浅析影响GPS测量精度控制的问题

　　摘要：工程测量技术朝着测量数据采集和处理的自动化、实时化和数字化方向发展，使工程测量的手段、方法和理论产生了深刻的变化。本文主要探讨影响GPS测量精度控制的各项因素。
　　关键词：GPS测量;精度控制;误差
　　
　　前言
　　GPS已成为建立平面控制网的一种常用手段。可以说,GPS技术的发展和应用是本世纪测绘领域最辉煌的成就之一。随着差分GPS定位技术的发展与应用,不仅是高等级的首级网和加密网,就连图根点和航空摄影测量像控点的测定也广泛采用了GPS。在许多地形测量项目中,光电测距导线早已成为一种最基本的控制测量方法。特别是当使用全站仪时,可以将低
　　等级的图根控制与细部地形测量同步进行,从而提高总体作业效率。徕卡公司最新推出的全站仪与GPS完美结合,是集成了GPS功能的高性能全站仪(超站仪),无需控制点、长导线和后方交会等工作,直接使用GPS确定该点的三维坐标,然后就可以使用全站仪进行测图、放样等工作。高程控制测量过去一直沿用几何水准测量的方法,这种方法耗时费力,效率较低。同时,随着GPS在平面控制测量上日益广泛的应用,关于GPS在高程控制测量领域的应用研究也掀起了热潮。
　　
　　一、轨道误差(星历误差)和SA,AS影响
　　1.1美国的SA技术与AS影响
　　SA技术是选择可用性(SelectiveAvailability)的简称,它是由两种技术使用户的定位精度降低,即δ(dither)技术和ε(epsilon)技术。δ技术是人为地施加周期为几分钟的呈随机特征的高频抖动信号,使GPS卫星频率10.23MHz加以改变,最后导致定位产生干扰误差,ε技术是降低卫星星历精度,呈无规则的随机变化,使得卫星的真实位置增加了人为的误差。AS技术(Anti-Spoofing)叫反电子欺骗技术,其目的是为了在和平时期保护其P码,不让非授权用户使用;战时防止敌方对精密导航定位作用的P码进行电子干扰。AS技术使得用C/A码工作的用户无法再和P码相位测量值联合解算进行双频电离层精密测距修正,实际降低了用户定位精度。
　　1.2确定GPS卫星轨道是减少星历误差和消除ε技术影响的根本方法利用区域性GPS跟踪网可以确定GPS卫星轨道。跟踪站地心坐标的误差对卫星轨道的影响是10倍或更大。因此,要提供优于±2m精度的卫星轨道要求跟踪站地心坐标的精度优于±0.1m。据介绍,采用强约束全球站松弛轨道的加权约束基准方法,可以得出优于±5cm精度的相对坐标值,基本上可以满足我国现阶段区域性定轨的需要。如果根据我国现有的GPS卫星跟踪网站对各卫星记录的观测值,计算出现有广播星历轨道根数的误差改正值,可以进一步计算长弧轨道的精密星历,从而能直接向用户播发精密星历,取代现有的ε技术降低精度以后的广播星历。
　　二、太阳光压对GPS卫星产生摄动加速度
　　太阳光压对卫星产生摄动影响卫星的轨道,它是精密定轨的最主要误差源。太阳光压对卫星产生的摄动加速度受太阳与地球间距离的变化影响(地球轨道偏心距)而引起太阳辐射压力的变化,也与太阳光强度、卫星受到的照射面程和照射面积与太阳的几何关系及照射面的反射和吸收特性有关,卫星表面材料的老化、卫星姿态控制的误差等也使太阳光压发生变化。已有的太阳光压改正模型有:标准光压模型、多项式光压模型和ROCK4光压摄动模型,这几种光压模型精度基本上相当,可以满足±1m定轨的要求。
　　
　　三、电离层的信号传播延迟
　　电离层引起码信号传播延迟,它与沿卫星和用户接收机视线方向上的电子密度有关,在垂直方向上延迟值在夜间平均可达3m左右,白天可达15m,在低仰角情况下分别可达9m和45m,在反常时期这个值还会加大。为了削弱电离层延迟所引起的定位精度损失,在长基准测量中用双频接收机采集GPS数据,对观测成果进行实时电离层延迟改正,可以获得很好的效果。对于单频接收机的用户,虽然可以用数学模型进行改正,但其残差仍然很大。也可以用提高卫星高度截止角的办法减少其影响。在赤道和地极附近存在着严重的电离层赤道扰动和地极扰动。因而,利用双频GPS接收机观测,只适用于没有电离层扰动的中纬度地区进行电离层改正。赤道扰动。最坏的电离层影响是在赤道附近。强烈影响大概在±10°以内的区域,此影响可延续至赤道两边的±30°。扰动一般在日落到午夜发生,延续到第二天黎明。它是由电离层中电子含量小规模无规律引起的,它有几米到几千米的波长,这些无规律的电子密度能够产生衍射和反射效应,接收的信号能使相位和振幅变异,它能妨碍GPS卫星信号跟踪,引起周跳。甚至基线在10km以内时,强烈的电子水平分布梯度能使模糊度解算不能进行。地极扰动。它没有赤道附近那么强烈,它的发生与磁暴活动有关,它主要是位于磁纬的69°~70°的极光带。在强磁暴期间,这些极光影响能延伸到中纬度地区,使周跳数增多。
　　四、多路径误差
　　多路径误差是指GPS信号射至到其他物体上又反射到GPS接收天线上,而对GPS信号直接射至到GPS接收天线上的直接波的干扰。多路径误差的大小,取决于反射波的强弱和用户天线抗衡反射波的能力。用户天线附设仰径板,当仰径板半径为40cm,天线高于1m至2m时,可抑制多路径影响。据大量资料的分析统计,多路径误差有以下危害:①当边长小于10km时,主要误差源是天线的对中误差和多路径误差;②多路径误差对点位坐标的影响,在一般环境下可达5~9cm,在高反射环境下可达15cm;③在高反射环境(城镇、水体旁、沙滩、飞机、舰船等)下,码信号受多径误差的影响,可导致接收机的相位失锁;④实践证明,观测值中的很多周跳都是由于多路径误差引起的。接收机天线附近的水平面、垂直面和倾斜面都会使GPS信号产生镜反射。天线附近的地形、地物,例如,道路、树木、建筑物、池塘、水沟、沙滩、山谷、山坡等都能构成镜反射。因此,选择GPS点位时应特别注意避开这些地形、地物,采取提高天线高度和其他防止多路径误差的措施。
　　五、周跳
　　5.1周跳和周跳的产生周跳也称为失周。
　　在精密的GPS相对定位中采用的观测值是相位观测值。相位观测值是接收机本机振荡产生的相位与接收到的卫星载波相位之差,在量测时,只能测到不足1周的小数部分(可准到0.01周)。在理想条件下,接收机在锁住卫星后可保持跟踪,从而测出包括整数部分的相位变化量,因此,每个历元的相位观测量与接收机到卫星的距离相差载波波长的一个整数倍,它是一个固定不变的值,该整数被称为整周模糊度,在解算时与其他参数一起求出。在实际观测条件下,接收机往往会由于某种原因(如卫星信号被挡住)对卫星短时间失去跟踪,在失去跟踪时间内相位的变化就不能被测出,称为失周或失锁,也称为周跳。在短距离GPS基线定位中,大气轨道误差基本被抵消,电离层和对流层延迟由于它们的相关性也消除了大部分影响,失周大小能保持较好的整数特性,较容易处理。产生周跳的原因可分为外部原因和接收机质量问题。外部原因有:卫星信号被天线附近的地形地物短时间遮挡;动态测量时,由于载体运动速度太快或天线倾斜使信号丢失;由于多路径误差、电离层活动加剧、对流层延迟影响,使卫星信号的噪声偏大而产生周跳。GPS接收机质量不佳:卫星信号在接收机电路中受干扰,导致信号丢失;接收机内信号处理单元质量不佳;接收机内跟踪环路设计不理想,在某些环境下,将使相位发生180°或90°位移,从而产生周跳或1/4周跳。
　　5.2周跳对点位坐标的影响
　　在GPS相位测量中,观测数据中大于10周的周跳,在数据预处理时不难发现,可予以消除。然而,小于10周的周跳,特别是1~5周的周跳,以及半周跳和1/4周跳,不易发现,而对含有周跳的观测值其周跳的影响视为观测值的偶然误差,因而严重影响坐标的精度。据拉查佩利的统计,一个周跳对经度、纬度、高程的影响为
　　ΔL=0.03~0.06m
　　ΔB=0.10~0.18m
　　Δh=0.14~0.16m
　　可见,即使只有一个卫星存在一个周跳,也会对测点产生几厘米的误差。由于一个点位坐标是由4个以上卫星所确定的,故周跳对点位坐标的影响取决于以下因素:①所测卫星的数量;②所测卫星组成的几何图形;③周跳影响各分量的大小和周跳次数。然而,即使只有一个卫星残存有一个周跳,也会使该次定位点位坐标有几毫米至几厘米的误差。由此可见,凡精度要求达到厘米级或分米级的GPS定位测量,都必须清除观测数据中的全部周跳。
　　5.3周跳的探测和修复
　　周跳的处理可分为2步:从观测数据中探测出全部周跳及将探测出的周跳加以全部修复。周跳的探测和修复都应在观测数据的预处理阶段进行。GPS相对定位中的失周处理是非常麻烦复杂的问题,因而应尽量避免周跳的发生。为此,对于仪器本身应通过仪器检定,在测定其质量确实可靠时才能用于测量作业,在测量作业中尤其应防止多路径的影响,避免失周的现象发生。对于周跳的探测和修复已有许多处理方法。可以组成单差、双差、3差和4差,根据组成高阶差数后,周跳被成倍放大,阶数越高,放大倍数越大的特性,能够快速有效地探测出周跳。先进的GPS接收机内装有“专用算法器”,可探测出大部分周跳,供处理数据时使用。避免和正确处理周跳,是提高GPS测量精度的关键。
　　六、GPS测量仪器的质量检定
　　上面已经谈到GPS接收机常存在钟误差、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。所以必须先了解仪器性能、工作特性及其可能达到的精度水平。它是制订GPS作业计划的依据,也是GPS定位测量顺利完成的重要保证。也就是说对GPS测量仪器必须先进行作业前的检验,没有检验的仪器是不能用于作业的。
　　测量型GPS接收机实测检验项目有:①天线相位中心稳定性测试;②内部噪声水平测试;③野外作业性能及不同测程精度指标的测试;④频标稳定性检验和数据质量的评价;⑤高低温性能测试。关于测量型GPS接收机的检定目的、检定项目和检定方法见国家测绘局发布的中华人民共和国测绘行业标准,全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程(1995-07-01)。
　　
　　参考文献
　　[1]张正禄.工程测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2005.
　　[2]许其凤.GPS卫星导航与精密定位[M].北京:解放军出版社,1994.