ＧＰＳ在数据测量中的误差因素

黄燕明

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；数据误差；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、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6~8ms的误差,则其影响可达180~240cm。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,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60~1000km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50～150rn。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Pinwheel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:①天线相位中心稳定性测试;②内部噪声水平测试;③野外作业性能及不同测程精度指标的测试;④频标稳定性检验和数据质量的评价;⑤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,我们可以通过严密的野外观测程序来减少这种错误或粗差。作业前,检查各接收机的设置,确保各接收机设置正确一致;作业时,野外记录的测站名、位置、观测时间和天线高要清楚准确,而且必需在观测开始和结束时分别测量、记录天线高。

结束语

只有对GPS测量误差的进一步诠释，理解了这些误差源的性质、大小及其影响，并采取相应的措施将其减弱，从而得以进一步提高其观测成果的精度。