影响GPS定位精度因素及应对措施

2011-04-14崔志成

水科学与工程技术 2011年1期

关键词：多路径对流层电离层

崔志成

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

影响GPS定位精度因素及应对措施

崔志成

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

在任何地区，利用GPS技术进行定位建立控制网时，其精度都会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的误差主要来源于卫星、卫星信号的传播过程、地面接收设备、控制网网型和其他信号干扰。文中对各项误差的来源和性质，提出了有针对性的措施，并以此进行改正。

GPS；定位精度；卫星；接收机；误差

1 影响GPS定位精度的误差因素

1.1 与卫星有关的误差

1.1.1 星历误差

指由星历所给出的卫星在空间位置与实际位置之差。卫星星历分为广播星历和精密星历。采用精密星历，在静态精密定位中有重要作用。

1.1.2 卫星钟误差指由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包括钟随机误差。以上两项误差是由卫星自身引起的，无法进行改正。

1.2 与接收设备有关的误差

1.2.1 接收机安置误差

接收机天线相位中心相对于测站标石中心的误差。包括天线整平、对中误差和量取天线高误差。精密定位时，必须仔细操作，以减少误差的影响。

1.2.2 接收机计算误差

接收机噪声及接收机确定卫星信号传播时间的精度也有一定局限性，从而造成计算位置出现偏差。一般情况下，接收机引起的误差比信号传输过程中引起的误差要小。

1.2.3 卫星与接收机组成的几何形状的影响（PDOP）

用全球卫星导航系统进行导航，定位精度与接收机中定位卫星组成的几何形状有紧密关系，最好的几何形状就是PDOP值最小时。在开放、无遮挡的区域，卫星覆盖非常好，PDOP值就会很小。

1.2.4 接收机计算误差

由接收机自身的精度决定，无法进行改正，而接收机安置误差和卫星与接收机组成的几何形状的影响可以通过具体操作来解决。

1.3 与信号传播有关的误差

卫星信号从太空传输到接收机，要经过大气层中的电离层和对流层，它们会引起电磁波传播的延迟，使信号穿过大气层的速度不相同。接收卫星信号受周围环境的影响，可能会产生多路径效应。

1.3.1 电离层折射误差

电离层是距地面50～1000km的大气层，电离层受辐射产生大量的自由电子和正离子，使传播信号的路径发生弯曲，传播速度也会发生变化，造成接受信号延迟，距离产生误差，从而影响观测精度。在GPS信号传输路径中，自由电子密度越高对GPS信号影响越大，这是GPS信号传播中最主要的一个误差来源。为了满足高精度的GPS测量，故引入电离层延迟改正模型。由于影响电离层折射的因素很多，无法建立严格的数学模型，它只是一种经验估算公式，反应的是全球的平均状况。

1.3.2 对流层折射误差

地面上不同的地方，气压、湿度等不一样，气体中包含的水汽会引起信号的反射；从上至下大气层密度越来越大，气温越来越高，对信号会产生折射。这样，传播信号的路径会发生变化，使距离产生误差。卫星高度角越大，信号穿越大气层的路径就会越短，影响也会越小，反之影响会越大。为了消弱对流层折射误差的影响，引入对流层模型，以便对测量的距离加以改正。

1.3.3 多路径效应误差

GPS信号和光信号的传播一样，也会受到反射，地面接收设备不仅接收来自卫星的原始信号，同时也接收经过高大建筑物、山体或大面积水域的反射干扰信号，多路径的信号传播称为多路径效应。接收机接受的干扰信号会削弱收到的GPS卫星的原始信号，造成位置计算误差，是影响GPS定位精度的重要误差源。

1.4 其他干扰产生的误差

受障碍物遮挡，接收卫星信号会暂时中断；因微波信号、电磁信号干扰造成失锁；电源故障使信号暂时中断，计数器无法连续计数，产生周跳。重新跟踪信号后，整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值是正确的。解算基线时，有周跳的观测值会出现很大的残差。

1.5 与控制网布设有关的误差

布网的几何图形包括三边形、四边形、五边形等，一般采用四边形布网；连接方式包括边连式、点连式、网连式、边点混合连接式、多边形连接等，点连式的几何强度很弱，容易造成控制网的扭曲变形，应避免使用。

边长的长短直接影响边长的相对精度；独立闭合环数会直接影响控制网的精度。

2 应对措施

2.1 减小接收机误差的措施

2.1.1 接收机安置误差

仪高的量取、仪器对中整平等会直接影响定位精度，需要加强人员培训，使操作人员熟练掌握操作全过程。另外，不同仪器的动态与静态切换、电量的实时监测对观测结果也很重要。

2.1.2 仪高量取

量取仪高的部位应统一，在互为120°方向上量取3次，天线高限差应小于3mm，盒尺精度要有保证，在没有粗差的情况下，取3次的平均值作为最终仪高。

2.1.3 仪器对中整平

对中设备的精度直接影响控制网的点位精度和边长相对精度，测前需要对所有设备进行全面检验，脚架需稳固，基座对中部位在互为180°的方向上，对中精度偏离控制在1mm之内。

2.1.4 卫星与接收机组成的几何形状的影响

在某一时段上PDOP会大于10，致使定位精度降低，需要进行星厉预报，避开超过指标要求的时段。

2.2 消弱信号传播误差的措施

2.2.1 电离层折射误差

通过采用双频接收机，比较GPS卫星信号L1和L2载波，计算出大气层的影响，可以有效减弱电离层折射的影响。

2.2.2 对流层折射误差

考虑到对流层的折射与卫星的高度角有关，高度角越小，信号穿过大气层的距离越长，产生的折射误差越大，因此对接收机或接收数据必须进行高度角的限制，最大限度地消弱对流层的影响。

2.2.3 多路径效应误差

因多路径误差的复杂性，无法建立改正模型，只能采取消弱措施。点位选择时，应避开引发多路径效应的物体如大面积水面、大面积水泥地面、高大建筑物等；汽车停靠点不得离测站距离过近；不宜选在山坡、山谷、盆地中，以免反射信号从天线抑径板（仪器上抑制多路径效应的装置）上方进入接收机。

2.3 消弱信号干扰误差的措施

消除信号干扰影响，主要是选择合适的点位。在实地选点时，需要综合各方面的因素，多进行观察，避开对信号产生干扰的区域：①远离大功率无线电发射源200m以上，如电视台、电台及微波站等，远离高压线和微波传送通道50m以上；②接收机附近不应适用对讲机，以免对卫星信号产生干扰；③在视场内避开障碍物如树木的影响，以免对信号造成遮挡，产生周跳。

如果基线解算结果发现残差，对接受数据进行必要的覆盖，修复整周跳变。如果因为电源中断使信号暂时中断，中断前后信号本身失去了连续性，修复周跳就失去了意义。