阜新市规划设计研究院
摘要：尽管GPS已成为高精度的导航定位系统，但它仍存在一些定位误差。GPS 系统的定位误差直接影响着GPS定位精度，本文对其产生的来源和性质进行了介绍和初步分析。
关键词：误差 精度 星历 信号
GPS定位误差按其产生来源可分为3大部分：
GPS信号的自身误差，包括轨道误差(星历误差)和 SA干扰误差影响；
GPS信号的传输误差，包括电离层折射，对流层折射，多路径效应和由它们影响或其他原因产生的周跳；
GPS接收机的误差，主要包括钟误差，接收机的位置误差，接收机天线相位中心偏差等；
一，星历误差和SA干扰误差
1.星历误差
卫星星历误差又等效为伪距误差。由于卫星轨道受地球和日、月引力场、太阳光压、潮汐等摄动力及大气阻力的影响，而其中有的是随机影响，而不能精密确定，使卫星轨道产生误差。目前，GPS卫星轨道误差的等效伪距误差为4.2m。美国的SA政策和AS政策人为地使导航定位的精度降低，点位误差有时达到100m。
控制网的静态GPS测量是利用载波相位测量，一般是由一个点设为已知点与一个待定点位同步观测GPS卫星，取得载波相位观测值，从而得出待定点位的坐标或两点间的坐标值，称为基线测量，短基线测量可以消除SA影响。动态测量解决SA影响的途径是实时差分定位,即在已知坐标点上布设基准点，通过基准站取得误差校正值，通过数据链实时传给导航定位的移动站，从而消除SA影响及两站的各种共同的误差，提高了移动站的导航定位精度。
2.SA干扰误差
SA误差是美国军方为了限制非特许用户利用GPS进行高精度点定位而采用的降低系统精度的政策，简称SA政策，它包括降低广播星历精度的ε技术和在卫星基本频率上附加一随机抖动的δ技术。实施SA技术后，SA误差已经成为影响GPS定位误差的最主要因素。虽然美国在2000年5月1日取消了SA，但是战时或必要时，美国可能恢复或采用类似的干扰技术。
二，GPS信号的传输误差
1.电离层折射
在地球上空距地面50～100 km 之间的电离层中,气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离,形成大量的自由电子和正离子。当GPS 信号通过电离层时,与其他电磁波一样,信号的路径要发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量的距离发生偏差,这种影响称为电离层折射。对于电离层折射可用3 种方法来减弱它的影响: ①利用双频观测值,利用不同频率的观测值组合来对电离层的延尺进行改正。②利用电离层模型加以改正。③利用同步观测值求差,这种方法对于短基线的效果尤为明显。
2.对流层折射
对流层的高度为40km 以下的大气底层,其大气密度比电离层更大,大气状态也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的增加而降低。GPS 信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种现象称为对流层折射。减弱对流层折射的影响主要有3 种措施: ①采用对流层模型加以改正,其气象参数在测站直接测定。②引入描述对流层影响的附加待估参数,在数据处理中一并求得。③利用同步观测量求差。
3.多路径效应
测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线,将和直接来自卫星的信号(直接波) 产生干涉,从而使观测值偏离,产生所谓的“多路径误 差”。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆减弱多路径误差的方法主要有: ①选择合适的站址。测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中,应离开高层建筑物。②选择较好的接收机天线,在天线中设置径板,抑制极化特性不同的反射信号。
4.周跳对点位坐标的影响
在GPS相位测量中，观测数据中大于10周的周跳，在数据预处理时不难发现，可予以消除。然而，小于10周的周跳，特别是1～5周的周跳，以及半周跳和1/4周跳，不易发现，而对含有周跳的观测值周跳的影响视为观测的偶然 误差，因而严重影响坐标的精度。
据拉查佩利的统计，一个周跳对经度、纬度、高程的影响为
ΔＬ＝0.03～0.06m
ΔB＝0.10～0.18m
Δh＝0.14～0.16m
可见，即使只有一个卫星存在一个周跳，也会对所测点产生几厘米的误差。 由于一个点位坐标是由4个以上卫星所确定的，故周跳对点位坐标的影响取决于以下因素：
（1）. 所测卫星的数量；
（2）. 所测卫星组成的几何图形；
（3）. 周跳影响各分量的大小和周跳次数。
然而，即使只有一个卫星残存有一个周跳，也会使该次定位点位坐标有几 毫 米至几厘米的误差。由此可见，凡精度要求达到厘米级或分米级的GPS定位测量，都必须清除观测数据中的全部周跳。周跳的处理可分为2步：从观测数据中探测出全部周跳及将探测出的周跳加以全部修复。周跳的探测和修复都应在观测数据的预处理阶段进行。GPS相对定位中的失周处理是非常麻烦复杂的问题，因而应尽量避免周跳的发生。为此，对于仪器本身应通过仪器检定，在测定其质量确定可靠时才能用于测量作业，在测量作业中尤其应防止多路径的影响，避免失周的现象发生。
三,与GPS 接收机有关的误差
1．接收机钟差
GPS 接收机一般采用高精度的石英钟,接收机的钟面时与GPS 标准时之间的差异称为接收机钟差。把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数,并认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的,在数据处理中与观测站的位置参数一并求解，可减弱接收机钟差的影响。
2.接收机的位置误差
接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差,叫接收机位置误差。其中包括天线置平和对中误差,量取天线高误差。在精密定位时,要仔细操作,来尽量减少这种误差影响。在变形监测中,应采用有强制对中装置的观测墩。
3.接收机天线相位中心偏差
在GPS 测量时,观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的,而天线的相位中心与其几何中心,在理论上应保持一致。但是观测时天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,这种差别叫天线相位中心的位置偏差。这种偏差的影响可达数毫米至厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。在实际工作中若使用同一类天线,在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星,可通过观测值求差来减弱相位偏移的影响。
结束语
对于GPS控制网基线测量，基线长度较短的情况下，GPS的轨星历误差，和美国SA技术基本对测量精度不发生影响。在作业过程中，在GPS接收机满足作业精度要求的情况下，测量的主要误差源是多路径误差、周跳和点位的对中误差。作业中应尽量避免它们的发生并减少其误差。电离层折射和对流层折射主要影响基线测量两点间的高差精度，两点间高差愈大影响也愈大。如果改正公式和参数不恰当，它可能产生每1m高差就有1mm的误差，即1mm/m(误差/高差)。电离层和对流层折射对平面坐标(L、B或X、Y)影响甚微，几乎没有影响。电离层和对流层折射具有相关性，基线愈短相关性越强，在短基线测量中它们的影响会有很好的消除。
参考文献
[1] 徐绍铨．GPS测量原理及应用．武汉测绘科技大学出版社．1998.10．
[2]许其凤.GPS卫星导航与精密定位〔M〕.北京：解放军出版社，1994.
[3] 张小红等．GPS定位技术在不同领域的应用[J]．武汉:测绘信息与工程．
论文作者:郑艳光
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/24
标签：误差论文; 接收机论文; 对流层论文; 电离层论文; 相位论文; 测量论文; 天线论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;