GPS测量误差来源及削弱方法

2022-09-11

GPS (Global Positioninf System) 是全球定位系统的简称。它由美国国防部于1973年开始筹建, 耗资200亿美元, 1995年正式投入使用, 主要用于军事领域、交通运输业、测量领域等。随着GPS越来越广泛的应用, 进一步提高GPS测量精度是我们关心的问题, 下面针对GPS测量过程中的主要误差来源进行分析, 并提出具体削弱或消除误差的措施。

1 GPS测量的误差来源及削弱方法

GPS测量结果的误差主要来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在高精度的GPS测量中, 还应注意到与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等影响。

1.1 与卫星有关的误差

1.1.1 卫星星历误差

由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差。卫星星历分为广播星历和精密星历。广播星历是通过GPS卫星发送的一种预报星历。因为我们不能充分了解卫星上存在的各种摄动因素, 所以预报星历钟存在较大的误差。精密星历是根据实测资料进行拟合处理而得出的。它需要在一些已知精密位置的点上跟踪卫星来计算观测瞬间的卫星真是位置, 从而获得准确可靠的精密星历。

卫星星历误差的削弱方法有以下几种。

(1) 建立自己的卫星跟踪网独立定轨。建立GPS卫星跟踪网, 进行独立定轨, 这不仅可以使我国用户在非常时期不受美国政府有意识的降低卫星星历精度的影响, 所提供的精密星历可以达到10-7, 可以显著提高精密定位的精度, 也可以为实时定位提供预报星历。

(2) 轨道松弛法。在平差模型中把卫星星历给出的卫星轨道作为初始值, 视其改正数为未知数。通过平差同时求得测站位置及轨道的改正数。

(3) 同步观测值求差。利用在两个或多个观测站上, 对同一卫星的同步观测值求差, 来减弱卫星星历误差的影响。

1.1.2 卫星钟误差

卫星钟的钟差、频偏、频漂等产生的误差, 也包含钟的随机误差。

卫星钟误差一般可以表示为以下二阶多项式:

其中为0t一参考历元, 系数0a、1a、a2分别表示钟在0t时刻钟差、钟速及钟速的变率。这些数值由卫星的地面控制系统根据前一段时间的跟踪资料和GPS标准时间推算出来, 并通过卫星的导航电文提供给用户。

1.1.3 相对论效应

相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态 (运动速度和重力位) 不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。在广义和狭义相对论的综合影响下, 钟安放在卫星上比安放在地面上要快, 为消除这一影响, 一般将卫星钟的标准频率减小4.5×10-3Hz。

1.2 与信号传播有关的误差

1.2.1 电离层延迟

电离层是指地球上空距地面高度在50km~1000km之间的大气层, 当GPS信号通过电离层时, 信号的路径会发生弯曲, 传播速度也会发生变化, 所以测量出来的距离也会发生偏差, 高度角越低, 影响越大。

电离层延迟误差的削弱方法有以下几种。

(1) 利用双频GPS观测, 利用双频接收机减少电离层延迟, 经过双频观测值改正后, 伪距残差位厘米级。

(2) 利用电离层改正模型加以修改。用目前所提供的模型可将电离层延迟影响减少75%。

(3) 利用同步观测值求差。用两个或多个观测站同步观测量求差, 当两个测站相距不太远时, 由于卫星到两个测站的电磁波传播路径很相似, 通过求差可以消弱电离层延迟的影响。这种方法对于短基线 (小于20km) 的效果尤为明显, 求差后基线的残差一般为1×10-6。

1.2.2 对流层延迟

对流层是高度为40km以下的大气底层, 其大气密度比电离层更大, 大气状态更复杂。GPS信号通过通过对流层时, 使传播路径发生弯曲, 使测量出来的距离发生偏差。

对流层延迟误差的削弱方法有以下几种。

(1) 用模型进行改正。常用的对流层延迟模型有:Hopfield模型、Saastamoinen模型、Black模型。

(2) 利用同步观测值求差。当两个测站相距不太远时, 由于卫星信号通过对流层的路径相似, 通过求差明显减弱对流层延迟的影响

1.2.3 多路径效应

GPS卫星信号被测站附近的反射物所反射的卫星信号进入接收机天线, 将和直接来自卫星的信号产生干涉, 使观测值偏离真值, 产生多路径误差。

多路径误差的削弱方法有以下几种。

(1) 选择合适的站址。测站应远离大面积平静的水面;不宜选择在山坡、山谷和盆地中;测站应离开高层建筑物。

(2) 选择合适的接收机。

(3) 接收机对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。

1.3 与接收机有关的误差

1.3.1 接收机钟误差

GPS接收机一般采用高精度的石英钟, 其稳定度约为10-9。若接收机钟与卫星钟间的同步差为1, 则由此引起的等效距离误差约为300m。

接收机钟误差的削弱方法有以下几种。

(1) 把每个观测时刻的接收机钟差当做一个独立的未知数, 在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。

(2) 认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的, 像卫星钟那样, 将接收机钟差表示为时间的多项式, 并在观测量的平差计算中求多项式的系数。

(3) 通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。

1.3.2 接收机位置误差

接收机天线相位中心与标石中心位置的误差叫接收机位置误差。包括天线的整平对中误差、天线高误差。因此在精密定位时必须仔细操作, 减少这种误差, 尽可能的采用强制对中。

1.3.3 天线相位中心位置偏差

在GPS测量中, 观测值都是以接收机天线相位中心位置为准的, 天线的相位中心与其几何中心在理论上保持一致。实际上天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同有所变化, 即观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心有所不同, 这种差别叫天线相位中心的位置偏差。为了减少天线相位中心位置偏差的影响, 要求我们安置天线时要以天线附有的方位标进行定向;同时使用性能好的天线, (如扼流圈天线) , 以求尽可能的减少相位中心位置偏差带来的误差。