GPS接收機(jī)誤差來源及性能分析

1、1四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：GPS 接收機(jī)誤差來源及性能分析系 部 測繪工程系 專 業(yè) 名 稱 工程測量技術(shù) 班 級 測量 1032 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 教 師 2013 年 6 月 10 日2GPSGPS 系統(tǒng)的誤差來源分析及性能分析系統(tǒng)的誤差來源分析及性能分析摘摘 要要GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國國防部為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的要求而建立的。該系統(tǒng)具有全球性、全天候、連續(xù)性等三維導(dǎo)航和定位能力,并具有良好的抗干擾性和保密性。它已成為美國導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化的最重要標(biāo)志,并被視為 20 世紀(jì)美國繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃

2、之后的又一重大科技成就。在航空、航天、軍事、交通、運(yùn)輸、資源勘探、通信、氣象等幾乎所有的領(lǐng)域中,它都被作為一項(xiàng)非常重要的技術(shù)手段，用于導(dǎo)航、定時(shí)、定位和進(jìn)行大氣物理研究等。先對 GPS 的組成進(jìn)行了解，在進(jìn)行 GPS 的誤差來源進(jìn)行分析，最后研究 GPS 誤差消除的方法和改進(jìn)措施。GPS 系統(tǒng)的定位誤差直接 GPS 定位精度，按其產(chǎn)生的來源、性質(zhì)及對系統(tǒng)的影響等進(jìn)行了介紹和初步,提出了相應(yīng)的措施以便消除或削弱它們對測量結(jié)果的影響。誤差講直接影響我們的測量，所以研究了 GPS 消除誤差方法。最后提出了改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞：GPS 誤差 精度 衛(wèi)星星歷 電離層 對流層AbstractGPS globa

3、l satellite positioning system (GPS) is the U.S. department of defense for military services for land, sea and air facilities for high precision navigation and positioning requirement. The system has a global, all-weather, continuous 3 d navigation and localization ability, and has good anti-interfe

4、rence and secrecy. It has become the United States of the most important marks of modern navigation technology, and is considered a 20th century the United States after the Apollo mission to the moon and the space shuttle program after another major scientific and technological achievements. In avia

5、tion, aerospace, military, traffic, communication, transportation, resource exploration, weather, etc. Almost all of the areas in which it has been as an important technical method, used in navigation, timing, location and atmospheric physics and so on. First to understand the composition of the GPS

6、, in the error sources of GPS is analyzed, finally the GPS error elimination method and improvement measures. GPS positioning error of the GPS positioning accuracy directly, according to its origin, nature and effect of the system are introduced and a preliminary, puts forward the corresponding meas

7、ures to eliminate or weaken their influence on the measured results. Speak directly affect our measurement error, so the GPS method to eliminate error. Finally put forward the improvement measures. Keywords: GPS satellite ephemeris error precision ionosphere, troposphere 3目錄1 GPS 概述.51.1 GPS 的主要特點(diǎn).5

8、1.1.1 全球覆蓋連續(xù)導(dǎo)航定位.51.1.2 高精度三維定位.51.1.3 抗干擾性能好、保密性強(qiáng).52 GPS 接收機(jī)組成.62.1 GPS 接收機(jī)主機(jī).62.1.1 變頻器及中頻放大器.62.1.2 信號通道.72.2 接收機(jī)的天線.82.2.1 對天線的要求.92.2.1.1 天線與前置放大器一般應(yīng)密封為一體.92.2.1.2 能夠接受來自任何方向的衛(wèi)星信號，不產(chǎn)生死角。.92.2.1.3 天線必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)和屏蔽措施.92.2.1.4 天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定，并與其幾何中心盡量一致.92.2.2 天線的類型.92.2.2.1 單極天線.102.2.2.2 螺旋形天線.102

9、.2.2.3 微帶天線.102.2.2.4 錐形天線.102.2.2.5 帶扼流圈的振子天線，也稱扼流圈天線.102.3 電源.113 GPS 接收機(jī)誤差來源.123.1 系統(tǒng)誤差.123.1.1 衛(wèi)星星歷誤差.123.1.2 衛(wèi)星鐘差.123.1.3 相對論效應(yīng)的影響.123.2 觀測條件誤差.123.2.1 與傳播途徑有關(guān)的誤差.123.2.1.1 電離層折射.123.2.1.1 對流層折射.133.2.1.1 多路徑效應(yīng).133.2.2 與 GPS 接收機(jī)有關(guān)的誤差.133.2.2.1 接收機(jī)鐘差.133.2.2.2 接收機(jī)的位置誤差.133.2.2.3 接收機(jī)天線相位中心偏差.144

10、消弱誤差的方法和措施.154.1 建立完善嚴(yán)密的誤差改正模型.154.2 求差法.1544.3 選擇較好的硬件.154.4 選擇良好的觀測條件.164.4.1 選站時(shí)應(yīng)避免鄰近有大面積的平靜的水面.164.4.2 測站不宜選在山坡上.164.4.3 注意離開高層建筑物.164.4.3 測站不能選擇在具有電磁波強(qiáng)輻射源的地方.165 GPS 數(shù)據(jù)觀測.175.1 GPS 網(wǎng)的布設(shè).175.2 選點(diǎn).175.3 儀器.185.3.1 接收機(jī)選用.185.3.2 使用儀器.195.3.3 儀器檢校.195.4 觀測準(zhǔn)備.195.5 觀測.195.5.1 觀測作業(yè)的要求.205.5.2 選擇最佳的觀測

11、時(shí)段.215.5.3 外業(yè)觀測步驟.215.6 外業(yè)成果記錄.225.7 外業(yè)數(shù)據(jù)檢核.226 實(shí)習(xí)總結(jié).237 致謝.248 參考文獻(xiàn).2551 GPS 概述 全球定位系統(tǒng)(GPS)是美國國防部出于軍事目的于 20 世紀(jì) 70 年代開始研制的星基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提供精確的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間信息。它的含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時(shí)和測距，是目前世界上最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系。該系統(tǒng)具有全球性、全天候、連續(xù)性等三維導(dǎo)航和定位能力,并具有良好的抗干擾性和保密性。它已成為美國導(dǎo)航技術(shù)化的最重要標(biāo)志,并被視為 20 世紀(jì)美國繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后的又一重大成就。在航空

12、、航天、軍事、運(yùn)輸、資源勘探、通信、氣象等幾乎所有的領(lǐng)域中,它都被作為一項(xiàng)非常重要的技術(shù)手段，用于導(dǎo)航、定時(shí)、定位和進(jìn)行大氣物理等。1.1 GPS 的主要特點(diǎn)1.1.1 全球覆蓋連續(xù)導(dǎo)航定位由于 GPS 有 24 顆衛(wèi)星,且分布合理,軌道高達(dá) 20200km,所以在地球上和近地空間任何一點(diǎn),均可連續(xù)同步地觀測 4 顆以上衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。1.1.2 高精度三維定位GPS 能連續(xù)地為各類用戶提供三維位置、三維速度和精確時(shí)間信息。GPS 提供的測量信息多,既可通過偽碼測定偽距,又可測定載波多普勒頻移、載波相位。1.1.3 抗干擾性能好、保密性強(qiáng)GPS 采用數(shù)字通訊的特殊編碼技術(shù),

13、即偽噪聲碼技術(shù),因而具有良好的抗干擾性和保密性。系統(tǒng)地分析了 GPS 干擾的方式并列出了 GPS 抗干擾的措施，在對目前 GPS 抗干擾技術(shù)研究的基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了自適應(yīng)調(diào)零天線的技術(shù)，采用自適應(yīng)調(diào)零天線來代替常規(guī)接收天線實(shí)現(xiàn) GPS 天線抗干擾。62 GPS 接收機(jī)組成GPS 接收機(jī)組成: GPS 接收機(jī)主機(jī)、GPS 接收機(jī)天線、電源2.1 GPS 接收機(jī)主機(jī)接收機(jī)主機(jī)由變頻器、信號通道、微處理器、存儲器及顯示器組成，基本結(jié)構(gòu)如下圖前置放大器頻率放大頻率綜合基準(zhǔn)頻率電源信號解擴(kuò)解調(diào)C/A 碼發(fā)生器P 碼發(fā)生器D（t）偽碼測量載波相位測量存儲器顯示器CPUGPS 天線變換器信號通道數(shù)據(jù)輸出GPS

14、 接收機(jī)原理圖控制信號2.1.1 變頻器及中頻放大器 經(jīng)過 GPS 前置放大器的信號仍然很微弱，為了使接收機(jī)通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使 L 頻段的射頻信號變成低頻信號，必須采用變頻器。72.1.2 信號通道信號通道是 GPS 接收機(jī)的核心部分，GPS 信號通道是硬軟件結(jié)合的電路，不同類型的接收機(jī)其通道是不同的。GPS 信號通道的作用有三， （1）搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星；（2）對廣播電文數(shù)據(jù)信號實(shí)行解擴(kuò)，解調(diào)出廣播電文；（3）進(jìn)行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。相關(guān)信號通道的電路原理圖如下D(t)It0/2t0/2t0中放積分濾波積分濾波本地碼發(fā)生器偽碼數(shù)控振蕩器碼環(huán)相位誤差發(fā)生器載

15、波數(shù)控振蕩器偽測量值電路（碼相位跟蹤環(huán)）環(huán)路濾波器載波環(huán)相位誤差發(fā)生器載波相位測量電路多普勒測量電路（載波相位鎖相環(huán)）29F0.25FF36F相 AGC6.75F7F 1/4Fcos（t/4）相關(guān)通道電路原理圖sin（t/4）A/C 轉(zhuǎn) 換 從衛(wèi)星接收到的信號是擴(kuò)頻的調(diào)制信號，所以要經(jīng)過解擴(kuò)、解調(diào)才能得到導(dǎo)航8電文，因此在相關(guān)通道電路中設(shè)有偽碼相位跟蹤環(huán)和載波相位跟蹤環(huán)。1、存儲器接收機(jī)內(nèi)設(shè)有存儲器或存儲卡以存儲衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書、接收機(jī)采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及多普勒頻移，目前 GPS 接收機(jī)都裝有半導(dǎo)體存儲器（簡稱內(nèi)存） ，接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)口傳到微機(jī)上，以便進(jìn)行數(shù)

16、據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。2、微處理 微處理是 GPS 接收機(jī)工作的靈魂，GPS 接收機(jī)工作都是在微機(jī)指令統(tǒng)一協(xié)同下進(jìn)行的，其主要工作步驟為：、接收機(jī)開機(jī)后，立即指令各個(gè)通道進(jìn)行自檢，適時(shí)地在視屏顯示窗內(nèi)展示各自的自檢結(jié)果，并測定、校正和存儲各個(gè)通道的時(shí)延值。、接收機(jī)對衛(wèi)星進(jìn)行捕捉跟蹤后，根據(jù)跟蹤環(huán)路所輸出的數(shù)據(jù)碼，解譯出GPS衛(wèi)星星歷。當(dāng)同時(shí)鎖定4顆衛(wèi)星時(shí)，將C/A碼偽距觀測值連同星歷一起計(jì)算出測站的三維位置，并按照預(yù)置的位置數(shù)據(jù)更新率，不斷更新(計(jì)算)點(diǎn)的坐標(biāo)。、用已測得的點(diǎn)位坐標(biāo)和GPS衛(wèi)星歷書，計(jì)算所有在軌衛(wèi)星的升降時(shí)間、方位和高度角，并為作業(yè)人員提供在視衛(wèi)星數(shù)量及其工作狀況，以便選用“健康”

17、的且分布適宜的定位衛(wèi)星，達(dá)到提高點(diǎn)位精度的目的。、接收用戶輸入的信號，如測站名、測站號、天線高和氣象參數(shù)等。2.2 接收機(jī)的天線天線由接收機(jī)天線和前置放大器兩部分所組成，天線的主要功能是將GPS衛(wèi)星信號極微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，而前置放大器則是對這種信號電流進(jìn)行放大和變頻處理。而接收機(jī)單元的主要功能是對經(jīng)過放大和變頻處理的信號電源進(jìn)行跟蹤、處理和測量。 金屬反射器濾波放大器濾波放大器濾波放大器金屬底板介質(zhì)介質(zhì)介質(zhì)接口連接器 天線基本結(jié)構(gòu)92.2.1 對天線的要求2.2.1.1 天線與前置放大器一般應(yīng)密封為一體以保障其在惡劣的氣象環(huán)境中能正常工作，并減少信號損失。2.2.1.2 能夠接受

18、來自任何方向的衛(wèi)星信號，不產(chǎn)生死角。2.2.1.3 天線必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)和屏蔽措施以最大限度地減弱信號的多路徑效應(yīng)，防止信號被干擾。2.2.1.4 天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定，并與其幾何中心盡量一致由于GPS測量的觀測量，是以天線的相位中心為準(zhǔn)的，而在作業(yè)過程中，應(yīng)盡可能保持兩個(gè)中心的一致性和相位中心的穩(wěn)定。2.2.2 天線的類型目前，GPS接收機(jī)的天線有多種類型，其基本類型見下圖所示。 天線類型單極天線單極天線102.2.2.1 單極天線這種天線屬單頻天線，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小的優(yōu)點(diǎn)。需要安裝在一塊基板上 ， 以利于減弱多路徑的影響。2.2.2.2 螺旋形天線這種天線頻帶寬，全圓極化性能

19、好，可接收來自任何方向的衛(wèi)星信號。但也屬于單頻天線，不能進(jìn)行雙頻接收，常用作導(dǎo)航型接收機(jī)天線。錐形天線帶扼流圈天線錐形天線與帶扼流圈天線2.2.2.3 微帶天線微帶天線是在一塊介質(zhì)板的兩面貼以金屬片，其結(jié)構(gòu)簡單且堅(jiān)固，重量輕，高度低。既可用于單頻機(jī)，也可用于雙頻機(jī)，目前大部分測量型天線都是微帶天線。這種天線更適用于飛機(jī)、火箭等高速飛行物上。2.2.2.4 錐形天線這種天線是在介質(zhì)錐體上，利用印刷電路技術(shù)在其上制成導(dǎo)電圓錐螺旋表面，也稱盤旋螺線型天線。這種天線可同時(shí)在兩個(gè)頻道上工作，主要優(yōu)點(diǎn)是增益性好。但由于天線較高，而且螺旋線在水平方向上不完全對稱，因此天線的相位中心與幾何中心不完全一致 。所

20、以，在安裝天線時(shí)要仔細(xì)定向，使之得以補(bǔ)償。2.2.2.5 帶扼流圈的振子天線，也稱扼流圈天線這種天線的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以有效地抑制多路徑誤差的影響。但目前這種天線體積較大且重，應(yīng)用不普遍。GPS天線接受來自20000公里高空的衛(wèi)星信號很弱，信號電平只有-50-180db，輸入功率信噪比為S/N=-30db，即信號源淹沒在噪聲中，為了提高信號強(qiáng)度，一般在天線后端設(shè)有前置放大器。帶扼流圈天線錐形天線112.3 電源GPS 接收機(jī)的電源有隨機(jī)配備的內(nèi)置電池，一般為鋰電池，另一種為外界電源，一般采用汽車電瓶或者隨機(jī)配備的專用電源適配器。綜上所述，GPS 信號接收機(jī)的任務(wù)是：接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號，

21、能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量；對所接收到的 GPS 信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出 GPS 信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出 GPS 衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。123 GPS 接收機(jī)誤差來源GPS 測量是通過地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送來的信息，同一時(shí)刻地面接收設(shè)備到多顆衛(wèi)星之間的偽距離，采用空間距離后方交會，來確定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。因此，對于 GPS 衛(wèi)星、衛(wèi)星信號傳播過程和地面接收設(shè)備都會對 GPS 測量產(chǎn)生誤差。主要誤差來源可分為: 3.1 系統(tǒng)誤差3.1

22、.1 衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實(shí)際位置間的偏差,由于衛(wèi)星空間位置是由地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星測軌結(jié)果計(jì)算求得的,所以又稱為衛(wèi)星軌道誤差。它是一種起始數(shù)據(jù)誤差,其大小取決于衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)量及空間分布、觀測值的數(shù)量及精度、軌道計(jì)算時(shí)所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等。星歷誤差是 GPS 測量的重要誤差來源. .3.1.2 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差是指 GPS 衛(wèi)星時(shí)鐘與 GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差別。為了保證時(shí)鐘的精度，GPS 衛(wèi)星均采用高精度的原子鐘，但它們與 GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的偏差和漂移和漂移總量仍在 1ms0.1ms 以內(nèi)，由此引起的等效誤差將達(dá)到 300km30km。

23、這是一個(gè)系統(tǒng)誤差必須加于修正。3.1.3 相對論效應(yīng)的影響這是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)所處的狀態(tài)(運(yùn)動(dòng)速度和重力位) 不同引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間的相對誤差。3.2 觀測條件誤差3.2.1 與傳播途徑有關(guān)的誤差3.2.1.1 電離層折射在地球上空距地面 50100 km 之間的電離層中,氣體分子受到太陽等天體各種射線輻射產(chǎn)生強(qiáng)烈電離,形成大量的自由和正離子。當(dāng) GPS 信號通過電離層時(shí),與其他電磁波一樣,信號的路徑要發(fā)生彎曲,傳播速度也會發(fā)生變化,13從而使測量的距離發(fā)生偏差,這種影響稱為電離層折射。對于電離層折射可用 3 種方法來減弱它的影響: 利用雙頻觀測值,利用不同頻率的觀測值組合來對電離層

24、的延尺進(jìn)行改正。利用電離層模型加以改正。利用同步觀測值求差,這種方法對于短基線的效果尤為明顯。3.2.1.1 對流層折射對流層的高度為 40km 以下的大氣底層,其大氣密度比電離層更大,大氣狀態(tài)也更復(fù)雜。對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能,其溫度隨高度的增加而降低。GPS 信號通過對流層時(shí),也使傳播的路徑發(fā)生彎曲,從而使測量距離產(chǎn)生偏差,這種現(xiàn)象稱為對流層折射。減弱對流層折射的影響主要有 3 種措施: 采用對流層模型加以改正,其氣象參數(shù)在測站直接測定。引入描述對流層影響的附加待估參數(shù),在數(shù)據(jù)處理中一并求得。利用同步觀測量求差。3.2.1.1 多路徑效應(yīng)測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(反射波

25、)進(jìn)入接收機(jī)天線,將和直接來自衛(wèi)星的信號(直接波) 產(chǎn)生干涉,從而使觀測值偏離,產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)被稱作多路徑效應(yīng)。減弱多路徑誤差的方法主要有: 選擇合適的站址。測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中,應(yīng)離開高層建筑物。選擇較好的接收機(jī)天線,在天線中設(shè)置徑板,抑制極化特性不同的反射信號。3.2.2 與 GPS 接收機(jī)有關(guān)的誤差3.2.2.1 接收機(jī)鐘差GPS 接收機(jī)一般采用高精度的石英鐘,接收機(jī)的鐘面時(shí)與 GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異稱為接收機(jī)鐘差。把每個(gè)觀測時(shí)刻的接收機(jī)鐘差當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的未知數(shù),并認(rèn)為各觀測時(shí)刻的接收機(jī)鐘差間是相關(guān)的,在數(shù)據(jù)處理中與觀

26、測站的位置參數(shù)一并求解，可減弱接收機(jī)鐘差的。3.2.2.2 接收機(jī)的位置誤差接收機(jī)天線相位中心相對測站標(biāo)石中心位置的誤差,叫接收機(jī)位置誤差。其中包括天線置平和對中誤差,量取天線高誤差。在精密定位時(shí),要仔細(xì)操作,來盡量減少這種誤差影響。在變形監(jiān)測中,應(yīng)采用有強(qiáng)制對中裝置的觀測墩。相位中心隨著信號輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化,這種差別叫天線相位中心的位置偏差。這種偏差的影響可達(dá)數(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要。在實(shí)際工作中若使用同一類天線,在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或14多個(gè)測站同步觀測同一組衛(wèi)星,可通過觀測值求差來減弱相位偏移的影響。但這時(shí)各測站的天線均應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)

27、行定向,使之根據(jù)羅盤指向磁北極。3.2.2.3 接收機(jī)天線相位中心偏差在 GPS 測量時(shí),觀測值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)的,而天線的相位中心與其幾何中心,在上應(yīng)保持一致。但是觀測時(shí)天線的相位中心隨著信號輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化,這種差別叫天線相位中心的位置偏差。這種偏差的影響可達(dá)數(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。154 消弱誤差的方法和措施4.1 建立完善嚴(yán)密的誤差改正模型這些誤差改正模型既可以是通過對誤差的特性、機(jī)制以及產(chǎn)生的原因進(jìn)行研究分析，推導(dǎo)而建立起來的理論公式， 也可以是通過對大量的觀測數(shù)據(jù)的分析，擬合而建立起來的經(jīng)驗(yàn)公式。如果每個(gè)誤差

28、改正模型是十分完善嚴(yán)密的，模型中所需的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確無誤的，在這種理想情況下，經(jīng)各誤差模型改正后的包含在觀測值中的系統(tǒng)誤差將被消除干凈，而只留下偶然誤差。誤差模型的精度好壞不等，這就需要不斷地研究和改進(jìn)。通過對大量的實(shí)測觀測數(shù)據(jù)不斷分析和驗(yàn)證，來提高定位的精度。4.2 求差法 仔細(xì)分析誤差對觀測值或平差結(jié)果的影響，運(yùn)用適當(dāng)?shù)挠^測方法和數(shù)據(jù)處理方法(如同步觀測，相對定位等)，利用誤差在觀測值之間的相關(guān)性和在定位結(jié)果之間的相關(guān)性，通過求差來消除或大幅度削弱其影響。 當(dāng) 2 臺接收機(jī)對同一衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測時(shí)，觀測值中都包含了共同的衛(wèi)星鐘誤差，將觀測值在接收機(jī)間求差即可消除衛(wèi)星鐘誤差。同樣，1 臺接收機(jī)對

29、多顆衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測時(shí)，將觀測衛(wèi)星問求差即可消除接收機(jī)鐘誤差。利用相距不太遠(yuǎn)的兩個(gè)測站的同步觀測值進(jìn)行相對定位時(shí)，由于兩站到衛(wèi)星的幾何圖形十分相似因而星歷誤差對兩站的影響相似，利用這種相關(guān)性在坐標(biāo)差時(shí)就能把共同的坐標(biāo)誤差消除掉。這種技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，也就是實(shí)時(shí)差分 GPS 技術(shù)，上述誤差從總體上講都有較好的空間相關(guān)性。所以相距不太遠(yuǎn) 的兩個(gè)測站在同一時(shí)間分別進(jìn)行單點(diǎn)定位時(shí)，上述誤差對兩個(gè)測站影響大體相同。在已知點(diǎn)上放置 GPS 與用戶進(jìn)行同步觀測，通過已知點(diǎn)求得偏差改正數(shù)，那么用戶施加偏差改正數(shù)后 ，定位精度就會得到大幅度的提高。4.3 選擇較好的硬件 有些誤差，比如多路徑誤差，既不能建立改

30、正模也不能利用差分技術(shù)消除 ，在 GPS 測量中是一種重要的誤差來源。現(xiàn)在還沒有一種十分有效的方法完全消除它，多路徑傳播對碼與載波都有影響，對 P 碼觀測值的影響比對載波相位的影響要大兩個(gè)數(shù)量級，對偽距觀測的影響，在良好的環(huán)境條件下約為 1.3 m，在反射很強(qiáng)的環(huán)境條件下約為 45 m，嚴(yán)重時(shí)還將引起信號的失鎖。較為有效的削弱多路徑誤差的第一種方法是采用性能良好的接收機(jī)天線，一般采用性能良好的微帶式天線，并在天線下安置屏蔽地面反射電波的抑徑板，這個(gè)療法使多路徑誤差減少 1/3。美 宇航局研制的扼流罔天線可減少誤差 50，加拿大諾瓦泰公司開發(fā)的 MEDLI 技術(shù)使 GPS 硬件技術(shù)得到重大發(fā)展，

31、該技術(shù)是采用幾塊 GPS 機(jī)芯構(gòu)成一組合 體，從而使誤差減少了 90。這說明 GPS 測量已經(jīng)16將多路徑誤差控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，但多路徑誤差仍不能被完全消除。它將以一個(gè)不明顯的量來影響定位的精度。 4.4 選擇良好的觀測條件 4.4.1 選站時(shí)應(yīng)避免鄰近有大面積的平靜的水面因?yàn)檫@些地方會引起強(qiáng)烈的反射信號灌木叢、草地和其他地面植被能較好地吸收微波信號的能量，反射很弱，是較為理想的設(shè)站地址。翻耕過的土地和其他粗糙不平的地面的反射能力也較差，選站時(shí)也可考慮。 4.4.2 測站不宜選在山坡上當(dāng)山坡的坡度過大時(shí)，在截止高度角以上便會出現(xiàn)障礙物，影響衛(wèi)星的接收。即使當(dāng)坡度較小時(shí)，反射信號也能從天線

32、抑徑板上方進(jìn)入天線，產(chǎn)生多路徑誤差，因而也直該避免。同樣，也不宣選擇在谷和盆地中。 4.4.3 注意離開高層建筑物測站附近有高層建筑物時(shí)，衛(wèi)星信號會通過墻壁反射進(jìn)入天線，選站時(shí)注意離開這些建筑物 ，汽車停放不要離測站太近 。 4.4.3 測站不能選擇在具有電磁波強(qiáng)輻射源的地方如雷達(dá)、電臺、微波中站等設(shè)施附近。因?yàn)樗鼈儾粌H本身反射電磁波，而且所輻射強(qiáng)電磁波將會被極靈敏的 GPS 天線接收，從而損壞天線175 GPS 數(shù)據(jù)觀測5.1 GPS 網(wǎng)的布設(shè)本次實(shí)習(xí)精度要求為 E 級，采用三臺 GPS 接受機(jī)，按邊連式的布網(wǎng)形式布設(shè)GPS 控制網(wǎng)，網(wǎng)型如圖。5.2 選點(diǎn)選點(diǎn)即觀測站位置的選擇。在 GPS

33、測量中并不要求觀測站之間相互通視，網(wǎng)的圖形選擇也比較靈活，因此選點(diǎn)比經(jīng)典控制測量簡便得多。但為了保證觀測工作的順利進(jìn)行和可靠地保持測量結(jié)果，用戶注意使觀測站位置具有以下的條件：1）確保GPS接收機(jī)上方的天空開闊GPS測量主要利用接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號，而且接收機(jī)上空越開闊，則觀測到的衛(wèi)星數(shù)目越多。一般應(yīng)該保證接收機(jī)所在平面15以上的范圍內(nèi)沒有建筑物或者大樹的遮擋。18 15 圖 5-1 高度截止角2）沒有反射面，如大面積的水域，或?qū)﹄姶挪ǚ瓷洌ɑ蛭眨?qiáng)烈的物體（如玻璃墻，樹木等） ，不致引起多路徑效應(yīng)。3）電磁場的干擾。GPS 接收機(jī)接收衛(wèi)星廣播的微波信號，微波信號都會受到電磁場的影響而產(chǎn)

34、生噪聲，降低信噪比，影響觀測成果。所以 GPS 控制點(diǎn)最好離開高壓線、微波站或者產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾的場所。鄰近不應(yīng)有強(qiáng)電磁輻射源，如無線電臺、電視發(fā)射天線、高壓輸電線等，以免干擾 GPS 衛(wèi)星信號。通常，在測站周圍約 200m 的范圍內(nèi)不能有大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、電臺、微波站等） ；在 50m 內(nèi)不能有高壓輸電線和微波無線電信號傳遞通道。4）最好選在交通便利的地方以利于其它測量手段聯(lián)測和擴(kuò)展；5）礎(chǔ)穩(wěn)固，易于點(diǎn)的保存。注意：用戶如果在樹木、覘標(biāo)等對電磁波傳播影響較大的物體下設(shè)觀測站，當(dāng)接收機(jī)工作時(shí)，接收的衛(wèi)星信號將產(chǎn)生畸變，這樣即使采集時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)，如觀測衛(wèi)星數(shù)、DOP 值等都較好，但觀測數(shù)

35、據(jù)質(zhì)量很差。建議用戶可根據(jù)需要在 GPS 點(diǎn)大約 300 米附近建立與其通視的方位點(diǎn)，以便在必要時(shí)采用常規(guī)經(jīng)典的測量方法進(jìn)行聯(lián)測。在點(diǎn)位選好后，在對點(diǎn)位進(jìn)行編號時(shí)必須注意點(diǎn)位編號的合理性，在野外采集時(shí)輸入的觀測站名由四個(gè)任意輸入的字符組成，為了在測后處理時(shí)方便及準(zhǔn)確，必須不使點(diǎn)號重復(fù)。建議用戶在編號時(shí)盡量采用阿拉伯?dāng)?shù)字按順序編號。5.3 儀器5.3.1 接收機(jī)選用根據(jù)表 6，本次實(shí)習(xí)控制網(wǎng)等級 E 級，選用 GPS 接收機(jī)。表 6 接收機(jī)選用級別AAABCD、E單頻/雙頻雙頻/全波長雙頻/全波長雙頻雙頻或單頻雙頻或單頻觀測量至少有L1、L2 載波相位L1、L2 載波相位L1、L2 載波相位L1

36、 載波相位L1 載波相位19同步觀測接收機(jī)數(shù)544325.3.2 使用儀器序號儀器名稱型號備注1GPS 接收機(jī)天寶基本參數(shù)參見天寶靜態(tài) GPS 說明書5.3.3 儀器檢校GPS 接收機(jī)全面檢驗(yàn)：一般檢視、通電檢驗(yàn)、試測檢驗(yàn)。一般檢視應(yīng)包括：a)GPS 接收機(jī)及天線的外觀應(yīng)良好，型號應(yīng)正確；b)各種部件及其附件應(yīng)匹配、齊全和完好；c)需緊固的部件應(yīng)不得松動(dòng)和脫落；d)設(shè)備使用手冊和后處理軟件操作手冊及磁(光)盤應(yīng)齊全。通電檢驗(yàn)應(yīng)符合下列規(guī)定：a)有關(guān)信號燈工作應(yīng)正常；b)按鍵和顯示系統(tǒng)工作應(yīng)正常；c)利用自測試命令進(jìn)行測試；d)檢驗(yàn)接收機(jī)鎖定衛(wèi)星時(shí)間的快慢，接收信號強(qiáng)弱及信號失鎖情況。試驗(yàn)檢驗(yàn)前

37、，還應(yīng)檢驗(yàn)：a)天線或基座圓水準(zhǔn)器和光學(xué)對中器是正確；b)天線高量尺是否完好，尺長精度是否正確；c)數(shù)據(jù)傳錄設(shè)備及軟件是否齊全，數(shù)據(jù)傳輸性能是否完好；d)通過實(shí)例計(jì)算，測試和評估數(shù)據(jù)后處理軟件。5.4 觀測準(zhǔn)備GPS 接收機(jī)在開始觀測前，應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱和靜置，具體要求按接收機(jī)操作手冊進(jìn)行。 天線安置應(yīng)符合下列要求：a、用三腳架安置天線時(shí)，其對中誤差不應(yīng)大于 3；b、天線集成體上的圓水準(zhǔn)氣泡必須居中，沒有圓水準(zhǔn)氣泡的天線，可調(diào)整天線基座腳螺旋，使在天線互為 120方向上量取的天線高互差小于 5。5.5 觀測依據(jù)接收機(jī)的臺數(shù)和點(diǎn)位情況，結(jié)合實(shí)習(xí)現(xiàn)場的情況，靜態(tài)觀測安排為，按照全球定位系統(tǒng)（GPS）測量

38、規(guī)范（GB/T 18314-2001）中 E 級網(wǎng)的技術(shù)要求，進(jìn)行兩個(gè)時(shí)段的靜態(tài)觀測，采用邊連式構(gòu)成 GPS 控制網(wǎng)。E 級 GPS 測量基本技術(shù)規(guī)定應(yīng)符合表 7。表 7 各級 GPS 測量基本技術(shù)要求規(guī)定項(xiàng)目級別AAABCDE衛(wèi)星截止高度角（）101015151515同時(shí)觀測有效衛(wèi)星總數(shù)44444420有效觀測衛(wèi)星總數(shù)20209644觀測時(shí)段數(shù)106421.61.6靜態(tài)720540240604540雙頻+P(Y)1052雙頻全波151010時(shí)段長度min快速靜態(tài)單頻或雙頻半波302015靜態(tài)303030103010301030采樣間隔 s快速靜態(tài)515515515靜態(tài)151515151515

39、雙頻+P(Y)111雙頻全波333時(shí)段中任意衛(wèi)星有效觀測時(shí)間min快速靜態(tài)單頻或雙頻半波555注1 在時(shí)段中觀測時(shí)間符合表 7 中第七項(xiàng)規(guī)定的衛(wèi)星，為有效觀測衛(wèi)星。2 計(jì)算有效觀測衛(wèi)星總數(shù)時(shí)，應(yīng)將個(gè)時(shí)段的有效觀測衛(wèi)星數(shù)扣除其間的重復(fù)衛(wèi)星數(shù)。3 觀測時(shí)段長度，應(yīng)為開始記錄數(shù)據(jù)到結(jié)束紀(jì)錄的時(shí)間段。觀測時(shí)段數(shù)1.6，指每站觀測一時(shí)段，至少 60測站再觀測一時(shí)段。5.5.1 觀測作業(yè)的要求1）觀測組必須嚴(yán)格遵守調(diào)度命令，按規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行作業(yè)。2）經(jīng)檢查接收幾電源電纜和天線等各項(xiàng)連接無誤，方可開機(jī)。213）開機(jī)后經(jīng)檢驗(yàn)有關(guān)指示燈與儀表顯示正常后，方可進(jìn)行自測試并輸入測站、觀測單元和時(shí)段等控制信息。4）接

40、收機(jī)啟動(dòng)前與作業(yè)過程中，應(yīng)隨時(shí)逐項(xiàng)填寫測量手簿中的記錄項(xiàng)目，測量手簿格式、記錄內(nèi)容及要求。5）接收機(jī)開始記錄數(shù)據(jù)后，觀測員可查看測站信息、接收衛(wèi)星數(shù)，如發(fā)現(xiàn)異常情況或未預(yù)料到的情況，應(yīng)記錄在測量手簿的備注欄內(nèi)，并及時(shí)報(bào)告調(diào)度組織者。6）每時(shí)段觀測開始及結(jié)束前各記錄一次觀測衛(wèi)星號、天氣狀況、實(shí)時(shí)定位經(jīng)緯度和大地高、PDOP 值等。7）氣象觀測所用通風(fēng)干濕表需懸掛在測站附近，與天線相位中心大致等高度處。懸掛地點(diǎn)應(yīng)通風(fēng)良好，避開陽光直接照射，便于讀數(shù)?？蘸袣鈮罕砜芍糜跍y站附近地面，其讀數(shù)應(yīng)顧及至天線相位中心高度，加入相應(yīng)的高程修正。8）每時(shí)段觀測前后應(yīng)各量取天線高一次，其測量方法及要求見附錄 D。兩

41、次量高之差不應(yīng)大于 3，取平均值作為最后天線高。若互差超限，應(yīng)查明原因，提出處理意見記入測量手簿記事欄。9）觀測員要細(xì)心操作，觀測期間防止接收設(shè)備震動(dòng)，更不得移動(dòng)，要防止人員和其他物體碰動(dòng)天線或阻礙信號。10）觀測期間，不得在天線附近 50m 以內(nèi)使用電臺，10m 以內(nèi)使用對講機(jī)。11）一時(shí)段觀測過程中不允許進(jìn)行以下操作：a、接收機(jī)關(guān)閉又重新啟動(dòng)；b、進(jìn)行自測試；c、改變衛(wèi)星仰角限；d、改變數(shù)據(jù)采樣間隔；e、改變天線位置；f、按動(dòng)關(guān)閉文件和刪除文件等功能鍵；12）在 GPS 快速靜態(tài)定位測量中，同一觀測單元期間：a、參考站觀測不能中斷；b、參考站和流動(dòng)站采樣間隔要相同，不能變更。13）經(jīng)認(rèn)真檢

42、查，所有規(guī)定作業(yè)項(xiàng)目均已全面完成，并符合要求，記錄與資料完整無誤，且將點(diǎn)位和覘標(biāo)恢復(fù)原狀后，方可遷站。5.5.2 選擇最佳的觀測時(shí)段根據(jù)衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)，選擇衛(wèi)星星數(shù)較多，高度角較大，PDOP 值較小的觀測時(shí)段進(jìn)行觀測。5.5.3 外業(yè)觀測步驟調(diào)度安排，確定每臺接收機(jī)觀測的測站，開機(jī)時(shí)間，搬站情況。觀測組按調(diào)度表規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行作業(yè)，保證同步觀測同一衛(wèi)星組。每時(shí)段開機(jī)前，作業(yè)員量取天線高，并及時(shí)記錄測站名、年月日、時(shí)段號、天線高等信息。關(guān)機(jī)后再量取一次天線高作校核，兩次量取天線高互差不得大于3mm，取平均值作為最后結(jié)果，若互差超限，應(yīng)查明原因，提出處理意見，記入測量手簿。儀器工作過程中，作業(yè)人員對照指示燈工作狀況說明，判斷儀器是否正常工作。一個(gè)時(shí)段觀測過程中，不得進(jìn)行以下操作：關(guān)閉接收機(jī)，又重新開機(jī)；進(jìn)行自測試；改變衛(wèi)星高度角；改變數(shù)據(jù)采樣間隔；改變天線位置；22觀測院在作業(yè)期間不得擅自離開測站，并應(yīng)防止儀器收到震動(dòng)，防止人或其他物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號。接收機(jī)在觀測過程，不應(yīng)在接收機(jī)旁使用對講機(jī)；雷雨天氣過境應(yīng)關(guān)機(jī)停測，卸下天下以防雷擊。應(yīng)記錄雨、晴、陰、云等天氣。5.6 外業(yè)成果記錄GPS 測量作業(yè)所獲得的成果紀(jì)錄應(yīng)包括：a)測量手簿；b)其他記錄，主要有觀測計(jì)劃、偏心觀測資料等。5.7