GPS测量中误差原因及精度控制

GPS测量中误差原因及精度控制

管备备

安徽省第四测绘院安徽省230031

摘要：GPS（GlobalPositioningSystem）系统全称全球定位系统，具有全球性、全天候、连续性等特点，通过地面接收设备对同一时刻接受多颗卫星发出的信息来计算其与这几颗卫星之间的距离，然后根据空间距离后方交会原理绘制三维坐标系，从而确定地面目标的位置，可为全球任何一个用户提供精确度非常高的时间、速度三维坐标等信息的技术参数。本文针对GPS测量误差来源进行分析，并提出精度控制措施。

关键词：精度控制；测量；GPS

1关于GPS定位系统

1.1空间卫星群

24颗卫星（轨道高度2.02万公里）组成的就是GPS空间卫星群，其分布在六个特定轨道上，各面间的交角是60°，而地球赤道和轨道的倾斜角是55°，卫星轨道运行的周期是11小时58分，也只有这样才能确保在任何地点、时间、地平线处能够最少收取到4颗卫星发出的信号。

1.2地面控制系统

其主要是由3个注入站、1个主控站、5个监测站所组成的，其中注入站作用就是把主控站计算出的信息全部注进到卫星里；主控站作用就是通过GPS观测出的数据，对卫星钟改正参数以及将卫星星历计算出来，然后再将计算结果利用注入站传送到卫星当中；监控站作用是接收卫星所发出的信号，对卫星工作情况进行监测。

1.3用户部分

GPS用户部分是由气象仪、计算机、数据处理软件以及接收器所组成的，用户部分的作用就是收取卫星所发出的信号，然后通过这些接收到的信号来定位导航。随着科技的不断发展，也产生出了很多重量轻、易携带、体积小的GPS。

2GPS测量中误差来源分析

2.1卫星信号传播误差

首先是电离层折射的影响。分子在太阳的影响下会发生电离，那这也就让卫星信号在传播时发生一定延迟，这样的话测量结果也会有误差。GPS卫星信号和其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，使其信号的传播路径发生变化。当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。其次是对流层的影响。对流层是从地面往上40公里，大气99%的质量都是集中在对流层中，这也就是气象主要的出现地区，当信号传输到对流层中时会产生折射的影响。对流层大气折射率是由湿、干这两个分量组成的，湿分量的传播是和大气高度、湿度有关的，干分量则是和大气压相关。最后是多路径效应影响。多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参考点（相位中心点）位置的变化，从而使观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。

2.2地面接受设备产生的误差

根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。故知道载波相位的分辨误差比码相位不小，由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。另一方面与GPS信号接收天线的定位精确度有关；其次就是信号接收天线中心位置的偏差，由于信号在传至接收天线时会出现时强时弱的现象，导致天线的相位中心发生改变，不能与其几何中心重合，使得测量出现误差；最后是接收机时钟误差，通常GPS信号接收机内部时钟都选用石英晶体振荡器，稳定度变化范围为1×10-6～5×10-6，由于卫星时钟与地面信号接收机时钟在同步性上出现差距，哪怕是一点差距都会造成很大的等效距离误差，严重影响测量的准确度。

2.3轨道误差（星历误差）

由于地面用户在确定观测瞬间某一卫星的位置时是根据相关部门以星历的形式发播的一定精度的卫星轨道，卫星轨道和星历是密切相关的，因此轨道误差又称为星历误差，而卫星星历误差又与伪距误差是等效的。卫星星历的测定是根据地面监测站对卫星进行跟踪监测数据而得来的，因为在测量过程中卫星本身会受到摄动力等多种作用力的影响，地面监测站也存在一定的误差，所以得到的卫星轨道、卫星星历也是存在误差的，从而由卫星星历所提供的卫星的位置与实际准确的卫星位置也是存在偏差的。在所有的测量误差原因中，星历误差是最主要也是最重要的误差来源。

3GPS测量精度控制测量的相关措施

3.1信号传播精度控制

为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采用下面措施：（1）利用电离层模型加以修正。对于单频GPS接收机，为了减弱电离层的影响，一般是采用导航电文提供的电离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率约为75%。（2）利用同步观测值求差。这一方法是利用两台或多台接收机，对同一卫星的同步观测的求差，以减弱电离层折射的影响，尤其当观测站间的距离较近时（<20公里），由于卫星信号到达各观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差，便可显著的减弱电离层折射影响，其残差将不会超过0.000001。对于单频GPS接收机而言，这种方法的重要意义尤为明显。

3.2地面接受设备测量的精度控制

首先是观测误差的精度控制，一般来说ROCK4光压摄动模型、多项式光压模型、标准光压模型这三种太阳光压改正模型的应用都能够满足1m定轨的需求。其次是接收机钟精确度控制，对于单点定位，要把钟差带入方程中进行求解；对于载波相位相对定位，要采用观测值求差法；对于高精度定位，要采用外接频标的方法。最后是天线中心位置误差精度控制，要求在设计天线时天线盘上指定方向为北方，在相对定位时采用求差法来减少相位中心偏差的误差影响。

3.3卫星精度控制

在确定GPS卫星轨道时采用区域性GPS跟踪网，跟踪站地心坐标一旦产生误差会以10倍甚至更大的比例影响到卫星轨道的精确测量，因此为确保精度优于2m的卫星轨道就需要跟踪站的地心坐标有优于0.1m的精确度，约束全球基站的松弛轨道加权的约束基准方法，从中可以得出优于5cm的相对坐标值，这与我国现阶段的区域性定轨的相应需求基本符合，利用现有的跟踪站对卫星观测数值进行计算卫星轨道根数的误差改正值，以此提高长轨道卫星星历的计算精度，然后向用户发播精确度较高的星历，提高GPS导航定位的准确性。

4结语

综上所述，导致GPS测量误差的原因主要来自卫星、卫星信息传播以及地面接收设备三个方面，该文通过对导致误差形成的原因进行详尽的分析，并据此提出了减少这些误差的相关对策，以期进一步提高测量的精度，最大程度确保GPS导航定位的准确性。

参考文献：

[1]张珍云.GPS定位测量相关误差分析及修正[J].湖北工程学院学报.2015（06）

[2]鲁洋为，王振杰，聂志喜，等.不同天线组合对GPS姿态测量精度的影响分析[J].海洋测绘，2014（6）：43-45.

作者简介：

管备备（1985.7-），男，安徽六安人，南京林业大学测绘工程学士，单位：安徽省第四测绘院。