GPS测量误差及精度控制测量探究

王丹　黄吉来

摘 要：GPS测量指的是通过地面接收设备对同一时刻接受多颗卫星发出的信息来计算其与这几颗卫星之间的距离，然后根据空间距离后方交会原理绘制三维坐标系，从而确定地面目标的位置。在GPS测量过程中，卫星、卫星信息传播以及地面接收设备等都是GPS测量产生误差的原因，影响对地面目标的准确的位置判断。该文主要从卫星本身、卫星信息传播以及地面接收设备三个方面入手分析了GPS测量过程中产生误差的原因，并针对误差产生的原因提出了对误差的精度控制相关对策。

关键词：GPS测量 GPS测量误差 精度控制 原因 对策

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0016-02

GPS（Global Positioning System）系统全称全球定位系统，具有全球性、全天候、连续性等特点，通过地面接收设备对同一时刻接受多颗卫星发出的信息来计算其与这几颗卫星之间的距离，然后根据空间距离后方交会原理绘制三维坐标系，从而确定地面目标的位置，可为全球任何一个用户提供精确度非常高的时间、速度三维坐标等信息的技术参数。整个GPS主要包括三个重要的组成部分，分别是空间卫星系统、地面控制系统和地面用户系统，如图1所示。

GPS空间卫星系统主要包括均匀分布于六个固定的轨道上的高约2.02万千米的24颗卫星群。为保证所有地点和地平线以上在任何一个时间都会接收到来自最少4颗GPS卫星发出的信号，要求GPS空间卫星系统中的六个轨道面两两之间的夹角为60°，各轨道平面与地球赤道面得夹角为55°，卫星在轨道运行的周期为11小时58分钟，如图2所示。

GPS地面用户系统即地面控制系统，主要由主控站、注入站以及监测站三个部分组成。其中主控站负责按照每个监控站所检测的GPS数据来计算各个卫星的星历和卫星钟改正参数，然后将计算得到的数据由注入站传送至卫星中，由此可见注入站的作用即为将主控站的计算数据注入到卫星中；监测站主要是接受来自卫星的信号，以此来监测卫星的运行情况，如图3所示。

GPS的地面用户系统，包括GPS接收设备、计算机等用户设备以及数据处理软件，主要作用是接收卫星信号，从而进行GPS导航定位，而且随着社会科学技术的发展，GPS测量仪器正朝着更小、更轻的方向发展，成为了一种便携式定位导航工具，在社会的各个领域都有着广泛的应用。

1 GPS测量误差的形成原因

GPS测量通过地面接收设备对同一时刻接受多颗卫星发出的信息来计算其与这几颗卫星之间的距离，然后根据空间距离后方交会原理绘制三维坐标系，从而确定地面目标的位置。在GPS测量过程中涉及到的卫星、卫星信息传播以及地面接收设备等都是GPS测量产生误差的原因，直接影响着对地面目标的准确的位置判断，因此，GPS测量误差的形成原因主要包括以下几点。

1.1 轨道误差（星历误差）

由于地面用户在确定观测瞬间某一卫星的位置时是根据相关部门以星历的形式发播的一定精度的卫星轨道，卫星轨道和星历是密切相关的，因此轨道误差又称为星历误差，而卫星星历误差又与伪距误差是等效的。卫星星历的测定是根据地面监测站对卫星进行跟踪监测数据而得来的，因为在测量过程中卫星本身会受到摄动力等多种作用力的影响，地面监测站也存在一定的误差，所以得到的卫星轨道、卫星星历也是存在误差的，从而由卫星星历所提供的卫星的位置与实际准确的卫星位置也是存在偏差的。在所有的测量误差原因中，星历误差是最主要也是最重的误差来源。

1.2 GPS在卫星信号传输中产生误差

GPS在卫星信号传输中产生误差主要包括三方面的原因，首先是电离层导致信号传播过程中产生延迟，电力层对信号传播的影响主要与沿用卫星同地面接收视线方向之间所呈现的电子密度相关，例如，若地面用花信号接收机的视线是垂直方向，则所引起的延迟值在白天可达15m，在夜间可达3m，若为低仰视角度，则延迟值在白天可达45m，在夜间可达9m，而且在异常时期会出现更高的延迟值。其次是对流层对信号传播的延迟影响，主要是因为信号以电磁波的形式通过对流层时，信号的传播速度区别于真空中光的传播速度，而导致信号在对流层出现延迟。其三是GPS信号多路径传播而引起的误差，多路径误差即指GPS信号可能通过先射到某一物体上然后再经过反射达到GPS接收天线，而不是直接发射至信号接收天线，这就会对直线射至信号接收天线的直线波GPS信号本身造成一定的干扰，多路径差错的强度会因用户GPS信号接收天线抗干扰能力的强度和反射信号强度的不同而有所差异。

1.3 地面接受设备产生的误差

地面接受设备产生的误差主要源于三个方面，首先是观测误差。观测误差的产生一方面与观测人员的职业素养和观测设备的精确测量有关，如果观测人员能够具备专业的职业素质，那么他们将对检测数据进行详尽的分析，这对于解决问题有相当大的帮助；观测设备的精准度可以通过采取太阳光压改正模型来满足要求；另一方面与GPS信号接收天线的定位精确度有关；其次就是信号接收天线中心位置的偏差，由于信号在传至接收天线时会出现时强时弱的现象，导致天线的相位中心发生改变，不能与其几何中心重合，使得测量出现误差；其三是接收机时钟误差，通常GPS信号接收机内部时钟都选用石英晶体振荡器，稳定度变化范围为1×106～5×106，由于卫星时钟与地面信号接收机时钟在同步性上出现差距，哪怕是一点差距都会造成很大的等效距离误差，严重影响测量的准确度。

2 GPS测量精度控制测量的相关对策

根据以上对GPS测量误差产生原因的分析，提出了对误差的精度控制相关对策。

2.1 卫星精度控制对策

在确定GPS卫星轨道时采用区域性GPS跟踪网，跟踪站地心坐标一旦产生误差会以10倍甚至更大的比例影响到卫星轨道的精确测量，故而为确保精度优于2m的卫星轨道就需要跟踪站的地心坐标有优于0.1m的精确度，约束全球基站的松弛轨道加权的约束基准方法，从中可以得出优于5cm 的相对坐标值，这与我国现阶段的区域性定轨的相应需求基本符合，利用现有的跟踪站对卫星观测数值进行计算卫星轨道根数的误差改正值，以此提高长轨道卫星星历的计算精度，然后向用户发播精确度较高的星历，提高GPS导航定位的准确性。

2.2 信号传播精度控制对策

电离层和对流层时影响卫星信号传播精确度得主要因素，可以通过三种方法来减少其对信号传播精度的影响，①根据电离层模型特点进行改正，②采用双频接收机以减少延迟，③同步测量求差法。减少对流层的折射可以通过模型改正和同步观测求差的方法，减少对流层对电磁波的延迟误差。

2.3 地面接受设备测量的精度控制对策

首先是观测误差的精度控制，一般来说ROCK4 光压摄动模型、多项式光压模型、标准光压模型这三种太阳光压改正模型的应用都能够满足1m定轨的需求。其次是接收机钟精确度控制，对于单点定位，要把钟差带入方程中进行求解；对于载波相位相对定位，要采用观测值求差法；对于高精度定位，要采用外接频标的方法。最后是天线中心位置误差精度控制，要求在设计天线时天线盘上指定方向为北方，在相对定位时采用求差法来减少相位中心偏差的误差影响。

3 结语

综上所述，导致GPS测量误差的原因主要来自卫星、卫星信息传播以及地面接收设备三个方面，该文通过对导致误差形成的原因进行详尽的分析，并据此提出了减少这些误差的相关对策，以期进一步提高测量的精度，最大程度确保GPS导航定位的准确性。

参考文献

[1] 范建兵，李华明.GPS实时动态差分技术在水平位移监测中的应用研究[J].港工技术，2015（1）：92-96.

[2] 鲁洋为，王振杰，聂志喜，等.不同天线组合对GPS姿态测量精度的影响分析[J].海洋测绘，2014（6）：43-45.

[3] 宋太广，杨国林，潘福顺.GPS测量的误差源及精度控制[J].测绘与空间地理信息，2008（4）：119-122.

[4] 宫晓艳，胡雄，吴小成，等.GPS测量误差对大气掩星反演精度影响分析[J].地球物理学进展，2008（6）：1764-1781.

[5] 蒋红平.影响GPS测量误差的原因以及预防措施分析[J].科技与企业，2012（17）：101.

[6] 高伟，晏磊，徐绍铨，等.GPS天线相位中心偏差对GPS高程的影响及改正研究[J].仪器仪表学报，2007（11）：2052-2058.