淺析影響GPS測量誤差因素和精度控制

　　顏海岸

　　廣西崇左市地質(zhì)勘查院廣西崇左市532200

　　摘要：本文介紹GPS測量產(chǎn)生誤差的各項主要影響因素，討論了測量精度控制的問題。

　　關(guān)鍵詞：GPS測量;精度控制

　　一、軌道誤差(星歷誤差)和SA,AS影響

　　1.1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,從而即可知觀測瞬間所觀測的衛(wèi)星位置,所以衛(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政策人為地使導航定位的精度降低,點位誤差有時達到100m�？刂凭W(wǎng)的靜態(tài)GPS測量是利用載波相位測量的原理,一般是將一個點設為已知點而與另一個待定點位同步觀測GPS衛(wèi)星,取得載波相位觀測值,從而得出待定點位的坐標或兩點間的坐標值,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-tmieDGPS),即將已知坐標的點布設為基準點,通過基準站取得誤差校正值,通過數(shù)據(jù)鏈實時傳給導航定位的移動站,從而消除SA影響及兩站共同的誤差,提高了移動站的導航定位精度。加濾波等處理的導航軟件以及組合導航系統(tǒng),已使導航定位差分距離在100km左右時精度達到亞米級,差分距離大于1500km時達到米級。

　　1.2美國的SA技術(shù)與AS影響

　　SA技術(shù)是選擇可用性(SelectiveAvailability)的簡稱,它是由兩種技術(shù)使用戶的定位精度降低,即δ(dither)技術(shù)和ε(epsilon)技術(shù)。δ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,最后導致定位產(chǎn)生干擾誤差,ε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碼相位測量值聯(lián)合解算進行雙頻電離層精密測距修正,實際降低了用戶定位精度。

　　1.3確定GPS衛(wèi)星軌道是減少星歷誤差和消除ε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)約束基準方法,可以得出優(yōu)于±5cm精度的相對坐標值,基本上可以滿足我國現(xiàn)階段區(qū)域性定軌的需要。如果根據(jù)我國現(xiàn)有的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)站對各衛(wèi)星記錄的觀測值,計算出現(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ε技術(shù)降低精度以后的廣播星歷。

　　二、太陽光壓對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影響(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),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:標準光壓模型、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,可以滿足±1m定軌的要求。

　　三、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)星高度截止角的辦法減少其影響。在赤道和地極附近存在著嚴重的電離層赤道擾動和地極擾動。因而,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)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,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,這些極光影響能延伸到中緯度地區(qū),使周跳數(shù)增多。

　　四、多路徑誤差

　　多路徑誤差是指GPS信號射至到其他物體上又反射到GPS接收天線上,而對GPS信號直接射至到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。用戶天線附設仰徑板,當仰徑板半徑為40cm,天線高于1m至2m時,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:①當邊長小于10km時,主要誤差源是天線的對中誤差和多路徑誤差;②多路徑誤差對點位坐標的影響,在一般環(huán)境下可達5~9cm,在高反射環(huán)境下可達15cm;③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,可導致接收機的相位失鎖;④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。接收機天線附近的水平面、垂直面和傾斜面都會使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。

　　五、周跳

　　5.1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)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)星信號被擋住)對衛(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。

　　5.2周跳對點位坐標的影響

　　在GPS相位測量中,觀測數(shù)據(jù)中大于10周的周跳,在數(shù)據(jù)預處理時不難發(fā)現(xiàn),可予以消除。然而,小于10周的周跳,特別是1~5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其周跳的影響視為觀測值的偶然誤差,因而嚴重影響坐標的精度。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

　　ΔL=0.03~0.06m

　　ΔB=0.10~0.18m

　　Δh=0.14~0.16m

　　可見,即使只有一個衛(wèi)星存在一個周跳,也會對測點產(chǎn)生幾厘米的誤差。由于一個點位坐標是由4個以上衛(wèi)星所確定的,故周跳對點位坐標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,也會使該次定位點位坐標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。

　　5.3周跳的探測和修復

　　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。周跳的探測和修復都應在觀測數(shù)據(jù)的預處理階段進行。GPS相對定位中的失周處理是非常麻煩復雜的問題,因而應盡量避免周跳的發(fā)生。為此,對于儀器本身應通過儀器檢定,在測定其質(zhì)量確實可靠時才能用于測量作業(yè),在測量作業(yè)中尤其應防止多路徑的影響,避免失周的現(xiàn)象發(fā)生。對于周跳的探測和修復已有許多處理方法�？梢越M成單差、雙差、3差和4差,根據(jù)組成高階差數(shù)后,周跳被成倍放大,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。

　　六、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。它是制訂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:①天線相位中心穩(wěn)定性測試;②內(nèi)部噪聲水平測試;③野外作業(yè)性能及不同測程精度指標的測試;④頻標穩(wěn)定性檢驗和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價;⑤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)標準,全球定位系統(tǒng)(GPS)測量型接收機檢定規(guī)程(1995-07-01)。

　　參考文獻

　　[1]許其鳳.GPS衛(wèi)星導航與精密定位[M].北京:解放軍出版社,1994.

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