浅析GPS测量与误差分析

作者：徐淑春

来源：《科技创新导报》 2011年第3期

徐淑春

(山东省日照市岚山区城乡建设勘测院 山东日照 276808)

摘 要:本文探讨了GPS测量方法与数据处理,并重点分析了GPS测量的误差。为更好地利用GPS测量技术提供了相关理论基础。

关键词:GPS测量 误差分析 数据处理

中图分类号:P22 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)01(c)-00-01

引言

全球定位系统又被称为GPS,通过地球上的接收机,GPS测量可以接收人造卫星发出的电波,并加以分析,测量出该地的三维坐标值。由于其具有着快速、高精度及全天候等常规测量不具有的优点,而深受喜爱。它在测绘中的应用包括地震预测、地图测绘、建立和测定大地控制网点等。

1 GPS测量方法

GPS测量主要分为实时动态测量、相对定位及单点定位。

1.1 单点定位

相对于实时动态测量与相对定位,单点定位比较简单,它与四点距离交会相似。如果需要求一个点的三维坐标数据,可以利用三颗卫星发出的电波,若接收机的计时误差需要修正,应增加观测信号[1]。一般情况下,单点定位应能接收四科卫星的信号。然而由于只用一台接收机与天线求三维坐标值,定点精度比较差,测量误差通常在几十米。所以,测量定位通常不能用单点定位。

1.2 相对定位

1.2.1 动态测量

在测量区选定一个基准点,设置天线与接收机在已知点上作为固定基准点,跟踪可见卫星,并将另一台流动接收机置于未知的观测点上,在对所测卫星跟踪而不失锁的情况下,使接收机可以在各观测点上观测数秒钟,这种测量方法就是动态测量。与静态测量相比,动态测量虽然能够高效测量多个未知点,但其精度不理想。

1.2.2 快速静态测量

这种测量方法是在观测中选定一个基准站使一台接收机在已知控制点的基准站上不动,另几台接收机移动到各待定点,并观测数分钟,然后,再移至下点作出类似观测[2]。

1.2.3 静态测量

这种测量方法是以两台以上的天线和接收机放置在数条基线的两端测站点上,同步观测卫星。观测数据经计算程序处理后,求得各观测站点的坐标值。这种测量方法的精度较高。可以用于一些精度要求较高的控制测量、工程测量中。

1.3 实时动态测量

1.3.1 快速静态测量

在每一用户上,GPS接收机静止地观测,同时利用接收的基准站观测数据,实时地解算用户测点与整周未知数的坐标值。定为精度较高。

1.3.2 动态测量

在某一起始点上,静止观测数分钟,进行初始化工作,然后,运动的接收机按采样间隔自动进行观测,利用基准站的同步观测数据确定采样点的空间位置。这种测量方法的定位精度可以达到厘米级[3]。

1.3.3 准动态测量

在观测工作开始前,流动的接收机首先在某一起点上静止地进行观测,采用快速解算整周未知数,进行实时初始化工作。流动的接收机在观测站上需静止观测数分钟,同时利用同步观测数据,解算流动站的三维坐标值[4]。

2 GPS测量数据处理

2.1 数据预处理

进行GPS数据预处理是为了获得GPS观测基线向量,并对成果进行检核。预处理是为进一步的平差计算作准备,对原始数据进行编辑加工整理,并产生专用信息文件。

2.2 GPS网的平差处理

在进行过质量检核后,以基线组成的闭合图形、三线基线与其相应协方阵作为观测信息,然后以一个点的三维坐标作为依据,进行GPS网坐标转换与平差处理。

3 GPS测量误差分析

3.1 与信号传播有关的误差

3.1.1 对流层折射的影响

离地面高度40km以下的大气底层是对流层,GPS信号通过对流层时,使传播路径发生了弯曲,使测量距离产生了偏差,这就是对流层折射。针对对流层折射问题,其主要的减弱措施有:利用同步观测数据求差;采用对流层模型加以修正。

3.1.2 多路径误差

GPS测量中的一种重要误差来源是多路径效应,这种误差严重影响到GPS测量的精度。在GPS测量中,测站周围的反射物反射的卫星信号进入接收机,和卫星信号产生干涉,使观测值偏离

真值,从而产生多路径误差。减小多路径误差的主要措施有:在天线中设置抑径板,接收机天线对极化特性不同的信号应有较强的抑制作用;选择合适的站址。

3.1.3 电离层的折射误差

地球上空距离地面50～1000km为电离层。在GPS信号通过电离层时,信号的路径发生弯曲,传播速度也发生改变,将产生电离层的折射误差。可以通过利用同步观测值求差、利用双频观测等措施来减弱电离层的影响。

3.2 与卫星相关的误差

3.2.1 卫星星历误差

卫星星历误差是由星历给出的卫星的位置与实际位置之差。这种误差严重影响了单点定位的精度,是精密相对定位中的一种重要误差来源。减小卫星星历误差的主要措施有:利用多个观测站对同一卫星的同步观测值求差;建立卫星跟踪网定轨。

3.2.2 相对论效应

由于接收机钟与卫星钟所处的不同状态而引起的接收机钟与卫星钟之间产生相对钟误差的一种现象。

3.2.3 卫星钟差

卫星钟差主要有频漂、频偏及钟差产生的误差,也包括钟的随机误差。在GPS测量工作中,无论是载波相位观测或是码相位观测均要求接收机钟与卫星钟要保持严格同步。

3.3 与接收机相关的误差

3.3.1 天线相位中心位置的偏差

天线的相位中心随着信号输入的方向与强度的不同而变化,观测相位中心的瞬时位置与理论有所不一致,这种差别也别称为天线相位中心的位置偏差,在实际观测工作中,如果同一类型的天线,在距离不远的多个观测站上同步观测一组卫星,可以通过对观测值求差来减小相位中心偏移的影响。

3.3.2 接收机位置误差

接收机位置误差指的是接收机天线相位中心相对观测站标石中心位置的误差。在精密定位时,应仔细操作,尽量减少这种误差。

3.3.3 接收机钟误差

GPS接收机通常采用精度较高的石英钟,卫星钟与接收机钟的同步差,将引起等效距离误差。

受到上述误差的影响,单点定位精度不高,相对定位通过对观测值差值的相关处理,大部分误差可以被消除,精度较高。在实际测量工作中,应选用相对定位,要严格把握,保证测量精度满足要求。

参考文献

[1] 徐绍铨,张花海,杨志强,王泽明.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,2006.

[2] 汪建林.GPS测量技术在工程测绘中的应用[J].中国新技术新产品.2010(17):92.

[3] 张灯林.GPS定位技术在工程测量中的应用[J].中国高新技术企业,2009(22):33～34.

[4] 余远军.GPS在工程测量中的应用与发展[J].矿山测量,2010(4):13～16.

[5] 崔刚,王丛香.GPS在工程测量中的应用方法与步骤[J].科技论坛,2009(12):21.