GPS测量误差与数据处理的质量控制

摘要：GPS既是为全球定位系统，GPS可以高效、快速、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标，同时具有高精度、高效益、全天候、自动化这些明显的特点。本文针对GPS测量结果的误差根源, 从GPS卫星信号观测条件、传播过程以及数据处理这些方面探讨GPS控制网数据处理中的质量控制问题。

关键词：GPS；测量误差；数据处理

中图分类号： P258文献标识码：A 文章编号：

1、引言

GPS技术是现代测绘高新技术, 同时也是多学科成果的结晶。在诸多领域GPS技术都可以取代常规的测量方法因而被广泛的使用, 但是它具有不同于常规测量手段的很多特点, 在不同的测区也会各个不同, 所以对用户, 特别是数据处理人员提出了更高的要求:即数据处理人员要求具备运用英语以及计算机的能力,同时熟悉GPS的定位原理以及误差理论;并且掌握好近代测量平差以及大地测量的知识, 尤其是GPS测量的误差来源以及数据处理的质量控制等这些更为关键的问题。

2、GPS测量的误差来源

GPS测量是指通过地面接收卫星传送的信息来确认地面点的三维坐标, 同时测量结果的误差则主要来源于GPS卫星以及卫星信号的传播过程、GPS接收机等地面接收设备和其他因素等。按误差性质可以分为偶然误差和系统误差这两类。偶然误差的主要内容包括有多路径效应; 系统误差主要内容包括卫星的卫星钟差、星历误差、接收机钟差和大气折射的误差等等。这其中系统误差无论从大小还是对定位结果的危害性讲都比偶然误差要大的多, 它是GPS测量的主要误差的来源。但是系统误差也是有一定的规律可循, 可以采取措施进行消除以及减少。2.1 与信号传播有关的误差

2.2.1多路径效应

在GPS测量之中, 如果测站周围的反射物他们反射的卫星信号进入到接收机天线, 那么这就和直接来自卫星的信号 即直接波而产生干涉, 这就使得观测值偏离真值产生所谓的“多路径效应”误差。那么多路径误差和天线周围环境的反射特性及卫星信号的方向则有关系, 同时这种误差的表现将会随时间而变化的周期性, 因此很难以在处理中引入模型加以改正,特别是在高精度应用中则很难通过模拟改正减弱或者消除。

2.2.2 对流层延迟

对流层是指高度在40 km之下的大气层, 它的大气密度比电离层更大, 同时大气状态也将会更加的复杂。当GPS信号通过对流层之时, 同时也会使传播的路径而发生弯曲, 因此这就会使测量出来的距离而发生偏差。

2.1.3、电离层延迟

电离层指的是地球上空距的地面高度在50 km~1000 km之间的大气层, 因此当GPS信号通过电离层之时, 信号的路径则会发生弯曲, 所以传播速度也会发生变化, 因此测量出来的距离也会发生偏差。它的高度角越低, 影响则越大

2.2、 与卫星有关的误差

2.2.1、卫星星历误差

这是由星历所给出的卫星在空间的位置同实际位置之差就被称之为卫星星历的误差。这样在一个特定的观测时间段内, 星历误差则会属与系统误差的特性, 则是一种起算误差。它将会严重的影响到单点定位的精度, 同时也是精密相对定位求卫星钟以及接收机要保持严格的同步。同时这种误差中的重要误差源。

2.2.2、相对论效应

相对论效应指的是因为卫星钟以及接收机钟所处的状态 包括运动速度以及重力位的不同进而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。

2.2.3 卫星钟的钟误

卫星钟的钟误差内容主要包括有因为频偏、钟差、频漂等产生的误差以及钟的随机误差。因此在GPS测量中, 载波相位观测以及码相位观测均被要就可采用在接收机间求差这些方法来消除。

2.2.4 、SA政策。

SA的全称是Selective Availability, 即表示可选择的定位能力, SA的创造的目的是针对对不同的用户而提供不同精度的定位服务。而美国政府则从其国家利益出发,通过使用降低广播星历精度。并且在GPS基准信号中则可加入高频抖动等方法, 这样的话就会人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。

2.3 同接收机相关的误差

2.3.1、接收机钟误差

GPS接收机一般都会使用高精度的石英钟, 它的稳定度大约是10-9。

2.3.2、天线相位中心位置的偏差

通常在GPS测量之中,观测值一般都是用接收机天线的相位中心位置为准的, 而天线的相位中心同其几何中心, 应该在理论上保持一致。然而在实际上天线的相位中心伴随着信号辖入的强度以及方向不同将会有所变化, 即就是观测时相位中心的瞬间位置和理论上的相位中心将会有所不同, 这种差别即叫做天线相位中心的位置偏差。所以这种偏差就可以通过观测值的求差的方法来削弱相位中心偏移的对其的影响 。

2.3.3、接收机软件和硬件造成的误差。

当进行GPS定位之时, 同时定位结果将会受到诸如处理以及控制软件和硬件等因素的影响。

2.3.4、接收机的位置误差

接收机位置误差的概念是接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差。它包括天线的置平以及对中误差, 量取天线高误差。并且在高精度观测时将会应使用强制对中观测墩, 并且减小对中误差。

2.4 、因其他因素而导致的误差

2.4.1、GPS控制部分可以分为人为或计算机造成的误差这两种。因为GPS控制部分的问题或者用户在进行数据处理时而引入的误差等因素。

2.4.2、因为数据处理软件的影响而造成的误差: 数据处理软件的算法的不完善将会对定位结果的影响而带来的误差。

3、提高GPS网平差精度的措施

在GPS网平差时就需要提取基线向量, 那就需要构建GPS基线向量网, 同时进行三维无约束平差,约束平差或者联合平差, 质量分析以及控制等。并且在进行GPS网质量评定时就可使用下面的指标

相对中误差以及相邻点的中误差。如果在进行质量评定之时, 一旦发现质量存在问题, 那就需要根据具体情况来进行处理, 一旦发现构成GPS网的基线中具有粗差, 那么就需要使用删除含有粗差的基线, 应该重新对含有粗差的基线进行解算或者重测具有粗差的基线这些方法来啊加以解决。如果发现个别起算数据有质量问题, 那么就应该放弃有质量问题的起算数据。此外, 还应该做好以下几个方面的工作

3.1、 应该保证测站点的观测条件:点位周围应该方便于安置天线以及GPS的接收机,那样的话视野可以开阔,并且 视场内周围障碍物的高度角一般都会小于15°; 并且点位应远离大功率天线发射源以及高压电线, 以及免受周围磁场对信号的干扰; 点位周围不应该存在对电磁波反射或者吸收强烈的物体, 并且减弱多路径效应的影响;

3.2、 应对GPS接收机进行定期的检验, 这样的话可以保证接收设备可以健康运转。

3.3、 选择相对比较合适的参数进行数据处理, 这样的话保证基线解算以及网平差的质量， 在基线解算中, 起算点的WGS84坐标的精度应在最大限度的高, 最好则是将已有的或者转换的WGS84坐标值; 那么基线向量应用手工选择, 并且用精度星历来计算; 进行复测基线、独立环和同步环的检验,来以剔除GPS观测值中粗差; 同时对地面数据进行检验以及分析, 这样的话就避免了起算数据中的粗差。

3.4、制定外业观测计划, 这是保证野外观测时可以有一个良好的信号以及卫星几何构图，并且在选择最佳观测时段之时, 在天空出现的卫星数应大于4, GDOP值应小于6的时间段将会是最佳的观测时机。

3.5、应该作好外业的观测工作, 保证观测成果的质量，天线的定向标志线应该指向正北, 同时顾及当地磁偏角的影响,同时定向误差不应该超过5°左右; 并且各接收机的观测员应该按照观测计划规定的时间作业, 并且确保同步观测的同一组卫星; 接收机在开始记录数据之后, 观测员就应注意查看以及记录接收卫星数量、卫星号、测站信息、各通道信噪比和相位测量残差, 实时定位的结果和变化等情况。

4、结语

关于GPS的应用同数据处理, 经验的积累是十分重要的,同时也是值得永远去探索的, 同时在科技迅速发展的今天，GPS同样也在在迅速更新换代, 因此如果想要更好地使用好GPS技术, 这就还需要我们在实践中不断地努力研究GPS误差理论以及GPS测量新技术等诸多方面的问题。

参考文献：

[1]马耀昌,辛国. GPS测量误差与数据处理的质量控制[J].地理空间信息,2006(2)

[2]吴俐明.GPS网数据的质量控制[J] .测绘通报, 2000(9) :