GPS测量的误差及其对策探讨

摘要:本文探讨了GPS测量方法与数据处理,并重点分析了GPS测量的误差。为更好地利用GPS测量技术提供了相关理论基础。

关键词:GPS测量 误差分析 数据处理 1 前言

全球定位系统又被称为GPS,通过地球上的接收机,GPS测量可以接收人造卫星发出的电波,并加以分析,测量出该地的三维坐标值。由于其具有着快速、高精度及全天候等常规测量不具有的优点,而深受喜爱。

2 动态测量

在测量区选定一个基准点,设置天线与接收机在已知点上作为固定基准点,跟踪可见卫星,并将另一台流动接收机置于未知的观测点上,在对所测卫星跟踪而不失锁的情况下,使接收机可以在各观测点上观测数秒钟,这种测量方法就是动态测量。与静态测量相比,动态测量虽然能够高效测量多个未知点,但其精度不理想。

3快速静态测量

这种测量方法是在观测中选定一个基准站使一台接收机在已知控制点的基准站上不动,另几台接收机移动到各待定点,并观测数分钟,

然后,再移至下点作出类似观测。

4 静态测量

这种测量方法是以两台以上的天线和接收机放置在数条基线的两端测站点上,同步观测卫星。观测数据经计算程序处理后,求得各观测站点的坐标值。这种测量方法的精度较高。可以用于一些精度要求较高的控制测量工程测量中。

5实时动态测量 6快速静态测量

在每一用户上,GPS接收机静止地观测,同时利用接收的基准站观测数据,实时地解算用户测点与整周未知数的坐标值。定为精度较高。

7动态测量

在某一起始点上,静止观测数分钟,进行初始化工作,然后,运动的接收机按采样间隔自动进行观测,利用基准站的同步观测数据确定采样点的空间位置。这种测量方法的定位精度可以达到厘米级。

8准动态测量

在观测工作开始前,流动的接收机首先在某一起点上静止地进行观测,采用快速解算整周未知数,进行实时初始化工作。流动的接收机在观测站上需静止观测数分钟,同时利用同步观测数据,解算流动站的

三维坐标值。

9 GPS测量数据处理 10 数据预处理

进行GPS数据预处理是为了获得GPS观测基线向量,并对成果进行检核。预处理是为进一步的平差计算作准备,对原始数据进行编辑加工整理,并产生专用信息文件。

11 GPS网的平差处理

在进行过质量检核后,以独立基线组成的闭合图形、三线基线与其相应协方阵作为观测信息,然后以一个点的三维坐标作为依据,进行GPS网坐标转换与平差处理。

GPS定位中,影响观测量精度的主要误差来源分为三类:与卫星有关的误差;与信号传播有关的误差;与接收设备有关的误差。

12 GPS测量的误差及其对策

根据误差的性质可分为:系统误差和偶然误差。系统误差主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。为了减弱和修正系统误差对观测量的影响,一般根据系统误差产生的

原因而采取不同的措施:引入相应的未知参数,在数据处理中联同其他未知参数一井求解;建立系统误差模型,对观测量加以修正;将不同观测站,对相同卫星的同步观测值求差,以减弱和消除系统误差的影响;简单地忽略某些系统误差的影响。偶然误差包括多路径效应误差和观测误差等。

GPS观测量均以精密测量时为依据。GPS定位中,无论码相位观测还是载波相位观测,都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上,尽管卫星上设有高精度的原子钟,仍不可避免地存在钟差和漂移,偏差总量约在1ms内,引起的等效距离可达300km。卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定,通过卫星的导航电文提供给用户。经钟差模型改正后,各卫星钟之间的同步差保持在20ns以内,引起的等效距离偏差不到6m。各卫星钟经过改正的残差,在相对定位中,可通过观测量求差(差分)方法消除。由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响,而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律,因此,卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。目前,通过导航电文所得的卫星轨道信息,相应的位置误差约20～40m。随着摄动力模型和定轨技术的不断完善,卫星的位置精度将可提高到5～10m。卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。卫星轨道偏差对绝对定位的影响可达几十米到一百米。而在相对定位中,由于相邻测站星历误差具有很强的相关性,因此对相对定位的影响远远低于对绝对定位的影响,不过,随着基线距离的增加,卫星轨道偏差引起的基线误差将不断加大。

多路径效应,也称多路径误差,即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。两种信号迭加,将引起测量参考点位置变化,使观测量产生误差。在一般反射环境下,对测码伪距的影响达米级,对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中,影响显著增大,且常常导致卫星失锁和产生周跳。措施是安置接收机天线的环境应避开较强发射而,如水面、平坦光滑的地面和建筑表面;选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线;适当延长观测时间,削弱周期性影响;改善接收机的电路设计。

接收设备有关的误差,主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不确定性影响。观测误差,除分辨误差外,还包括接收天线相对测站点的安置误差。分辨误差一般认为约为信号波长的l%。安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线相位中心高度(天线高)误差。接收机钟差,GPS接收机一般设有高精度的石英钟,日频率稳定度约为10～11。如果接收机钟与卫星钟之问的同步差为ls,则引起的等效距离误差为300m。处理接收机钟差的方法,作为未知数,在数据处理中求解;利用观测值求差方法,减弱接收机钟差影响;定位精度要求较高时,可采用外接频标,如铆、艳原子钟,提高接收机时间标准精度。

其他误差来源有地球自转影响、相对论效应、卫星钟和接收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星轨道摄动模型误差、地球潮汐以及信号传播的相对论效应等都会对观测量产生影响。为提高长距

离相对定位的精度,满足地球动力学研究要求,研究这些误差来源,并确定它们的影响规律和改正方法,有重要意义。