GPS測量誤差

在GPS測量中，影響觀測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)星的位置是時間的函數(shù)，因此，GPS的觀測量均發(fā)精密測時為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對應(yīng)的信息，是通過衛(wèi)星信號的編碼信息傳送給接收機(jī)的。在GPS定位中，無論是碼相位觀測或是載波相位觀測，均要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)時鐘保持嚴(yán)格的同步。實際上，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)。

對于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過對衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測確定，并通過衛(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)。

在相對定位中，衛(wèi)星鐘差可通過觀測量求差（或差分）的方法消除。

2. 衛(wèi)星軌道偏差

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

應(yīng)該說，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前GPS測量的主要誤差來源之一。測量的基線長度越長，此項誤差的影響就越大。

在GPS定位測量中，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)星軌道實際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實時單點定位工作中。

2） 采用軌道改進(jìn)法處理觀測數(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） 同步觀測值求差

這一方法是利用在兩個或多個觀測站一同，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影響，具有系統(tǒng)誤差性質(zhì)，所以通過上述求差的方法，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，其效用更不明顯。

這種方法對于精度相對定位，具有極其重要的意義。

二、與衛(wèi)星信號傳播有關(guān)的誤差

與衛(wèi)星信號有關(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)星信號的其它電磁波信號一樣，當(dāng)其通過電離層時，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號的傳播路徑發(fā)生變化。當(dāng)GPS衛(wèi)星處于天頂方向時，電離層折射對信號傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時，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

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

（2）利用電離層模型加以修正

對于單頻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觀測量加以修正，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）利用同步觀測值求差

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

2. 對流層折射的影響

對流層折射對觀測值的影響，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傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對于干分量的影響，可通過地面的大氣資料計算；濕分量目前尚無法準(zhǔn)確測定。對于輸送短的基線（＜50km），濕分量的影響較小。

關(guān)于對流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法：

（1）定位精度要求不高時，可不考慮其影響。

（2）采用對流層模型進(jìn)行改正；

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

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，信號疊加將會引起測量參考點（相位中心點）位置的變化，從而便觀測量產(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)實驗資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對測碼偽距的影響可達(dá)到米級，對測相偽距的影響可達(dá)到厘米級。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)星信號失鎖和使載波相位觀測量產(chǎn)生周跳。因此，在精密GPS導(dǎo)航和測量中，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)延長觀測時間，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，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誤差，接收機(jī)鐘差，天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不定性影響。

1. 觀測誤差

觀測誤差包括觀測的分辨誤差及接收機(jī)天線相對于測站點的安置誤差等。

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

接收機(jī)天線相對于觀測站中心的安置誤差，主要是天線的置不與對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，但對載波相位觀測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時刻的接收機(jī)鐘差間看成是相關(guān)的，由此建立一個鐘差模型，并表示為一個時間多項式的形式，然后在觀測量的平差計算中統(tǒng)一求解，得到多項式的系數(shù)，因而也得到接收機(jī)的鐘差改正。

3. 載波相位觀測的整周未知數(shù)

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

此外，在觀測過程中，由于衛(wèi)星信號失鎖而發(fā)生的周跳現(xiàn)象。從衛(wèi)星信號失鎖到信號重新鎖定，對載波相位非整周的小數(shù)部分并無影響，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)，所以周跳對觀測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)鍵性的問題。

4. 天線的相位中心位置偏差

在GPS定位中，觀測值是以接收機(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?？墒牵瑢嶋H上天線的相位中心位置隨著信號輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，即觀測時相位中心的瞬時位置（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相對定位結(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。所以對于精密相對定位，這種影響是不容忽視的。

在實際工作中，如果使用同一類型的天線，在相距不遠(yuǎn)的兩個或多個觀測站上，同步觀測同一組衛(wèi)星，那么便可通過觀測值求差，以削弱相位中心偏移的影響。需要提及的是，安置各觀測站的天線時，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。