高度在50km1000km之间的大气层。电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和离子。当GPS信号通过电离层时，如同其他电磁波一样，信号的路径发生弯曲，传播速度也会发生变化。电离层含有较高密度的电子，它与太阳黑子活动状况、地球上地理位置的不同、季节变化和不同时间有关。据资料分析，电离层电子密度白天约为夜间的5倍；一年中，冬季为夏季的4倍；太阳黑子活动最激烈时可为最小时的4倍。另外，电磁波传播延迟还与电磁波传到GPS天线的方位有关。水平方向比天顶方向

4、迟延最大可差3倍。与接收机视线方向上的电子密度有关，在垂直方向上延迟值在夜间平均可达3m左右，白天可达15m，在低仰角情况下分别可达9m和45m，在反常时期这个值还会加大。2在赤道和地极附近存在着严重的电离层赤道扰动和地极扰动赤道扰动。最坏的电离层影响是在赤道附近。强烈影响大概在±10°以内的区域，此影响可延续至赤道两边的±30°。扰动一般在日落到午夜发生，延续到第二天黎明。地极扰动。它没有赤道附近那么强烈，它的发生与磁暴活动有关，它主要是位于磁纬的69°70°的极光带。在强磁暴期间，这些极光影响能延伸到中纬度地区，使周跳数增多。3

5、减弱电离层影响的措施（1）利用双频接收机观测，可有效地减弱电离层折射的影响；（2）利用电离层改正模型加以修正；（3）利用同步观测值求差。这种方法对于短基线的效果尤为明显，这时经电离层折射改正后基线长度的残差一般为1ppm。这很适合于我们一般的短距离的相位定位工程测量观测，既是单频接收机也可达到相当高的精度。2.2 对流层的信号传播延迟对流层是高度为40mk以下的大气底层，其大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂，大气层中质量99%都集中在此层，这一层也是气象现象主要出现的地区。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低，GPS信号通过对流层时，也使传播的路径发生弯曲，从而使

6、测量距离产生偏差，这种现象既为对流层折射。对流层的折射比电离层更复杂。对流层折射的影响与信号高度角有关，在天顶方向延迟可达2.3m，在高度角10度时延迟可达20m。对流层延迟与电离层延迟一样，主要影响天顶方向，由于它们的相关性，在短基线测量中会很好的消除，用相位定位既可达到要求，在长基线测量中采取双频接收机也能很好的减少其影响。对于对流层延迟，多用随机过程模拟和滤波方法进行参数估算及函数逼近方法模拟改正。好的数学模型改正，可以使基线天顶方向提高到水平方向(平面坐标)接近的水平。2.3 多路径误差多路径误差是指GPS信号射至其他的物体上又反射到GPS接收天线上，对GPS信号直接射至GPS接收天线

7、上的直接波的干扰。也就是天线接收的信号不但有直接从卫星发射的信号，还有从反射的电磁波，这两种信号叠加作为观测值，定会产生误差，该误差称为多路径效应。多路径效应是GPS测量中一种重要的误差源，将严重损害GPS测量的精度，严重时还将引起信号的失锁。下表给出了不同反射物面对频率为2GHZ的微波信号的反射系数a。水面稻田野地森林山地a损耗（分贝）a损耗（分贝）a损耗（分贝）a损耗（分贝）1.000.820.640.310多路径误差的大小，取决于反射波的强弱和用户天线抗衡反射波的能力。用户天线附设仰径板，当仰径板半径为40cm,天线高于1m至2m,可抑制多路径影响。据大量资料的分析统计，多路径误差有以下

8、危害： 当边长小于10km时，主要误差源是天线的对中误差和多路径误差； 多路径误差对点位坐标的影响，在一般环境下可达59cm，在高反射环境下可达15cm; 在高反射环境(城镇、水体旁、沙滩、飞机、舰船等)下，码信号受多径误差的影响，可导致接收机的相位失锁； 实践证明，观测值中的很多周跳都是由于多路径误差引起的。接收机天线附近的水平面、垂直面和斜面都会使GPS信号产生镜反射。天线附近的地形地物，例如建筑物、水面、道路、树木、建筑物、水沟、沙滩、山谷、山坡等都能构成镜反射。因此，选择GPS点位时应特别注意避开这些地形地物，采取提高天线高度和其他防止多路径误差的措施。3结束语3.1 系统误差是GPS

9、测量的主要误差源 GPS误差按性质可分为系统误差和偶然误差。偶然误差主要包括信号的多路径效应，系统误差主要卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折光误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位的结果都比偶然误差大得多，是GPS测量的主要误差源。通过对GPS测量误差的分析和探讨，在实际作业中我们充分认识到GPS观测误差的重要性。1. 在作业过程中，在GPS接收机满足作业精度要求的情况下，测量的主要误差源是多路径误差、周跳和点位的对中误差。作业中应尽量避免它们的发生并减少其误差。2. 电离层延迟和对流层延迟主要影响基线测量两点间的高差精度，两点间高差愈大影响也愈大。如果改正公式和参数不恰当

10、，它可能产生每1m高差就有1mm的误差，即1mm/m(误差/高差)。电离层和对流层延迟对平面坐标(L、B或X、Y)影响甚微，几乎没有影响。电离层和对流层延迟具有相关性，基线愈短相关性越强，在短基线测量中它们的影响会有很好的消除。这就是边长短于10km时，单频结果比双频结果精度高的原因。3. 由GPS测量的误差源可以看出，GPS网的设计已免除了测角、边角同测和测边网等的传统要求。它不需要点间通视，也不需要考虑布设什么样的图形，也就更不需要考虑图形强度，不需要设置在制高点上(哪里需要就可以设置在哪里)。所以GPS网的设计是非常灵活的。但也应注意以下几个问题： 除了特殊需要，一般GPS基线长度相差不

11、要过大，这样可以使GPS测量的精度分布均匀； GPS网不要有开放式的网型结构，应构成封闭式闭合环和子环路； 应尽量消除多路径影响，防止GPS信号通过其他物体反射到GPS天线上，因此应避开强反射的地面，避开强反射环境，如大面积水面、建筑物等； 避开强电磁波干扰，设站应远离雷达站、电台、微波中继站等。3.2 GPS的最新发展与改进面对导航市场的迅速发展和强大的竞争压力，美国政府不得不作出反映，计划在未来10年内对GPS做一系列的调整和改进。对GPS的改进将对GPS系统的3个部分进行，其中对星座部分的改进最大。GPS星座的改进(1)改善星座的分布(2)增强卫星的自主导航能力 (3)增加民用频率(4)

12、频率复用(5)增强卫星发射信号的功率2地面监控部分的改进卫星位置的精度直接影响到用户的定位精度，而地面监控站的数量和分布部分地决定了GPS卫星定轨的质量。目前GPS共有5个监控站，卫星位置的精度为1m2m。美国军方正计划将国家制图局（NIMA）的7个GPS监控站纳入目前的控制网，使将来的监控站的分布更加均匀、密度更大，为了计算卫星的位置提供更多的、更及时的高质量观测数据。预计在未来10年，卫星星历的精度将达到亚米级，甚至达到厘米级，同时，向卫星上传数据的频率也将更高。3用户接受部分的改进由于用户的用途不同，用户接受机的改进也是多样化的。接收机的硬件部分正朝多样化、小型化、模块化、集成化、操作简单等方向发展，例如出现了一些新的接收机可根据用户的需求用软件设定单频GPS、双频GPS等模式。接收机的面板上只有一、两个按钮和若干个显