GPS测量误差及精度控制测量探析

GPS测量误差及精度控制测量探析

白玉琪

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摘要：本文从GPS测量的角度出发，以地面接收设备、卫星、信号传播为研究对象，深入分析信号在传播的过程中所受到的干扰，分析误差产生的原因，并根据此给出相应的解决措施。

关键词：GPS测量; 测量误差; 精度控制; 测量措施

近年来，随着我国科技水平的提高，各个行业涌现出的高科技技术不断增加，GPS技术作为一种全球性的应用技术，其自身的应用范围十分广泛，涉及到各个行业领域内，包括航空航天、测量测绘、汽车导航、地理绘图等等。但是在实际的应用过程中，GPS技术的测量还存在这一定程度的误差，这种误差产生的原因十分复杂，在一些精密测量的领域内，这种误差严重影响使用效果。所谓的GPS测量就是指通过设置在地面的接收设备来接收卫星所传输的信号，计算同一时刻的地面接收设备与多个卫星之间的距离。最后通过计算测量出地面目标点的三维空间坐标。所以说，在地面设备、卫星、以及信号传播的过程中，一系列的环节都会对GPS测量的结果产生影响，导致误差的产生。

1 关于GPS测量

GPS即全球定位系统是一种始于美国的卫星导航系统，GPS可以进行全球性、全天候以及连续性的进行卫星定位、导航、测速以及定时的系统。GPS系统可以为全球任何一个用户提供一个全天候、连续的以及高精度的三维坐标、速度、时间等技术参数。GPS系统主要由三大部分组成：

1）空间卫星：组成GPS系统的核心是位于地面2.02万千米高的24颗卫星群组成，并且这24颗卫星均匀的分布在6个固定的轨道上，各个平面之间的交角均为60度。卫星的基本轨道与地球的赤道之间的倾角为55度，卫星在轨道上的运行周期为11小时58分，这样的参数设置可以保证在任何时间任何地点以及地平线上。至少能够收到4颗卫星发送的信号。

2）地面控制系统：地面上的控制系统主要由三个部分组成，包括主控站、3个注入站以及5个监测站。主控站在这里的作用主要是根据监控站收集的数据，计算卫星的星历与卫星时钟改正参数，然后将参数通过注入站进行注入。注入站就是将主控站的参数提供给卫星。监控站主要是收集卫星提供的数据并检测卫星的工作状态。

3）用户终端：用户部分的构成主要是GPS接收机、数据处理软件以及相应的用户设备等。用户终端的作用就是接收GPS卫星发射的信号、利用信号进行导航定位。尤其在测绘领域，GPS的应用越来越广泛。

2 GPS误差来源分析

GPS测量误差按其生产源可分三大部分：C巧信号的自身误差，包括轨道误差（星历误差）和SA,AS影响；GPS信号的传输误差，包括太阳光压，电离层延迟，对流层延迟，多路径传播和由它们影响或其他原因产生的周跳；GPS接收机的误差，主要包括钟误差，通道间的偏差，锁相环延迟，码跟踪环偏差，天线相位中心偏差等。

2.1 轨道误差

有关部门提供一定精度的卫星轨道，以广播星历形式发播给用户使用，从而即可知观测瞬间所观测的卫星位置，所以轨道误差即星历误差。同时卫星星历误差又等效于伪距误差，卫星的星历是由其地面的监测站跟踪GPS卫星来求定的，由于地面的监测站测定的误差和卫星在空中受到的摄动力等多重的影响，从而使得其测定的卫星轨道会有一定的误差，卫星的星历都是地面的监测站根据卫星轨道所推算出来的，使得卫星的星历所提供的卫星位置和实际的位置之间会有一定的偏差：现代GPS技术中，卫星星历误差的等效伪距为4.2M，但是美国方面的SA和仆政策人为的降低导航定位，使点位误差明增大，有时可达100M，甚至更多二卫星星历误差是GPS测量重要的误差来源，如果定位的精度要求小于1ppm时，可以忽略误差。

2.2 信号传播误差

1）电离层产生的误差：信号在传播的过程中引起延迟的原因是电离层。其主要是和沿用卫星与用户使用的接收机视线方向所呈现出来的电子密度有关，接收视线方向如果处于垂直视线，那么所体现出来的延迟值在夜间平均可以达到三米，在白天的时候延迟值可以达到十五米，然而在低仰视角度情况中，所出现的延迟值分别是九米和四十五米．并且在反常时期所出现的延迟值还会进一步增加。

2）对流层产生的误差：出现对流层延迟的原因，主要是电磁波信号在通过对流层的时候，其传播速度和真空中光的传播速度不同所引起的。其中又分为干大气分量和湿大气分量。在低仰角的时候其能够达到20米其中干大气分量大概占有80%至90%。这点能够利用模型将其大部分进行改正，大气分量所占用的数值虽然不大，但是它随着纬度和高度出现的变化，而随之变化：在实践中对于空气中的水汽与干气非常的难以预测，因此在实践当中进行大气测试，通常都是干气和湿气两者融合在一起的数值，所以对于准确性就显得难以做出有效的判断依据。

3）多路径误差：有时GPS信号并不能直接射至GPS信号接收天线．而是先射至物体．经过反射才到达GPS接收天线，从而会对GPS信号直接射至接收天线的直线波产生于扰．这就是多路径误差二多路径误差的强度根据情况不同会有所差异．主要差异原因在于用户GPS信号接收天线的抗干扰能力以及反射信号的强弱为了防止多路径误差可在用户天线附近设置仰径板．当天线长度在1-2M时，可采用直径为40CM的仰径板，这样可以有效的避免多路径误差。

2.3 其他误差

除了上述经常存在以及出现的误差外，误差的来源还有很多，包括卫星的周跳误差、观测误差、接收机时钟误差、天线中心位置偏差等。

3 GPS精度控制测量

3.1 信号控制

利用区域性GPS跟踪网就可以确定GPS的卫星轨道。跟踪站的地心坐标误差对于卫星的轨道影响是10倍或者更大，所以，就要提供优于2M精度的卫星轨道要求跟踪站的地心坐标精度要优于0.1M，约束全球基站的松弛轨道加权的约束基准方法，从中可以得出优于5M的相对坐标值，基本就能满足我国现阶段的区域性定轨需要。

3.2 信号传播精度控制

1）利用同步测量法求得差值；

2）模拟电离层模型，实验改进方案；

3）采用双频接收机代替传统的接收机；

3.3 地面接收精度控制

根据定位要求的不同可对接收机的时钟精度控制采用不同的策略。单点的定位，可将钟差作为一个未知数。代入方程进行求解，并最终得出误差值；在载波相位相对的定位中，可采用对观测值比如星间单差、星站间双差求差的方法；如果要求高精度定位，可采用外接频标的方法，为接收机提供很高精度的时间标准以上集中方法，根据要求定位的精度不同，采用不同的方法进行精度控制，可在经济思想的前提下，实现最大有效精度的控制。

参考文献：

[1] 李作开. GPS测量的误差及精度控制. 智能应用，2015（09）：059-060.

[2] 李成泉. GPS测量的误差及精度控制.问题探讨，2010（04）：081-082.

[3] 王婷婷. GPS测量误差分析及其控制. 电子工程，2008（03）：020-022.