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GPS測(cè)量誤差的原因

2008-11-27
作者:轉(zhuǎn)自互聯(lián)網(wǎng)

在GPS測(cè)量中,影響觀測(cè)精度的主要誤差可分為以下三類(lèi):

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與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差

  與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差

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1. 衛(wèi)星鐘差

  由于衛(wèi)星的位置是時(shí)間的函數(shù),因此,GPS的觀測(cè)量均發(fā)精密測(cè)時(shí)為依據(jù),而與衛(wèi)星位置相對(duì)應(yīng)的信息,是通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)" title="衛(wèi)星信號(hào)">衛(wèi)星信號(hào)的編碼信息傳送給接收機(jī)的。在GPS定位中,無(wú)論是碼相位觀測(cè)或是載波相位觀測(cè),均要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步。實(shí)際上,以盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘(銣鐘和銫鐘),但是它們與理想的GPS時(shí)之間,仍存在著難以避免的偏差和漂移。這種偏差的總量約在1ms以?xún)?nèi)。

  對(duì)于衛(wèi)星鐘的這種偏差,一般可由衛(wèi)星的主控站,通過(guò)對(duì)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)確定,并通過(guò)衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機(jī)。經(jīng)鐘差改正后,各衛(wèi)星之間的同步差,即可保持在20ns以?xún)?nèi)。

  在相對(duì)定位中,衛(wèi)星鐘差可通過(guò)觀測(cè)量求差(或差分)的方法消除。

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2. 衛(wèi)星軌道偏差

  估計(jì)與處理衛(wèi)星的軌道偏差較為困難,其主要原因是,衛(wèi)星在運(yùn)行中要受到多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響,而通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站,以難以充分可靠的測(cè)定這作用力,并掌握它們的作用規(guī)律,目前,衛(wèi)星軌道信息是通過(guò)導(dǎo)航電文等到的。

  應(yīng)該說(shuō),衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前GPS測(cè)量的主要誤差來(lái)源之一。測(cè)量的基線長(zhǎng)度越長(zhǎng),此項(xiàng)誤差的影響就越大。

  在GPS定位測(cè)量中,處理衛(wèi)星軌道誤差有以下直種方法:

  1) 忽略軌道誤差

  這種方法以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準(zhǔn),不再考慮衛(wèi)星軌道實(shí)際存在的誤差,所以廣泛的用于精度較低的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中。

  2) 采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù)

  這種方法是在數(shù)據(jù)處理" title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理中,引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù),并假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)這些參數(shù)為常量,將其與其它求知數(shù)一并求解。

  3) 同步觀測(cè)值求差

  這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站一同,對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對(duì)不同觀測(cè)站同步觀測(cè)量的影響,具有系統(tǒng)誤差性質(zhì),所以通過(guò)上述求差的方法,可以明顯的減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響,尤其當(dāng)基線較短時(shí),其效用更不明顯。

  這種方法對(duì)于精度相對(duì)定位,具有極其重要的意義。

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與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差

  與衛(wèi)星信號(hào)有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路" title="多路">多路徑效應(yīng)

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1. 電離層折射的影響

  GPS衛(wèi)星信號(hào)的其它電磁波信號(hào)一樣,當(dāng)其通過(guò)電離層時(shí),將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響,便其信號(hào)的傳播路徑發(fā)生變化。當(dāng)GPS衛(wèi)星處于天頂方向時(shí),電離層折射對(duì)信號(hào)傳播路徑的影響最小,而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí),則影響最大。

  為了減弱電離層的影響,在GPS定位中通常采用下面措施

  (1)利用雙頻" title="雙頻">雙頻觀測(cè)

  由于電離層的影響是信號(hào)頻率的函數(shù),所以利用不同頻率的電磁波信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。便能多確定其影響,而對(duì)觀測(cè)量加以修正。因此,具有雙頻的GPS接收機(jī),在精密定位中測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。不過(guò)應(yīng)當(dāng)明確指出,在太陽(yáng)輻射的正午或在太陽(yáng)黑子活動(dòng)的異常期,應(yīng)盡量避免觀測(cè)。在尤其是精密定位測(cè)量。

  (2)利用電離層模型加以修正

  對(duì)于單頻GPS接收機(jī),為了減弱電記屋的影響,一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型,或其它適合的電離層模型對(duì)觀測(cè)量加以修正,但是這種模型至今仍在完善之中,目前模型改正的有效率約為75%。

  (3)利用同步觀測(cè)值求差

  這一方法是利用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī),對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)的求差,以減弱電離層折射的影響,尤其當(dāng)觀測(cè)站間的距離較近時(shí)(<20km),由于衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)各觀測(cè)站的路徑相近,所經(jīng)過(guò)的介質(zhì)狀況相似,因此通過(guò)各觀測(cè)站對(duì)相同衛(wèi)星信號(hào)的同步觀測(cè)值求差,便可顯著的減弱電離層折射影響,其殘差將不會(huì)超過(guò)0.000001。對(duì)于單頻GPS接收機(jī)而言,這種方法的重要意義尤為明顯。

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2. 對(duì)流層折射的影響

  對(duì)流層折射對(duì)觀測(cè)值的影響,可分為干分量與濕分量。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關(guān),而濕分量主要與信號(hào)傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對(duì)于干分量的影響,可通過(guò)地面的" title="面的">面的大氣資料計(jì)算;濕分量目前尚無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定。對(duì)于輸送短的基線(<50km),濕分量的影響較小。

  關(guān)于對(duì)流層折射的影響,一般有以下幾種處理方法:

  (1)定位精度要求不高時(shí),可不考慮其影響。

  (2)采用對(duì)流層模型進(jìn)行改正;

  (3)采用觀測(cè)量求差的方法。與電離層的影響相類(lèi)似,當(dāng)觀測(cè)站間相距不遠(yuǎn)(<20km)時(shí),由于信號(hào)通過(guò)對(duì)流層的路徑相近,對(duì)流層的物理特性相近,所以對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差,可以明顯的減弱對(duì)流層折射的影響。

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3. 多路徑效應(yīng)影響

  多路徑效應(yīng)亦稱(chēng)多路徑誤差,是指接收機(jī)天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外,還可能收到經(jīng)天線周?chē)匚镆淮位蚨啻畏瓷涞男l(wèi)星信號(hào),信號(hào)疊加將會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)(相位中心點(diǎn))位置的變化,從而便觀測(cè)量產(chǎn)生誤差,而且這種誤差隨天線周?chē)瓷涿娴男再|(zhì)而異,難以控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料表明,在一般反射環(huán)境下,多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)碼偽距的影響可達(dá)到米級(jí),對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)。而在高反射環(huán)境下,不僅其影響將顯著增大,而且常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號(hào)失鎖和使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生周跳。因此,在精密GPS導(dǎo)航和測(cè)量中,多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的。


  目前減弱多路徑效應(yīng)影響的措施有:

  (1)安置接收機(jī)天線的環(huán)境,應(yīng)避開(kāi)較強(qiáng)的反射面,如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。

  (2)選擇造型適宜且屏蔽良好的天線等。

  (3)適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間,削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響。

  (4)改善GPS接收機(jī)的電路設(shè)計(jì),了減弱多路徑效應(yīng)的影響。

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接收設(shè)備有關(guān)的誤差

  與GPS接收機(jī)設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測(cè)誤差,接收機(jī)鐘差,天線相位中心誤差和載波相位觀測(cè)的整周不定性影響。

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1. 觀測(cè)誤差

  觀測(cè)誤差包括觀測(cè)的分辨誤差及接收機(jī)天線相對(duì)于測(cè)站點(diǎn)的安置誤差等。

  根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般認(rèn)為觀測(cè)的分辨誤差約為信號(hào)波長(zhǎng)的1%。故知道載波相位的分辨誤差比碼相位不小,由于此項(xiàng)誤差屬于偶然誤差,可適當(dāng)?shù)卦黾佑^測(cè)量,將會(huì)明顯地減弱其影響。

  接收機(jī)天線相對(duì)于觀測(cè)站中心的安置誤差,主要是天線的置不與對(duì)中誤差以及量取天線高的誤差,在精密定位工作中,必須認(rèn)真,仔細(xì)操作,以盡量減小這種誤差的影響。

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2. 接收機(jī)的鐘差

  盡管GPS接收機(jī)高有高精度的石英鐘,其日頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10的-11方,但對(duì)載波相位觀測(cè)的影響仍是不可忽視的。

  處理接收機(jī)鐘差較為有效的方法是將各觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差間看成是相關(guān)的,由此建立一個(gè)鐘差模型,并表示為一個(gè)時(shí)間多項(xiàng)式的形式,然后在觀測(cè)量的平差計(jì)算中統(tǒng)一求解,得到多項(xiàng)式的系數(shù),因而也得到接收機(jī)的鐘差改正。

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3. 載波相位觀測(cè)的整周未知數(shù)

  載波相位觀測(cè)上當(dāng)前普遍采用的最精密的觀測(cè)方法,由于接收機(jī)只能測(cè)定載波相位非整周的小數(shù)部份,而無(wú)法直接測(cè)定開(kāi)波相位整周數(shù),因而存在整周不定性問(wèn)題。

  此外,在觀測(cè)過(guò)程中,由于衛(wèi)星信號(hào)失鎖而發(fā)生的周跳現(xiàn)象。從衛(wèi)星信號(hào)失鎖到信號(hào)重新鎖定,對(duì)載波相位非整周的小數(shù)部分并無(wú)影響,仍和失鎖前保持一致,但整周數(shù)卻發(fā)生中斷而不再連續(xù),所以周跳對(duì)觀測(cè)的影響與整周未知數(shù)的影響相似,在精密定位的數(shù)據(jù)處理中,整周未知數(shù)和周跳都是關(guān)鍵性的問(wèn)題。

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4. 天線的相位中心位置偏差

  在GPS定位中,觀測(cè)值是以接收機(jī)天線相位中心位置為準(zhǔn)的,因而天線的相位中心與其幾何中心理論上保持一致。可是,實(shí)際上天線的相位中心位置隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化,即觀測(cè)時(shí)相位中心的瞬時(shí)位置(稱(chēng)為視相位中心)與理論上的本單位中心位置將有所不同,天線相位中心的偏差對(duì)相對(duì)定位結(jié)果的影響,根據(jù)天線性能的優(yōu)劣,可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米。所以對(duì)于精密相對(duì)定位,這種影響是不容忽視的。

  在實(shí)際工作中,如果使用同一類(lèi)型的天線,在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站上,同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星,那么便可通過(guò)觀測(cè)值求差,以削弱相位中心偏移的影響。需要提及的是,安置各觀測(cè)站的天線時(shí),均奕按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向,使之根據(jù)羅盤(pán)指向磁北極。

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