GPS接收機(jī)誤差來源及性能分析要點(diǎn)

1、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(cè)繪工程系專業(yè)名稱工程測(cè)量技術(shù)班級(jí)測(cè)量1032姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師2013 年 6 月 10 日GPS系統(tǒng)的誤差來源分析及性能分析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(duì)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)

2、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(duì)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(duì)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。誤差講直接影響 我們的測(cè)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(duì)流層AbstractGPS global satellite positioning system (GPS) is the U.S. department of de

3、fense for military services for land, sea and air facilities for high precisi on n avigatio n and positi oning requireme nt. The system has a global, all-weather, continuous 3 d navigation and localization ability, and has good anti-interference and secrecy. It has become the United States of the mo

4、st important marks of modern n avigati on tech no logy, and is con sidered a 20th cen tury the Un ited States after the Apollo missi on to the moon and the space shuttle program after ano ther major scie ntific and tech no logical achievements. In aviation, aerospace, military, traffic, communicatio

5、n, 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 un dersta nd the compositi on of the GPS, i n the error sources of GPS is an alyzed,

6、fin ally 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 measures to eliminate or weaken their in flue

7、nce on the measured results. Speak directly affect our measureme nt error, so the GPS method to elim in ate error. Fin ally put forward the improveme nt measures.Keywords: GPS satellite ephemeris error precisi on iono sphere, troposphere目錄1 GPS概述51.1 GPS的主要特點(diǎn)51.1.1 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

8、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(hào)通道72.2接收機(jī)的天線82.2.1 對(duì)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(hào)，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 102.2.2.3 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

9、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(duì)論效應(yīng)的影響 123.2觀測(cè)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(duì)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154.3選擇較好的硬件 154.4選擇良好的觀測(cè)條件 16

10、441 選站時(shí)應(yīng)避免鄰近有大面積的平靜的水面 16442 測(cè)站不宜選在山坡上 164.4.3 注意離開高層建筑物 164.4.3測(cè)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(cè)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(cè)準(zhǔn)備195.5觀測(cè)195.5.1 觀測(cè)作業(yè)的要求 205.5.2 選擇最佳的觀測(cè)時(shí)段 215.5.3 外業(yè)觀測(cè)步驟 215.6 夕卜業(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)25251 GPS概述全球定位系統(tǒng)(GPS)是美國國防部出于軍事

11、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(cè)時(shí)和測(cè)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、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

12、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(cè)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(cè)量信息多，既可通過偽碼測(cè)定偽距，又可測(cè)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)，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(duì)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

13、線實(shí)現(xiàn)GPS天線抗干擾。2 GPS接收機(jī)組成GPS接收機(jī)組成：GPS接收機(jī)王機(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(hào)通道、微處理器、存儲(chǔ)器及顯示器組成，基本結(jié) 構(gòu)如下圖GPS天線基準(zhǔn)頻率電源頻率放大前置放大器頻率綜合信號(hào) 解擴(kuò) 解調(diào).偽碼測(cè)量載波相位測(cè)量D（ t）存儲(chǔ)器C/A碼P碼發(fā)生器4從 發(fā)生器CPU變換器信號(hào)通道控 制 信 號(hào)GPS接收機(jī)原理圖數(shù)據(jù)輸出2.1.1變頻器及中頻放大器經(jīng)過GPS前置放大器的信號(hào)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(hào)變成低頻信號(hào)，必須采用變頻器。2.1.2 信號(hào)通道信號(hào)通道是GPS接收機(jī)的核心部分

14、，GPS信號(hào)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(hào)通道的作用有三，（1）搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星；（2）對(duì)廣播電文 數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)行解擴(kuò)，解調(diào)出廣播電文；（3）進(jìn)行偽距測(cè)量、載波相位測(cè)量及多普 勒頻移測(cè)量。相關(guān)信號(hào)通道的電路原理圖如下相關(guān)通道電路原理圖從衛(wèi)星接收到的信號(hào)是擴(kuò)頻的調(diào)制信號(hào)，所以要經(jīng)過解擴(kuò)、解調(diào)才能得到導(dǎo)航 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(chǔ)器接收機(jī)內(nèi)設(shè)有存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)卡以存儲(chǔ)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(cè)值、載波相位觀測(cè)值及多普勒頻移，目前 GPS接收機(jī)都裝有 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（簡稱內(nèi)存），接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)

15、可以通過數(shù)據(jù)口傳到微機(jī)上， 以 便進(jìn)行數(shù)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(cè)定、校正和存儲(chǔ)各個(gè)通道的時(shí)延值。 、接收機(jī)對(duì)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(cè)值連同星歷一起計(jì)算出測(cè)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(cè)得的點(diǎn)位坐標(biāo)和GP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

16、提供在視衛(wèi)星數(shù)量及其工作狀況， 以便選用“健康”的R分布適宜的定位衛(wèi)星，達(dá)緞提高點(diǎn)位和度的忡的° 、接收用戶輸入的信號(hào)，如測(cè)站名、測(cè)站號(hào)、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GP衛(wèi)星信號(hào)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(duì)這種信號(hào)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(duì)經(jīng)過放大和變頻處理的信號(hào) 電源進(jìn)行跟蹤、處理和測(cè)量。天線基本結(jié)構(gòu)221 對(duì)天線的要求221.1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(hào)損失。2.2.1.2 能夠接受來自任何方向的衛(wèi)星信號(hào)，

17、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(hào)的多路徑效應(yīng)，防止信號(hào)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GPSW量的觀測(cè)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，GP接收機(jī)的天線有多種類型，其基本類型見下圖所示摑單極天線雙熾接甥族型天線微帶天線蝶旋型天線天線類型222.1 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，全圓極化性能好，可接收來

18、自任何方向的衛(wèi)星信號(hào) 但也屈'單頻木線，不能進(jìn)行瑕頻接收！常用作導(dǎo)航型接收機(jī)夭線錐形天線與帶扼流圈天線222.3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(cè)量型天線都是 微帶犬線。這種火線更適用總機(jī)、火箭等崗速 物I'.c222.4 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(duì)稱，因此天線的相位中心與幾何中心不完全一致 。所以，在安裝天線時(shí)要

19、仔細(xì)定向，使之得以補(bǔ)2.2.25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(hào)很弱，信號(hào)電平只有-50-180db，輸入功率信噪比為S/N=-30db，即信號(hào)源淹沒在噪聲中，為了提高信號(hào)強(qiáng)度，一般在天線后端設(shè)有 前置放大器。2.3 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(hào)接收機(jī)的任務(wù)是： 接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)， 能夠捕獲到按一定 衛(wèi)星高度截止角所選擇的

20、待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)， 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(cè)量；對(duì)所接收到的 GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出 GPS信號(hào)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(cè)站的三 維位置，甚至三維速度和時(shí)間。3 GPS接收機(jī)誤差來源GPS測(cè)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(huì)，來確定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 因此，對(duì)于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)傳播過程和地面接收設(shè)備都會(huì)對(duì) GPS測(cè)量產(chǎn)生 誤差。主要誤差來源可分為：3.1系統(tǒng)誤差3.1.1衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷給出

21、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(cè)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(cè)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(cè)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1ms-0.1ms以內(nèi)，由此引起的等效誤差將達(dá)到 300k葉30km。這 是一個(gè)系統(tǒng)誤差必須加于修正。3.1.3相對(duì)論效應(yīng)的影

22、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(duì)誤差。3.2觀測(cè)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(hào)通過電 離層時(shí),與其他電磁波一樣，信號(hào)的路徑要發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)發(fā)生變化，從而使測(cè)量的距離發(fā)生偏差，這種影響稱為電離層折射。對(duì)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(cè)值，利用不同頻率的觀測(cè)值組合來對(duì)電離 層的延尺進(jìn)行改正。利用電離層模型加以改正。利用同步觀測(cè)值求差，這種方法對(duì)

23、于短基線的效果尤為明顯。321.1對(duì)流層折射對(duì)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(duì)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(hào)通過對(duì)流層時(shí)，也使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使測(cè)量距離產(chǎn) 生偏差,這種現(xiàn)象稱為對(duì)流層折射。減弱對(duì)流層折射的影響主要有 3種措施： 采用對(duì)流層模型加以改正，其氣象參數(shù)在測(cè)站直接測(cè)定。引入描述對(duì)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(cè)量求差。321.1多路徑效應(yīng)測(cè)站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(hào)（反射波）進(jìn)入接收機(jī)天線，將和直 接來自衛(wèi)星的信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測(cè)值偏離，產(chǎn)

24、生所謂的“多路徑 誤差”。這種由于多路徑的信號(hào)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(cè)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(hào)。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(cè)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(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差間是相關(guān)的，在數(shù)據(jù)處理中與觀測(cè)站的位置 參數(shù)一并求解，可減弱接收機(jī)鐘差的。322.2 接收機(jī)的位置誤差接收機(jī)天線

25、相位中心相對(duì)測(cè)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(duì)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(cè)中，應(yīng)采用有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)墩。相 位中心隨著信號(hào)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)或多 個(gè)測(cè)站同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，可通過觀測(cè)值求差來減弱相位偏移的影響。但這時(shí) 各測(cè)站的天線均應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極。322.3接收機(jī)天線相位中心偏差在G

26、PS測(cè)量時(shí),觀測(cè)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(cè)時(shí)天線的相位中心隨著 信號(hào)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。4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(duì)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(duì)大量的觀測(cè)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

27、誤差模型改正后的包含在觀 測(cè)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(duì)大量的實(shí)測(cè)觀測(cè)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(duì)觀測(cè)值或平差結(jié)果的影響，運(yùn)用適當(dāng)?shù)挠^測(cè)方法和數(shù)據(jù)處理 方法（如同步觀測(cè)，相對(duì)定位等），利用誤差在觀測(cè)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(tái)接收機(jī)對(duì)同一衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)時(shí)，觀測(cè)值中都包含了共同的衛(wèi)星鐘 誤差，將觀測(cè)值在接收機(jī)間求差即可消除衛(wèi)星鐘誤差。同樣，1臺(tái)接收機(jī)對(duì)多顆衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)時(shí)，將觀測(cè)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)

28、的兩個(gè)測(cè)站的同步觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)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(duì)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(cè)站在同一時(shí)間分別進(jìn)行單點(diǎn) 定位時(shí)，上述誤差對(duì)兩個(gè)測(cè)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(cè)，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(huì)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，既不能建立改正模也不能利用差分技術(shù)消除，在GPSM量中是一種重要的誤差來源。現(xiàn)在還沒有一種

29、十分有效的方法完全消除 它，多路徑傳播對(duì)碼與載波都有影響，對(duì)P碼觀測(cè)值的影響比對(duì)載波相位的影響 要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)偽距觀測(cè)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(hào)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，該技術(shù)是采用幾塊 GPS芯構(gòu) 成一組合體，從而使誤差減少了 90%。這說明GPS

30、7;量已經(jīng)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(cè)條件441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(huì)引起強(qiáng)烈的反射信號(hào)灌木叢、草地和其他地面植被能較好地吸 收微波信號(hào)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(cè)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(huì)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(hào)也能從天線抑徑板上方進(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

31、.3注意離開高層建筑物測(cè)站附近有高層建筑物時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)會(huì)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(cè)站太近 。4.4.3測(cè)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(tái)、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(huì)被極靈敏的 GPS天線接收，從而損壞天線5 GPS數(shù)據(jù)觀測(cè)5.1 GPS網(wǎng)的布設(shè)本次實(shí)習(xí)精度要求為E級(jí)，米用二臺(tái)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。E3B15.2選點(diǎn)選點(diǎn)即觀測(cè)站位置的選擇。在GPS測(cè)量中并不要求觀測(cè)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(cè)量簡便得多。 但為了保證觀測(cè)

32、工 作的順利進(jìn)行和可靠地保持測(cè)量結(jié)果，用戶注意使觀測(cè)站位置具有以下的條件：1）確保GP接收機(jī)上方的天空開闊GPSffl量主要利用接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)，而且接收機(jī)上空越開闊，則觀測(cè)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。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。GP宓收機(jī)接收衛(wèi)星廣播的微波信號(hào)，微波信號(hào)都會(huì)受到電磁場的影響而產(chǎn) 生噪聲，降低信噪比，影響觀測(cè)成果。所以 GPS空制點(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

33、不應(yīng)有強(qiáng)電磁輻射源，如無線電臺(tái)、電視發(fā)射 天線、高壓輸電線等，以免干擾 GPS衛(wèi)星信號(hào)。通常，在測(cè)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(tái)、電臺(tái)、微波站等）；在50m內(nèi)不能 有高壓輸電線和微波無線電信號(hào)傳遞通道。4）最好選在交通便利的地方以利于其它測(cè)量手段聯(lián)測(cè)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(duì)電磁波傳播影響較大的物體下設(shè)觀測(cè)站， 當(dāng)接收機(jī)工作時(shí)，接收的衛(wèi)星信號(hào)將產(chǎn)生畸變，這樣即使采集時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)，如觀 測(cè)衛(wèi)星數(shù)、DOP值等都較好，但觀測(cè)數(shù)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(cè)

34、量方法進(jìn)行聯(lián)測(cè)。在點(diǎn)位選好后，在對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行編號(hào)時(shí)必須注意點(diǎn)位編號(hào)的合理性，在野外采集時(shí)輸入的觀測(cè)站名由四個(gè)任意輸入的字符組成，為了在測(cè)后處理時(shí)方便及準(zhǔn) 確，必須不使點(diǎn)號(hào)重復(fù)。建議用戶在編號(hào)時(shí)盡量采用阿拉伯?dāng)?shù)字按順序編號(hào)。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(jí)E級(jí)，選用GPSS收機(jī) 表6接收機(jī)選用級(jí)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(cè)量至少有L1、L2載波相位L1、L2載波相位L1、L2載波 相位L1載波 相位L1載波 相位同步觀測(cè)接收> 5> 4> 4> 3> 2機(jī)數(shù)532使用儀器序號(hào)儀器名稱型

35、號(hào)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533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(cè)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(hào)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(cè)和后處理軟件操作手冊(cè)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(hào)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(cè)試命令進(jìn)行測(cè)試；d）檢驗(yàn)接收機(jī)鎖定衛(wèi)星時(shí)間的快慢， 接收信 號(hào)強(qiáng)弱及信號(hào)失鎖情況。試驗(yàn)檢驗(yàn)前，還應(yīng)檢驗(yàn)：a）天線或基座圓水準(zhǔn)器和光學(xué)對(duì)中器是正確；b）天線高 量尺是否完好，尺長精度是

36、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(cè)試和評(píng)估數(shù)據(jù)后處理軟件。5.4觀測(cè)準(zhǔn)備GPS接收機(jī)在開始觀測(cè)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(cè)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(duì)中誤差不應(yīng)大于3伽； 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伽。5.5觀測(cè)依據(jù)接收機(jī)的臺(tái)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(cè)安排為，按照全 球定位系統(tǒng)（GPS測(cè)量規(guī)范（GB/T18314-2001 ）中E級(jí)網(wǎng)的技術(shù)要求，進(jìn)行 兩個(gè)時(shí)段的靜

37、態(tài)觀測(cè)，采用邊連式構(gòu)成 GPS控制網(wǎng)。E級(jí)GPSW量基本技術(shù)規(guī)定應(yīng)符合表 7。表7各級(jí)GPS測(cè)量基本技術(shù)要求規(guī)定項(xiàng)目一AAABCDE衛(wèi)星截止高度角（o）1010151515r 15同時(shí)觀測(cè)有效衛(wèi)星總數(shù)> 4> 4> 4> 4> 4> 4有效觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù)> 20> 20> 9> 6> 4> 4觀測(cè)時(shí)段數(shù)> 10> 6> 4> 2> 1.6r > 1.6時(shí)靜態(tài)> 720> 540> 240> 60> 45> 40段 長 度 min快速靜態(tài)雙頻+P(Y)&g

38、t; 10> 5> 2雙頻全 波> 15> 10> 10單頻或 雙頻半 波> 30> 20> 15S 采樣間隔靜態(tài)30303010 3010 301030快速靜態(tài)515515515時(shí) 段 中 任 意 衛(wèi) 星 有 效 觀 測(cè) 時(shí) 間 min靜態(tài)> 15> 15> 15> 15> 15> 15快 速 靜 態(tài)雙頻+P(Y)> 1> 1> 1雙頻全 波> 3> 3> 3單頻或 雙頻半 波> 5> 5> 5注1在時(shí)段中觀測(cè)時(shí)間符合表7中第七項(xiàng)規(guī)定的衛(wèi)星，為有效觀測(cè)衛(wèi)星

39、2計(jì)算有效觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù)時(shí)，應(yīng)將個(gè)時(shí)段的有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)扣除其間的重復(fù)衛(wèi) 星數(shù)。3觀測(cè)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(cè)時(shí)段數(shù)1.6，指每站觀測(cè)一時(shí)段，至少 60%測(cè)站再觀測(cè)一時(shí)段。5.5.1觀測(cè)作業(yè)的要求1）觀測(cè)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)。3）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(cè)試并輸入測(cè)站、 觀測(cè)單兀和時(shí)段等控制信息。4）接收機(jī)啟動(dòng)前與作業(yè)過程中，應(yīng)隨時(shí)逐項(xiàng)填寫測(cè)量手簿中的記錄項(xiàng)目，測(cè)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(cè)員可查看測(cè)站信息、接收衛(wèi)星數(shù)，如發(fā)現(xiàn)異常 情

40、況或未預(yù)料到的情況，應(yīng)記錄在測(cè)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(cè)開始及結(jié)束前各記錄一次觀測(cè)衛(wèi)星號(hào)、天氣狀況、實(shí)時(shí)定位經(jīng)緯 度和大地高、PDO值等。7）氣象觀測(cè)所用通風(fēng)干濕表需懸掛在測(cè)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)。 空盒氣壓表可置于測(cè)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(cè)前后應(yīng)各量取天線高一次，其測(cè)量方法及要求見附錄D。兩次量 高之差不應(yīng)大于3伽，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(cè)量手簿記事欄。9）觀測(cè)員要細(xì)心操作，觀測(cè)期間防止接收設(shè)備震

41、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(hào)。10）觀測(cè)期間，不得在天線附近50m以內(nèi)使用電臺(tái)，10m以內(nèi)使用對(duì)講機(jī)。11）一時(shí)段觀測(cè)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(cè)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(cè)量中，同一觀測(cè)單元期間：a、參考站觀測(cè)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(cè)時(shí)段根據(jù)衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)

42、，選擇衛(wèi)星星數(shù)較多，高度角較大，PDOPfi較小的觀測(cè)時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)。5.5.3 外業(yè)觀測(cè)步驟調(diào)度安排，確定每臺(tái)接收機(jī)觀測(cè)的測(cè)站，開機(jī)時(shí)間，搬站情況。 觀測(cè)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(cè)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(cè)站名、年月日、時(shí)段號(hào)、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(cè)量手 簿。儀器工作過程中，作業(yè)人員對(duì)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(cè)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(cè) 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； 觀測(cè)院在作業(yè)期間不得擅自離開測(cè)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(hào)。接收機(jī)在觀測(cè)過程， 不應(yīng)在接收機(jī)旁使用對(duì)講機(jī)； 雷雨天氣過境應(yīng)關(guān)機(jī)停測(cè)， 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(cè)量作業(yè)所獲得的成果紀(jì)錄應(yīng)包括：a）測(cè)量手簿；b）其他記錄，主要有觀測(cè) 計(jì)劃、偏心觀測(cè)資料等。5.7 外業(yè)數(shù)據(jù)檢核經(jīng)過數(shù)據(jù)檢測(cè)，該測(cè)量數(shù)據(jù)符合精度要求。因此證明選擇這樣