GPS測量誤差

　　在GPS測量中，影響觀(guān)測精度的主要誤差可分為以下三類(lèi)：

　　一、與GPS衛星有關(guān)的誤差

　　與GPS衛星有關(guān)的誤差主要包括衛星的軌道誤差和衛星鐘的誤差

　　1. 衛星鐘差

　　由于衛星的位置是時(shí)間的函數，因此，GPS的觀(guān)測量均發(fā)精密測時(shí)為依據，而與衛星位置相對應的信息，是通過(guò)衛星信號的編碼信息傳送給接收機的。在GPS定位中，無(wú)論是碼相位觀(guān)測或是載波相位觀(guān)測，均要求衛星鐘與接收機時(shí)鐘保持嚴格的同步。實(shí)際上，以盡管GPS衛星均設有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是它們與理想的GPS時(shí)之間，仍存在著(zhù)難以避免的偏差和漂移。這種偏差的總量約在1ms以?xún)取?/p>

　　對于衛星鐘的這種偏差，一般可由衛星的主控站，通過(guò)對衛星鐘運行狀態(tài)的連續監測確定，并通過(guò)衛星的導航電文提供給接收機。經(jīng)鐘差改正后，各衛星之間的同步差，即可保持在20ns以?xún)取?/p>

　　在相對定位中，衛星鐘差可通過(guò)觀(guān)測量求差（或差分）的方法消除。

　　2. 衛星軌道偏差

　　估計與處理衛星的軌道偏差較為困難，其主要原因是，衛星在運行中要受到多種攝動(dòng)力的復雜影響，而通過(guò)地面監測站，以難以充分可靠的測定這作用力，并掌握它們的作用規律，目前，衛星軌道信息是通過(guò)導航電文等到的。

　　應該說(shuō)，衛星軌道誤差是當前GPS測量的主要誤差來(lái)源之一。測量的基線(xiàn)長(cháng)度越長(cháng)，此項誤差的影響就越大。 

　　在GPS定位測量中，處理衛星軌道誤差有以下直種方法:

　　1） 忽略軌道誤差

　　這種方法以從導航電文中所獲得的衛星軌道信息為準，不再考慮衛星軌道實(shí)際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中。

　　2） 采用軌道改進(jìn)法處理觀(guān)測數據

　　這種方法是在數據處理中，引入表征衛星軌道偏差的改正參數，并假設在短時(shí)間內這些參數為常量，將其與其它求知數一并求解。

　　3） 同步觀(guān)測值求差

　　這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀(guān)測站一同，對同一衛星的同步觀(guān)測值求差。以減弱衛星軌道誤差的影響。由于同一衛星的位置誤差對不同觀(guān)測站同步觀(guān)測量的影響，具有系統誤差性質(zhì)，所以通過(guò)上述求差的方法，可以明顯的減弱衛星軌道誤差的影響，尤其當基線(xiàn)較短時(shí)，其效用更不明顯。

　　這種方法對于精度相對定位，具有極其重要的意義。

　　二、與衛星信號傳播有關(guān)的誤差

　　與衛星信號有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應

　　1. 電離層折射的影響

　　GPS衛星信號的其它電磁波信號一樣，當其通過(guò)電離層時(shí)，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號的傳播路徑發(fā)生變化。當GPS衛星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對信號傳播路徑的影響最小，而當衛星接近地平線(xiàn)時(shí)，則影響最大。

　　為了減弱電離層的影響，在GPS定位中通常采用下面措施

　?。?）利用雙頻觀(guān)測

　　由于電離層的影響是信號頻率的函數，所以利用不同頻率的電磁波信號進(jìn)行觀(guān)測。便能多確定其影響，而對觀(guān)測量加以修正。因此，具有雙頻的GPS接收機，在精密定位中測量中得到廣泛的應用。不過(guò)應當明確指出，在太陽(yáng)輻射的正午或在太陽(yáng)黑子活動(dòng)的異常期，應盡量避免觀(guān)測。在尤其是精密定位測量。

　?。?）利用電離層模型加以修正

　　對于單頻GPS接收機，為了減弱電記屋的影響，一般是采用導航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對觀(guān)測量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率約為75％。

　?。?）利用同步觀(guān)測值求差

　　這一方法是利用兩臺或多臺接收機，對同一衛星的同步觀(guān)測的求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當觀(guān)測站間的距離較近時(shí)（＜20km），由于衛星信號到達各觀(guān)測站的路徑相近，所經(jīng)過(guò)的介質(zhì)狀況相似，因此通過(guò)各觀(guān)測站對相同衛星信號的同步觀(guān)測值求差，便可顯著(zhù)的減弱電離層折射影響，其殘差將不會(huì )超過(guò)0.000001。對于單頻GPS接收機而言，這種方法的重要意義尤為明顯。

　　2. 對流層折射的影響

　　對流層折射對觀(guān)測值的影響，可分為干分量與濕分量。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對于干分量的影響，可通過(guò)地面的大氣資料計算；濕分量目前尚無(wú)法準確測定。對于輸送短的基線(xiàn)（＜50km），濕分量的影響較小。

　　關(guān)于對流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法：

　?。?）定位精度要求不高時(shí)，可不考慮其影響。

　?。?）采用對流層模型進(jìn)行改正；

　?。?）采用觀(guān)測量求差的方法。與電離層的影響相類(lèi)似，當觀(guān)測站間相距不遠（＜20km）時(shí)，由于信號通過(guò)對流層的路徑相近，對流層的物理特性相近，所以對同一衛星的同步觀(guān)測值求差，可以明顯的減弱對流層折射的影響。

   　　3. 多路徑效應影響

　　多路徑效應亦稱(chēng)多路徑誤差，是指接收機天線(xiàn)除直接收到衛星發(fā)射的信號外，還可能收到經(jīng)天線(xiàn)周?chē)匚镆淮位蚨啻畏瓷涞男l星信號，信號疊加將會(huì )引起測量參考點(diǎn)（相位中心點(diǎn)）位置的變化，從而便觀(guān)測量產(chǎn)生誤差，而且這種誤差隨天線(xiàn)周?chē)瓷涿娴男再|(zhì)而異，難以控制。根據實(shí)驗資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應對測碼偽距的影響可達到米級，對測相偽距的影響可達到厘米級。而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著(zhù)增大，而且常常導致接收的衛星信號失鎖和使載波相位觀(guān)測量產(chǎn)生周跳。因此，在精密GPS導航和測量中，多路徑效應的影響是不可忽視的。

　　目前減弱多路徑效應影響的措施有：

　?。?）安置接收機天線(xiàn)的環(huán)境，應避開(kāi)較強的反射面，如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。

　?。?）選擇造型適宜且屏蔽良好的天線(xiàn)等。

　?。?）適當延長(cháng)觀(guān)測時(shí)間，削弱多路徑效應的周期性影響。

　?。?）改善GPS接收機的電路設計，了減弱多路徑效應的影響。

　　三、接收設備有關(guān)的誤差

　　與GPS接收機設備有關(guān)的誤差主要包括觀(guān)測誤差，接收機鐘差，天線(xiàn)相位中心誤差和載波相位觀(guān)測的整周不定性影響。

　　1. 觀(guān)測誤差

　　觀(guān)測誤差包括觀(guān)測的分辨誤差及接收機天線(xiàn)相對于測站點(diǎn)的安置誤差等。 

　　根據經(jīng)驗，一般認為觀(guān)測的分辨誤差約為信號波長(cháng)的1％。故知道載波相位的分辨誤差比碼相位不小，由于此項誤差屬于偶然誤差，可適當地增加觀(guān)測量，將會(huì )明顯地減弱其影響。

　　接收機天線(xiàn)相對于觀(guān)測站中心的安置誤差，主要是天線(xiàn)的置不與對中誤差以及量取天線(xiàn)高的誤差，在精密定位工作中，必須認真，仔細操作，以盡量減小這種誤差的影響。

　　2. 接收機的鐘差

　　盡管GPS接收機高有高精度的石英鐘，其日頻率穩定度可以達到10的-11方，但對載波相位觀(guān)測的影響仍是不可忽視的。

　　處理接收機鐘差較為有效的方法是將各觀(guān)測時(shí)刻的接收機鐘差間看成是相關(guān)的，由此建立一個(gè)鐘差模型，并表示為一個(gè)時(shí)間多項式的形式，然后在觀(guān)測量的平差計算中統一求解，得到多項式的系數，因而也得到接收機的鐘差改正。

　　3. 載波相位觀(guān)測的整周未知數

　　載波相位觀(guān)測上當前普遍采用的最精密的觀(guān)測方法，由于接收機只能測定載波相位非整周的小數部份，而無(wú)法直接測定開(kāi)波相位整周數，因而存在整周不定性問(wèn)題。

　　此外，在觀(guān)測過(guò)程中，由于衛星信號失鎖而發(fā)生的周跳現象。從衛星信號失鎖到信號重新鎖定，對載波相位非整周的小數部分并無(wú)影響，仍和失鎖前保持一致，但整周數卻發(fā)生中斷而不再連續，所以周跳對觀(guān)測的影響與整周未知數的影響相似，在精密定位的數據處理中，整周未知數和周跳都是關(guān)鍵性的問(wèn)題。

　　4. 天線(xiàn)的相位中心位置偏差

　　在GPS定位中，觀(guān)測值是以接收機天線(xiàn)相位中心位置為準的，因而天線(xiàn)的相位中心與其幾何中心理論上保持一致?？墒?，實(shí)際上天線(xiàn)的相位中心位置隨著(zhù)信號輸入的強度和方向不同而有所變化，即觀(guān)測時(shí)相位中心的瞬時(shí)位置（稱(chēng)為視相位中心）與理論上的本單位中心位置將有所不同，天線(xiàn)相位中心的偏差對相對定位結果的影響，根據天線(xiàn)性能的優(yōu)劣，可達數毫米至數厘米。所以對于精密相對定位，這種影響是不容忽視的。

　　在實(shí)際工作中，如果使用同一類(lèi)型的天線(xiàn)，在相距不遠的兩個(gè)或多個(gè)觀(guān)測站上，同步觀(guān)測同一組衛星，那么便可通過(guò)觀(guān)測值求差，以削弱相位中心偏移的影響。需要提及的是，安置各觀(guān)測站的天線(xiàn)時(shí)，均奕按天線(xiàn)附有的方位標進(jìn)行定向，使之根據羅盤(pán)指向磁北極。