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GPS測(cè)量誤差源分析
發(fā)布者：沈陽精測(cè)鴻圖儀器設(shè)備有限公司發(fā)表時(shí)間：2018-07-26
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，包括軌道誤差和SA,AS影響;GPS信號(hào)的傳輸誤差，包括太陽光壓，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，天線相位中心偏差等。
軌道誤差（星歷誤差）和SA、AS影響
有關(guān)部門提供一定精度的衛(wèi)星軌道，以廣播星歷形式發(fā)播給用戶使用，從而己知觀測(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，不能精密確定，使衛(wèi)星軌道產(chǎn)生誤差。
控制網(wǎng)的靜態(tài)GPS測(cè)量是利用載波相位測(cè)量，一般是由一個(gè)點(diǎn)設(shè)為己知點(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，從而得出待定點(diǎn)位的坐標(biāo)或兩點(diǎn)間的坐標(biāo)值，稱為基線測(cè)量，短基線測(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Real-time)，即在己知坐標(biāo)點(diǎn)上布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，通過基準(zhǔn)站取得誤差校正值，通過數(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)，己使導(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)。
SA技術(shù)是選擇可用性(SelectiveAvailability)的簡(jiǎn)稱，它是由兩種技術(shù)使用戶的定位精度降低，一種技術(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，另一種技術(shù)是降低衛(wèi)星星歷精度，呈無規(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。在2000年5月1日，美國(guó)關(guān)閉了運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)10年的SA軟件，從而使GPSC/A碼單點(diǎn)定位精度可達(dá)到25m,測(cè)速精度為10cm/s。
AS技術(shù)(Anti-Spoofing)叫反電了欺騙技術(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)行電了干擾。AS技術(shù)使得用C/A碼工作的用戶無法再和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，實(shí)際降低了用戶定位精度。
確定GPS衛(wèi)星軌道是減少星歷誤差的根本方法。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，基本上可以滿足我國(guó)現(xiàn)階段區(qū)域性定軌的需要。
太陽光壓對(duì)GPS衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)加速度
太陽光壓對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)影響衛(wèi)星的軌道，它是精密定軌的主要誤差源。太陽光壓對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的攝動(dòng)加速度受太陽與地球間距離的變化而引起太陽輻射壓力的變化，也與太陽光強(qiáng)度、衛(wèi)星受到的照射面程、照射面積與太陽的幾何關(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光壓發(fā)生變化。
己有的太陽光壓改正模型有：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)，可以滿足lm定軌的要求。最近有人提出，用附加隨機(jī)過程參數(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，可得到更理想的結(jié)果，甚至可以滿足0.1一0.2m精度的定軌要求。
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)星和用戶接收機(jī)視線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，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，利用雙頻GPS接收機(jī)觀測(cè)，只適用于沒有電離層擾動(dòng)的中緯度地區(qū)來進(jìn)行電離層改正。強(qiáng)烈影響大概在±10°以內(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)模無規(guī)律引起的，它有幾米到幾千米的波長(zhǎng)，這些無規(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。甚至基線在10km以內(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)沒有赤道附近那么強(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，這些極光影響能延仲到中緯度地區(qū)，使周跳數(shù)增多。
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％一90％，可以用一定的模型將大部分改正掉。濕大氣分量數(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)間變化得非常快。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。到目前為止己開發(fā)出來了許多計(jì)算濕對(duì)流層延遲的實(shí)用模型，但干對(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，在短基線測(cè)量中會(huì)很好的消除，在長(zhǎng)基線測(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天頂方向提高到水平方向(平面坐標(biāo))接近的水平。
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接收天線上，對(duì)GPS信號(hào)直接射至GPS接收天線上的直接波的干擾。多路徑誤差的大小，取決于反射波的強(qiáng)弱和用戶天線抗衡反射波的能力。用戶天線附設(shè)仰徑板，當(dāng)仰徑板半徑為40cm，天線高于lm~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:①當(dāng)邊長(zhǎng)小于l0km時(shí)，主要誤差源是天線的對(duì)中誤差和多路徑誤差；②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)5~9cm，在高反射環(huán)境下可達(dá)15cm；③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；④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。
接收機(jī)天線附近的水平面、垂直面和斜面都會(huì)使GPS信號(hào)產(chǎn)生鏡反射。天線附近的地形地物，例如道路、樹木、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)特別注意避開這些地形地物，采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施。
周跳
周跳也稱為失周。在精密的GPS相對(duì)定位中采用的觀測(cè)值是相位觀測(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)被稱為整周模糊度，在解算時(shí)與其他參數(shù)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)被擋住)對(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，稱為失周或失鎖，也稱為周跳。在短距離GPS基線定位中，大氣軌道誤差基本被抵消，電離層和對(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)生周跳原因，可分為外部原因和接收機(jī)質(zhì)量問題。外部原因有：衛(wèi)星信號(hào)被天線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。
在GPS相位測(cè)量中，觀測(cè)數(shù)據(jù)中大于10周的周跳，在數(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1~5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=0.03~0.06m；△B=0.10~0.18m；△h=0.14~0.16m�？梢�，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)星組成的兒何圖形；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)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，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。
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)己有許多軟件處理方法�？梢杂媒M成單差、雙差、3差和4差，根據(jù)組成高階差數(shù)后，周跳被成倍放大，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。
GPS測(cè)量?jī)x器的質(zhì)量檢定
上面己經(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。也就是說對(duì)GPS測(cè)量?jī)x器必須先進(jìn)行作業(yè)前的檢驗(yàn)，沒有檢驗(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：①天線相位中心穩(wěn)定性測(cè)試；②內(nèi)部噪聲水平測(cè)試；③野外作業(yè)性能及不同測(cè)程精度指標(biāo)的測(cè)試；④頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)；⑤高低溫性能測(cè)試。
對(duì)于GPS控制網(wǎng)基線測(cè)量，基線長(zhǎng)度較短的情況下，GPS的軌道誤差，太陽光壓影響及美國(guó)SA技術(shù)基本對(duì)測(cè)量精度不發(fā)生影響。在作業(yè)過程中，在GPS接收機(jī)滿足作業(yè)精度要求的情況下，測(cè)量的主要誤差源是多路徑誤差、周跳和點(diǎn)位的對(duì)中誤差。作業(yè)中應(yīng)盡量避免它們的發(fā)生并減少其誤差。電離層延遲和對(duì)流層延遲主要影響基線測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的高差精度，兩點(diǎn)間高差愈大影響也愈大。如果改正公式和參數(shù)不恰當(dāng)，它可能產(chǎn)生每lm高差就有l(wèi)mm的誤差。電離層和對(duì)流層延遲對(duì)平面坐標(biāo)((L,B或X,Y)影響甚微，幾乎沒有影響。電離層和對(duì)流層延遲具有相關(guān)性，基線愈短相關(guān)性越強(qiáng)，在短基線測(cè)量中它們的影響會(huì)有很好的消除。
——摘自雷娟《GPS測(cè)量誤差源分析及精度控制》
軌道誤差（星歷誤差）和SA、AS影響
有關(guān)部門提供一定精度的衛(wèi)星軌道，以廣播星歷形式發(fā)播給用戶使用，從而己知觀測(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，不能精密確定，使衛(wèi)星軌道產(chǎn)生誤差。
控制網(wǎng)的靜態(tài)GPS測(cè)量是利用載波相位測(cè)量，一般是由一個(gè)點(diǎn)設(shè)為己知點(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，從而得出待定點(diǎn)位的坐標(biāo)或兩點(diǎn)間的坐標(biāo)值，稱為基線測(cè)量，短基線測(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Real-time)，即在己知坐標(biāo)點(diǎn)上布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，通過基準(zhǔn)站取得誤差校正值，通過數(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)，己使導(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)。
SA技術(shù)是選擇可用性(SelectiveAvailability)的簡(jiǎn)稱，它是由兩種技術(shù)使用戶的定位精度降低，一種技術(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，另一種技術(shù)是降低衛(wèi)星星歷精度，呈無規(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。在2000年5月1日，美國(guó)關(guān)閉了運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)10年的SA軟件，從而使GPSC/A碼單點(diǎn)定位精度可達(dá)到25m,測(cè)速精度為10cm/s。
AS技術(shù)(Anti-Spoofing)叫反電了欺騙技術(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)行電了干擾。AS技術(shù)使得用C/A碼工作的用戶無法再和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，實(shí)際降低了用戶定位精度。
確定GPS衛(wèi)星軌道是減少星歷誤差的根本方法。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，基本上可以滿足我國(guó)現(xiàn)階段區(qū)域性定軌的需要。
太陽光壓對(duì)GPS衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)加速度
太陽光壓對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)影響衛(wèi)星的軌道，它是精密定軌的主要誤差源。太陽光壓對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的攝動(dòng)加速度受太陽與地球間距離的變化而引起太陽輻射壓力的變化，也與太陽光強(qiáng)度、衛(wèi)星受到的照射面程、照射面積與太陽的幾何關(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光壓發(fā)生變化。
己有的太陽光壓改正模型有：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)，可以滿足lm定軌的要求。最近有人提出，用附加隨機(jī)過程參數(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，可得到更理想的結(jié)果，甚至可以滿足0.1一0.2m精度的定軌要求。
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)星和用戶接收機(jī)視線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，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，利用雙頻GPS接收機(jī)觀測(cè)，只適用于沒有電離層擾動(dòng)的中緯度地區(qū)來進(jìn)行電離層改正。強(qiáng)烈影響大概在±10°以內(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)模無規(guī)律引起的，它有幾米到幾千米的波長(zhǎng)，這些無規(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。甚至基線在10km以內(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)沒有赤道附近那么強(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，這些極光影響能延仲到中緯度地區(qū)，使周跳數(shù)增多。
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％一90％，可以用一定的模型將大部分改正掉。濕大氣分量數(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)間變化得非常快。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。到目前為止己開發(fā)出來了許多計(jì)算濕對(duì)流層延遲的實(shí)用模型，但干對(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，在短基線測(cè)量中會(huì)很好的消除，在長(zhǎng)基線測(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天頂方向提高到水平方向(平面坐標(biāo))接近的水平。
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接收天線上，對(duì)GPS信號(hào)直接射至GPS接收天線上的直接波的干擾。多路徑誤差的大小，取決于反射波的強(qiáng)弱和用戶天線抗衡反射波的能力。用戶天線附設(shè)仰徑板，當(dāng)仰徑板半徑為40cm，天線高于lm~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:①當(dāng)邊長(zhǎng)小于l0km時(shí)，主要誤差源是天線的對(duì)中誤差和多路徑誤差；②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)5~9cm，在高反射環(huán)境下可達(dá)15cm；③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；④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。
接收機(jī)天線附近的水平面、垂直面和斜面都會(huì)使GPS信號(hào)產(chǎn)生鏡反射。天線附近的地形地物，例如道路、樹木、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)特別注意避開這些地形地物，采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施。
周跳
周跳也稱為失周。在精密的GPS相對(duì)定位中采用的觀測(cè)值是相位觀測(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)被稱為整周模糊度，在解算時(shí)與其他參數(shù)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)被擋住)對(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，稱為失周或失鎖，也稱為周跳。在短距離GPS基線定位中，大氣軌道誤差基本被抵消，電離層和對(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)生周跳原因，可分為外部原因和接收機(jī)質(zhì)量問題。外部原因有：衛(wèi)星信號(hào)被天線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。
在GPS相位測(cè)量中，觀測(cè)數(shù)據(jù)中大于10周的周跳，在數(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1~5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=0.03~0.06m；△B=0.10~0.18m；△h=0.14~0.16m�？梢�，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)星組成的兒何圖形；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)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，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。
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)己有許多軟件處理方法�？梢杂媒M成單差、雙差、3差和4差，根據(jù)組成高階差數(shù)后，周跳被成倍放大，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。
GPS測(cè)量?jī)x器的質(zhì)量檢定
上面己經(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。也就是說對(duì)GPS測(cè)量?jī)x器必須先進(jìn)行作業(yè)前的檢驗(yàn)，沒有檢驗(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：①天線相位中心穩(wěn)定性測(cè)試；②內(nèi)部噪聲水平測(cè)試；③野外作業(yè)性能及不同測(cè)程精度指標(biāo)的測(cè)試；④頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)；⑤高低溫性能測(cè)試。
對(duì)于GPS控制網(wǎng)基線測(cè)量，基線長(zhǎng)度較短的情況下，GPS的軌道誤差，太陽光壓影響及美國(guó)SA技術(shù)基本對(duì)測(cè)量精度不發(fā)生影響。在作業(yè)過程中，在GPS接收機(jī)滿足作業(yè)精度要求的情況下，測(cè)量的主要誤差源是多路徑誤差、周跳和點(diǎn)位的對(duì)中誤差。作業(yè)中應(yīng)盡量避免它們的發(fā)生并減少其誤差。電離層延遲和對(duì)流層延遲主要影響基線測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的高差精度，兩點(diǎn)間高差愈大影響也愈大。如果改正公式和參數(shù)不恰當(dāng)，它可能產(chǎn)生每lm高差就有l(wèi)mm的誤差。電離層和對(duì)流層延遲對(duì)平面坐標(biāo)((L,B或X,Y)影響甚微，幾乎沒有影響。電離層和對(duì)流層延遲具有相關(guān)性，基線愈短相關(guān)性越強(qiáng)，在短基線測(cè)量中它們的影響會(huì)有很好的消除。
——摘自雷娟《GPS測(cè)量誤差源分析及精度控制》
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