GPS測(cè)量的誤差及精度控制

1、精品文檔你我共享AAAAAAGPS測(cè)量的誤差及精度控制摘要：介紹了 GPS測(cè)量的各種主要誤差源和它們的影響。對(duì)于精度控制問(wèn)題，主要討論的是小型控制網(wǎng)（基 線(xiàn)長(zhǎng)1020km），局部地區(qū)應(yīng)用的動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)的差分測(cè)量。關(guān)鍵詞：GPS;誤差；精度控制一、GPS測(cè)量的誤差源和GPS定位網(wǎng)設(shè)計(jì)1. GPS測(cè)量的誤差源GPS測(cè)量誤差按其生產(chǎn)源可分 3大部分：GPS信號(hào)的自身誤差，包括軌道誤差 （星歷誤差）和SA ,AS影響；GPS信號(hào)的傳輸誤差，包括太陽(yáng)光壓，電離層延遲，對(duì)流層延遲，多路徑傳播和由它們影響或其他原因產(chǎn)生的周跳；GPS接收機(jī)的誤差，主要包括鐘誤差，通道間的偏差，鎖相環(huán)延遲，碼跟蹤環(huán)偏差，天線(xiàn)相

2、位中心偏差等。2. GPS定位網(wǎng)的設(shè)計(jì)由GPS測(cè)量的誤差源可以看出，GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)已免除了測(cè)角、邊角同測(cè)和測(cè)邊網(wǎng)等的傳統(tǒng)要求。它不需要點(diǎn)間通視， 也不需要考慮布設(shè)什么樣的圖形，也就更不需要考慮圖形強(qiáng)度，不需要設(shè)置在制高點(diǎn)上（哪里需要就可以設(shè)置在哪里）。所以GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)是非常靈活的。但也應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：除了特殊需要，一般 GPS基線(xiàn)長(zhǎng)度相差不要過(guò)大，這樣可以使 GPS測(cè)量的精度分布均勻； GPS網(wǎng)不要 有開(kāi)放式的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，應(yīng)構(gòu)成封閉式閉合環(huán)和子環(huán)路；應(yīng)盡量消除多路徑影響，防止 GPS信號(hào)通過(guò)其他物體反射到 GPS天線(xiàn)上，因此應(yīng)避開(kāi)強(qiáng)反射的地面，避開(kāi)強(qiáng)反射環(huán)境，如山谷、山坡、建筑物等；避開(kāi)強(qiáng)

3、電磁波干擾，設(shè)站應(yīng)遠(yuǎn)離雷達(dá)站、電臺(tái)、微波中繼站等。二、軌道誤差（星歷誤差）和SA，AS影響1.軌道誤差有關(guān)部門(mén)提供一定精度的衛(wèi)星軌道，以廣播星歷形式發(fā)播給用戶(hù)使用，從而已知觀測(cè)瞬間所觀測(cè)衛(wèi)星的位置，因而衛(wèi)星軌道誤差與星歷誤差是一個(gè)含義。衛(wèi)星星歷誤差又等效為偽距誤差。由于衛(wèi)星軌道受地球和日、月引力場(chǎng)、太陽(yáng)光壓、潮汐等攝動(dòng)力及大氣阻力的影響，而其中有的是隨機(jī)影響，而不能精密確定，使衛(wèi)星軌道產(chǎn)生誤差。目前，GPS衛(wèi)星軌道誤差的等效偽距誤差 （使用的衛(wèi)星廣播星歷）為4.2m。美國(guó)的SA政策和AS政策人為地使導(dǎo)航定位的精度降低，點(diǎn)位誤差有時(shí)達(dá)到100m?？刂凭W(wǎng)的靜態(tài)GPS測(cè)量是利用載波相位測(cè)量，一般是由

4、一個(gè)點(diǎn)設(shè)為已知點(diǎn)與一個(gè)待定點(diǎn)位同步觀測(cè)GPS衛(wèi)星，取得載波相位觀測(cè)值，從而得岀待定點(diǎn)位的坐標(biāo)或兩點(diǎn)間的坐標(biāo)值，稱(chēng)為基線(xiàn)測(cè)量，短基線(xiàn)測(cè)量可以消除SA影響。動(dòng)態(tài)測(cè)量解決SA影響的途徑是實(shí)時(shí)差分定位（稱(chēng)Real-time DGPS）,即在已知坐標(biāo)精品文檔你我共享AAAAAA點(diǎn)上布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)基準(zhǔn)站取得誤差校正值，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)傳給導(dǎo)航定位的移動(dòng)站，從而消除SA影響及兩站的各種共同的誤差，提高了移動(dòng)站的導(dǎo)航定位精度。加濾波等處理的導(dǎo)航軟件以及組合導(dǎo)航系統(tǒng)， 已使導(dǎo)航定位精度差分距離在100km左右時(shí)達(dá)到亞米級(jí)，差分距離遠(yuǎn)于1500km時(shí)達(dá)到米級(jí)。2. 美國(guó)的SA技術(shù)與AS影響SA技術(shù)是選擇可用性(S

5、elective Availability)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是由兩種技術(shù)使用戶(hù)的定位精度降低，即5(dither)技術(shù)和 (epsilon技術(shù)。5技術(shù)是人為地施加周期為幾分鐘的呈隨機(jī)特征的高頻抖動(dòng)信號(hào)，使GPS衛(wèi)星頻率10.23MHz加以改變，最后導(dǎo)致定位產(chǎn)生干擾誤差，技術(shù)是降低衛(wèi)星星歷精度，呈無(wú)規(guī)則的隨機(jī)變化，使得衛(wèi)星的真實(shí)位置增加了人為的誤差。AS技術(shù)(Anti-Spoofing)叫反電子欺騙技術(shù)，其目的是為了在和平時(shí)期保護(hù)其 P碼，不讓非授權(quán)用戶(hù)使 用；戰(zhàn)時(shí)防止敵方對(duì)精密導(dǎo)航定位作用的 P碼進(jìn)行電子干擾。AS技術(shù)使得用C/A碼工作的用戶(hù)無(wú)法再和 P碼相位測(cè)量聯(lián)合解算進(jìn)行雙頻電離層精密測(cè)距修正，

6、實(shí)際降低了用戶(hù)定位精度。3. 確定GPS衛(wèi)星軌道是減少星歷誤差和消除技術(shù)影響的根本方法利用區(qū)域性GPS跟蹤網(wǎng)可以確定GPS衛(wèi)星軌道。跟蹤站地心坐標(biāo)的誤差對(duì)衛(wèi)星軌道的影響是10倍或更大。因此，要提供優(yōu)于2m精度的衛(wèi)星軌道要求跟蹤站地心坐標(biāo)的精度優(yōu)于0.1m。據(jù)介紹，采用強(qiáng)約束全球站松弛軌道的加權(quán)約束基準(zhǔn)方法，可以得出優(yōu)于5cm的相對(duì)坐標(biāo)值，基本上可以滿(mǎn)足我國(guó)現(xiàn)階段區(qū)域性定軌的需要。如果，以我國(guó)現(xiàn)有 GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)站，根據(jù)對(duì)各衛(wèi)星記錄的觀測(cè)值，計(jì)算出對(duì)現(xiàn)有廣播星歷軌道根數(shù)的誤差改正值，可以進(jìn)一步計(jì)算長(zhǎng)弧軌道的精密星歷，從而能直接向用戶(hù)播發(fā)精密星歷，取代現(xiàn)有的&技術(shù)降低精度以后的廣播星歷。三、太陽(yáng)

7、光壓對(duì)GPS衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)加速度太陽(yáng)光壓對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)影響衛(wèi)星的軌道，它是精密定軌的最主要誤差源。太陽(yáng)光壓對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的攝動(dòng)加速度受太陽(yáng)與地球間距離的變化(地球軌道偏心距)而引起太陽(yáng)輻射壓力的變化，也與太陽(yáng)光強(qiáng)度、衛(wèi)星受到的照射面程和照射面積與太陽(yáng)的幾何關(guān)系及照射面的反 射和吸收特性有關(guān)，由于衛(wèi)星表面材料的老化、衛(wèi)星姿態(tài)控制的誤差等也使太陽(yáng)光壓發(fā)生變 化。已有的太陽(yáng)光壓改正模型有：標(biāo)準(zhǔn)光壓模型、多項(xiàng)式光壓模型和 ROCK4光壓攝動(dòng)模型， 這幾種光壓模型精度基本上相當(dāng)，可以滿(mǎn)足1m定軌的要求。最近有人提出，用附加隨機(jī)過(guò)程參數(shù)的方法或者對(duì)較長(zhǎng)的軌道用一階三角多項(xiàng)式逼近非模型化的長(zhǎng)期項(xiàng)影響，可得到更理精

8、品文檔你我共享AAAAAA想的結(jié)果，甚至可以滿(mǎn)足0.10.2m精度的定軌要求。四、電離層的信號(hào)傳播延遲電離層引起碼信號(hào)傳播延遲，它與沿衛(wèi)星和用戶(hù)接收機(jī)視線(xiàn)方向上的電子密度有關(guān)，在垂直方向上延遲值在夜間平均可達(dá)3m左右，白天可達(dá)15m，在低仰角情況下分別可達(dá) 9m和45m,在反常時(shí)期這個(gè)值還會(huì)加大。為了削弱電離層延遲所引起的定位精度損失，在長(zhǎng)基準(zhǔn)測(cè)量中用雙頻接收機(jī)采集GPS數(shù)據(jù)，對(duì)觀測(cè)成果進(jìn)行實(shí)時(shí)電離層延遲改正，可以獲得很好的效果。對(duì)于單頻接收機(jī)的用戶(hù)，雖然可以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改正，但其殘差仍然很大。也可以用提高衛(wèi)星高度截止角減少其影響。在赤道和地極附近存在著嚴(yán)重的電離層赤道擾動(dòng)和地極擾動(dòng)。因而，

9、利用雙頻GPS接收機(jī)觀測(cè)，只適用于沒(méi)有電離層擾動(dòng)的中緯度地區(qū)來(lái)進(jìn)行電離層改正。赤道擾動(dòng)。最壞的電離層影響是在赤道附近。強(qiáng)烈影響大概在 10。以?xún)?nèi)的區(qū)域，此影響可延續(xù)至赤道兩邊的 30。擾動(dòng)一般在日落到午夜發(fā)生，延續(xù)到第二天黎明。 它是由電離層中電子含量小規(guī)模無(wú)規(guī)律引起的，它有幾米到幾千米的波長(zhǎng)，這些無(wú)規(guī)律的電子密度能夠產(chǎn)生衍射和反射效應(yīng)，接收的信號(hào)能使相位和振幅變異，它能妨礙GPS衛(wèi)星信號(hào)跟蹤，引起周跳。甚至基線(xiàn)在10km以?xún)?nèi)時(shí)，強(qiáng)烈的電子水平分布梯度能使模糊度解算不能進(jìn)行。地極擾動(dòng)。它沒(méi)有赤道附近那么強(qiáng)烈，它的發(fā)生與磁暴活動(dòng)有關(guān)，它主要是位于磁緯的69。70。的極光帶。在強(qiáng)磁暴期間，這些極光

10、影響能延伸到中緯度地區(qū)，使周跳數(shù)增多。五、對(duì)流層的信號(hào)傳播延遲對(duì)流層延遲是電磁波信號(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí)其傳播速度不同于真空中光速所引起的。分干大氣分量和濕大氣分量。 在低仰角時(shí)它可以達(dá)到 20m。其中干大氣分量約占 80%90%,可以 用一定的模型大部分改正掉。溫大氣分量數(shù)值雖不大，但它隨緯度和高度的變化呈現(xiàn)出很大 的變化，而且隨時(shí)間變化得非?？?。由于空氣中的水汽和干氣相當(dāng)難以預(yù)測(cè)，所以測(cè)量中往往測(cè)量的是干、濕分量混合體，故難以得到它的準(zhǔn)確值。 到目前為止已開(kāi)發(fā)出來(lái)了許多計(jì)算 濕對(duì)流層延遲的實(shí)用模型，但對(duì)流層延遲仍為主要誤差源。對(duì)流層延遲與電離層延遲一樣，主要影響天頂方向， 由于它們的相關(guān)性， 在短

11、基線(xiàn)測(cè)量中會(huì)很好的消除，在長(zhǎng)基線(xiàn)測(cè)量中采取雙頻接收機(jī)也能很好的減少其影響。對(duì)于對(duì)流層延遲，多用隨機(jī)過(guò)程模擬和濾波方法進(jìn)行參數(shù)估算及函數(shù)逼近方法模擬改正。好的數(shù)學(xué)模型改正， 可以使基線(xiàn)天頂方向提高到水平方向（平面坐標(biāo)）接近的水平。六、多路徑誤差多路徑誤差是指 GPS信號(hào)射至其他的物體上又反射到GPS接收天線(xiàn)上，對(duì) GPS信號(hào)直接射至GPS接收天線(xiàn)上的直接波的干擾。多路徑誤差的大小，取決于反射波的強(qiáng)弱和 用戶(hù)天線(xiàn)抗衡反射波的能力。用戶(hù)天線(xiàn)附設(shè)仰徑板，當(dāng)仰徑板半徑為40cm,天線(xiàn)高于1m至2m,可抑制多路徑影響。據(jù)大量資料的分析統(tǒng)計(jì)，多路徑誤差有以下危害：當(dāng)邊長(zhǎng)小于10km時(shí)，主要誤差源是天線(xiàn)的對(duì)中

12、誤差和多路徑誤差；多路徑誤差對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)的影響，在一般環(huán)境下可達(dá)59cm，在高反射環(huán)境下可達(dá) 15cm;在高反射環(huán)境（城鎮(zhèn)、水體旁、沙灘、飛機(jī)、艦船等） 下，碼信號(hào)受多徑誤差的影響，可導(dǎo)致接收機(jī)的相位失鎖；實(shí)踐證明，觀測(cè)值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的。131釦接收機(jī)天線(xiàn)附近的水平面、垂直面和斜面都會(huì)使GPS信號(hào)產(chǎn)生鏡反射。天線(xiàn)附近的地形地物，例如道路、樹(shù)木、建筑物、池塘、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構(gòu)成鏡反射。因此，選擇GPS點(diǎn)位時(shí)應(yīng)特別注意避開(kāi)這些地形地物，采取提高天線(xiàn)高度和其他防止多路 徑誤差的措施七、周跳1. 周跳和周跳的產(chǎn)生周跳也稱(chēng)為失周。在精密的 GPS相對(duì)定位中采用的觀測(cè)值是

13、相位觀測(cè)值。相位觀測(cè)值 是接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生的相位與接收到的衛(wèi)星載波相位之差，在量測(cè)時(shí)，只能測(cè)到不足1周的小數(shù)部分（可準(zhǔn)到0.01周）。在理想條件下，接收機(jī)在鎖住衛(wèi)星后可保持跟蹤，從而測(cè)出包括整數(shù)部分的相位變化量，因此每個(gè)歷元的相位觀測(cè)量與接收機(jī)到衛(wèi)星的距離相差載波波長(zhǎng)的一個(gè)整數(shù)倍，它是一個(gè)固定不變的值， 該整數(shù)被稱(chēng)為整周模糊度， 在解算時(shí)與其他參數(shù) 精品文檔你我共享AAAAAA一起求出。在實(shí)際觀測(cè)條件下，接收機(jī)往往會(huì)由于某種原因（如衛(wèi)星信號(hào)被擋?。?duì)衛(wèi)星短時(shí)間失去跟蹤，在失去跟蹤時(shí)間內(nèi)相位的變化就不能被測(cè)出，稱(chēng)為失周或失鎖，也稱(chēng)為周跳。在短距離GPS基線(xiàn)定位中，大氣軌道誤差基本被抵消，電離層

14、和對(duì)流層延遲由于它們的相 關(guān)性也消除了大部分影響，失周大小能保持較好的整數(shù)特性，較容易處理產(chǎn)生周跳的原因，可分為外部原因和接收機(jī)質(zhì)量問(wèn)題。外部原因有：衛(wèi)星信號(hào)被天線(xiàn)附近的地形地物短時(shí)間遮擋；動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，由于載體運(yùn)動(dòng)速度太快或天線(xiàn)傾斜使信號(hào)丟失；由于多路徑誤差、電離層活動(dòng)加劇、對(duì)流層延遲影響，使衛(wèi)星信號(hào)的噪聲偏大而產(chǎn)生周跳。 GPS接收機(jī)質(zhì)量不佳：衛(wèi)星信號(hào)在接收機(jī)電路中受干擾，導(dǎo)致信號(hào)丟失；接收機(jī)內(nèi)信號(hào)處 理單元質(zhì)量不佳；接收機(jī)內(nèi)跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)不理想，在某些環(huán)境下，將使相位發(fā)生180或90位移，從而產(chǎn)生周跳或 1/4周跳。2. 周跳對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)的影響在GPS相位測(cè)量中，觀測(cè)數(shù)據(jù)中大于10周的周跳，在

15、數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，可予以消除。然而，小于10周的周跳，特別是15周的周跳，以及半周跳和 1/4周跳，不易發(fā) 現(xiàn)，而對(duì)含有周跳的觀測(cè)值周跳的影響視為觀測(cè)的偶然誤差，因而嚴(yán)重影響坐標(biāo)的精度。據(jù)拉查佩利的統(tǒng)計(jì)，一個(gè)周跳對(duì)經(jīng)度、緯度、高程的影響為L(zhǎng) = 0.03 0.06mB= 0.10 0.18mh= 0.14 0.16m可見(jiàn)，即使只有一個(gè)衛(wèi)星存在一個(gè)周跳，也會(huì)對(duì)所測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生幾厘米的誤差。由于一個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)是由4個(gè)以上衛(wèi)星所確定的，故周跳對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)的影響取決于以下因素：1. 所測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量；2. 所測(cè)衛(wèi)星組成的幾何圖形；3. 周跳影響各分量的大小和周跳次數(shù)。然而，即使只有一個(gè)衛(wèi)星殘存有一個(gè)周跳，也會(huì)

16、使該次定位點(diǎn)位坐標(biāo)有幾毫米至幾厘米的誤差。由此可見(jiàn)，凡精度要求達(dá)到厘米級(jí)或分米級(jí)的GPS定位測(cè)量，都必須清除觀測(cè)數(shù)據(jù)中的全部周跳。3.周跳的探測(cè)和修復(fù)周跳的處理可分為 2步：從觀測(cè)數(shù)據(jù)中探測(cè)出全部周跳及將探測(cè)出的周跳加以全部修 復(fù)。周跳的探測(cè)和修復(fù)都應(yīng)在觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段進(jìn)行。GPS相對(duì)定位中的失周處理是非常麻煩復(fù)雜的問(wèn)題，因而應(yīng)盡量避免周跳的發(fā)生。為此，對(duì)于儀器本身應(yīng)通過(guò)儀器檢定， 在測(cè)定其質(zhì)量確定可靠時(shí)才能用于測(cè)量作業(yè)，在測(cè)量作業(yè)中尤其應(yīng)防止多路徑的影響，避免失周的現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)于周跳的探測(cè)和修復(fù)已有許多軟件處理方法。如文獻(xiàn)2,也可以用組成單差、 雙差、3差和4差，根據(jù)組成高階差數(shù)后，周跳

17、被成倍放大，階數(shù)越高，放大倍數(shù)越大的特性，能 夠快速有效地探測(cè)出周跳。先進(jìn)的GPS接收機(jī)內(nèi)裝有 專(zhuān)用算法器”可探測(cè)出大部分周跳，供處理數(shù)據(jù)時(shí)使用。避免和正確處理周跳，是提高GPS測(cè)量精度的關(guān)鍵。八、GPS測(cè)量?jī)x器的質(zhì)量檢定上面已經(jīng)談到GPS接收機(jī)常存在鐘誤差、通道間的偏差、鎖相環(huán)延遲、碼跟蹤環(huán)偏差、 天線(xiàn)相位中心偏差等。所以必須先了解儀器性能、工作特性及其可能達(dá)到的精度水平。它是制定GPS作業(yè)計(jì)劃的依據(jù)，也是GPS定位測(cè)量順利完成的重要保證。也就是說(shuō)對(duì)GPS測(cè)量?jī)x器必須先進(jìn)行作業(yè)前的檢驗(yàn)，沒(méi)有檢驗(yàn)的儀器是不能用于作業(yè)的。測(cè)量型GPS接收機(jī)實(shí)測(cè)檢驗(yàn)項(xiàng)目有：天線(xiàn)相位中心穩(wěn)定性測(cè)試； 內(nèi)部噪聲水平測(cè)

18、試； 野外作業(yè)性能及不同測(cè)程精度指標(biāo)的測(cè)試； 頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)； 高低溫性能測(cè)試。關(guān)于測(cè)量型GPS接收機(jī)的檢定目的、檢定項(xiàng)目和檢定方法見(jiàn)國(guó)家測(cè)繪局發(fā)布的中華人民共和國(guó) 測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全球定位系統(tǒng) （GPS）測(cè)量型接收機(jī)檢定規(guī)程 （1995-07-01）。九、單、雙頻接收機(jī)比較3比較單、雙頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，便于用戶(hù)選型時(shí)參考。精品文檔你我共享AAAAAA謝世杰.GPS接收機(jī)現(xiàn)狀J 石油物探裝備,1995(1 )沁園春?jiǎn)晤l接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：需要電子元件較大，對(duì)微處理器的要求較低，不需要昂貴的互相關(guān)器或Z碼發(fā)生器，產(chǎn)品數(shù)量大，價(jià)格只有雙頻接收機(jī)的一半；不易出故障，平均無(wú)故障時(shí)間（MBFT）約為8000h;不受DODP碼保密的限制； 邊長(zhǎng)短于10km時(shí)比雙頻 結(jié)果精度高； 功耗低，體積小，重量輕，給外業(yè)帶來(lái)方便。缺點(diǎn)是： 點(diǎn)間距離超過(guò)2030km時(shí)，定位精度受到電離層、對(duì)流層延遲的影響。凡 點(diǎn)位相對(duì)精度要求 2X10-6時(shí)，邊長(zhǎng)不宜超過(guò)2030km; 在快速靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量中觀測(cè)時(shí) 間比雙頻接收機(jī)長(zhǎng)。雙頻接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：可以基本消除電離層延遲對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)的影響，點(diǎn)間距離可達(dá)1000km;在快速靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量中觀測(cè)時(shí)間比單頻機(jī)短。單頻機(jī)的優(yōu)點(diǎn)則是雙頻機(jī)的主要缺點(diǎn)。十、結(jié)束語(yǔ)對(duì)于GPS控制網(wǎng)基線(xiàn)測(cè)量