GPS测量的几种误差及相应处理方法

摘要：GPS的高精度技术被广泛应用在各类测量活动中，但测量数据产生的同时便不可避免会因为各种因素而出现误差。本文基于全球定位系统的功能及应用，分析了GPS 测量中各种误差的来源，并针对GPS测量数据有效消除和减弱各种误差提出某些处理方法，以期为今后工程测量中提高数据精度有所借鉴。

关键词：GPS技术；测量误差；解决方法

中图分类号：P228.4 文献标识码： A

1、GPS系统的组成及其工作原理

GPS全球定位系统主要由三大部分组成：地面监控系统、空间卫星群以及卫星接收设备。（1）地面控制系统包括三个部分：一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站的作用是根据各监控站对GPS的详细观测数据，对卫星进行一系列的参数调整，对卫星的飞行轨道等进行控制，同时根据计算出来的卫星的星历和卫星钟的改正参数对卫星指令调度卫星。地面监控站的主要作用是不断地接收卫星释放的信号，以监测卫星的工作状态，随时向主控站汇报最新的情况。注入站的主要作用是将主控站搜集整理的计算完成的数据注入到卫星中去，方便卫星执行参数调整。（2）空间卫星群是由位于约20万公里的高空中的24颗高精度GPS卫星群组成，这24颗卫星均匀的被布置在6个轨道面上，几个平面之间的交角为60°，并且保证轨道和地球赤道的倾角为55°，通常将卫星的轨道运行周期定为11小时58分，这样设计可以保证在任何时间、任何地点只要位于地平线以上的卫星接收设备就可以同时接收4到11颗GPS卫星发送出的信号。（3）GPS的用户部分由几部分构成，包括GPS接收机、数据处理软件及相应的配套硬件设备如计算机、气象仪器等，其具体作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在工程测量领域中，随着现代的科学技术的迅猛发展，具有体积小、重量轻、便于携带等特点的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量领域带来了极大的方便。

2、GPS 测量与卫星有关的误差

一般来说，影响GPS测量精度的主要误差来源可分为三类：与信号有关的误差、与GPS卫星有关的误差、与接收设备有关的误差。根据误差的性质可以分为系统误差和偶然误差两种类型。偶然误差包括信号的多路径效应引起的误差和在观测过程中引起的误差，系统误差主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气层折射的误差等。

2.1、卫星轨道误差

卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响使运行轨道变得十分繁琐，而通过地面监测站很难充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作用规律。卫星轨道误差并非由差分相对定位直接引起，而是由于基线距离的增大，造成一定的影响，轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越长，误差的影响就越大。在GPS定位测量中，以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，可以不再考虑卫星轨道实际存在的误差，所以在这种方法在精度较低的单点定位工作中被广泛的应用。

2.2、相对论效应误差

由于卫星上的时钟和地球上的时钟所处的状态(主要指运动速度和重力位)不同引起卫星上的时钟和地球上的时钟产生相对钟误差，这一现象被称之为相对论效应误差。在制造CPS卫星时钟时应该先将其频率降低4.449x10的负十次方f。

3、GPS测量与信号传播路径误差

3.1、电离层误差

将处于60 km～1000 km之间的大气部分称之为电离层。在这一层位，气体分子和原子在各种外因作用下被电离，形成了正离子和自由电子。带电离子可使电磁波信号的传播速度发生变化，在空间的传播路径发生弯曲，从而使计算得到的卫星至地面接收机之间的距离与实际距离不符合。

3.2、多路径效应误差

多路径误差主要指GPS接收机在直接接收卫星信号的同时，也会把接收机天线周围的一些物体的反射信号接收进来，接收来的两种信号会叠加在一起，导致GPS信号相位发生改变，由此而产生误差。出现多路径误差时，如果是伪距测量其误差能够大出数米之多，如果是载波相位观测量其误差也会有数厘米之多。纵然多路径所误差出现的机率不多，但是其与全部测站环境都有关联，且以不同形成表现出来，因此，在高精度GPS测量时多路径误差较为常见。

4、GPS测量与接收机有关的误差

4.1、接收机钟误差

目前，为了节省成本，GPS 接收机中的钟大多采用的是石英钟，其稳定性远远低于卫星上的原子钟。尽管GPS接收机日频率稳定度可以达到10的-11方，但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。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，从而会产生 1/2 和 1/4 周跳。因此以平均无故障时间来衡量，无故障时间越长其观测数据稳定性越强；接收机的动态性能越高的接收机其抗遮蔽和振动的性能越好，即卫星跟踪性能越好。

4.2、周跳产生的误差

进行精密GPS相对定位时，通常采取相位观测值观测的方法。在接收机振荡后的相位与卫星载波相位之间会有落差产生，这就是相位观测值。测量时通常最多只能精确到0.01周范围。当条件非常完美时，接收机就可以锁定卫星，然后可以开展持续跟踪作业，如此便能够测量得到全部相位变化量（包括整数部分），因此所有历元的相位观测量与接收机到卫星的距离两者之间相差载波波长的一个整数倍数，该值固定不变，即整周的模糊度，该值可以通过解算与其它参数一并得到。但是，实际观测过程中，一般情况下接收机都可能受到一些因素影响，而在短时间内失去对卫星的跟踪，这时就无法测量相位变化情况，我们称之为“周跳”。如果GPS基线定位较短，通常大气轨道误差可以抵消掉，在电离层和对流层可能会因彼此相关而有延迟现象产生，周跳大小能够确保整数特性处于一定数值范围，处理时相对较为简单。

5、误差处理方法

5.1、降低多路径误差

由于多路径误差会与卫星信号方向、反射系数以及反射物到测站的距离都有直接关联，所以应采取有效措施降低定位测量误差的影响。测站的选择要与大面积平静水面保持一定的距离，此外，测站不要选择山坡、山谷或者盆地，避免天线接收到反射信号而产生多路径误差；针对极化特性反射信号来说，接收天线具有较强的抑制作用。实行静态定位时，通过长期观测能够有效降低多路径误差的影响。

5.2、确定GPS卫星轨道

确定GPS卫星轨道可以由区域性的GPS跟踪网来实现。如果跟踪站所在的地心坐标产生误差，则可能使卫星轨道出现10倍以上误差。因此，要求卫星轨道要在2 m以上精度，而跟踪站坐标精度也要在0.1m以上。有资料表明，可以采取强约束全球站松弛轨道的加权约束基准的方法，其相对坐标值一般大于5 cm，可以满足目前我国区域性定轨的基本要求。

5.3、开展周跳探测与修复

针对周跳开展的处理操作一般分为两个步骤，首先，把观测数据中的周跳全部进行探测和修复，该处理操作要在观测数据预处理时开展。其次，针对GPS相对定位开展周跳处理操作较难，因此应全力避免周跳现象出现。如此一来，需要通过仪器对其自身进行测定，确保无质量问题后再行测量，实际测量时需要防止多路径的影响，避免失周情况出现。

6、结束语

随着技术的发展，以参数估计的方法确定系统性偏差的参数法也可以应用到GPS误差处理中，但不能同时将所有影响均作为参数来估计。对GPS的应用与数据处理，其经验的积累是至关重要的，也是无止境的，且GPS在迅速更新换代，要想更好地应用GPS技术，还需我们在实践中不断地努力研究GPS误差理论和GPS测量新技术等诸多方面的问题。因此，在分析GPS 误差来源及处理方法时，应在综合考虑后再做出分析处理，以得到可靠的GPS 测量结果。

参考文献：

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