GPS误差分析与精度控制探析

刘峻杉

摘要：全球卫星定位系统（GPS）主要用于定位与三维导航，其覆盖范围广，能够连续作业，并且具备较强的保密性和抗干扰性，因此被广泛应用于气象、通信、交通、军事、航空等领域，发挥了重要作用。为提升GPS精度，本文主要分析了GPS测量误差来源及改进措施。

关键词：精度控制；GPS；误差

GPS通过卫星实现精准的导航、定位，打破了传统测量方法的局限，在众多领域中都有所应用。GPS的精确度能够在很大程度上影响其功能发挥，提升其精确度是研究人员的工作重点。下面将讨论GPS测量误差来源以及消除方法。

1 误差来源

GPS在工作过程中存在的误差来源主要包括以下三方面：

1.1 GPS接收机的问题

GPS 接收机自身存在问题也会产生数据误差，因此工作人员应全面掌握设备性能、工作特点及精确度，在此基础上进行GPS作业方案的制定，从而确保GPS定位工作的顺利开展。

1.2 GPS信号的自身误差

1）星历误差：预报的卫星位置不正确产生的误差即属于星历误差。通常情况下，某一卫星的星历误差对所有用户来讲都没有差别。对于同一颗卫星，如果不同人员处于不同的观测角度，那么由星历误差造成的结果并不相同，所以，最终得到的位置结果也不相同。换句话说，星历误差不能通过多台接收机同时作业的方式消除。如果用户之间的距离较小，星历误差造成的结果误差范围大致相同，所以星历误差可以通过差分观测来完全消除。

2）卫星钟差：GPS在测量距离时主要依靠预报的卫星钟。对于C /A 码及P码用户来讲，其卫星钟差相同，且与方向没有关系。卫星钟差的产生主要是由SA造成的，然而早在2000年美国便不再执行该项的限制政策。

1.3 GPS信号的传输误差

1） 周跳：即失周。GPS相对定位是依据相位观测值进行的，其指的是获得的卫星载波相位与接收机振荡形成的相位之差，实际量测只能得到数值的小数部分（精确至0，01周）。理想状态下，接收机可以锁定卫星并进行跟踪，通过这样的方法得到数值的整数部分，所以整周模糊度并不会发生改变，在计算时可以一并求出。然而实际情况中，接收机在锁定卫星之后并不能确保实时跟踪，比如突然失去卫星信号，因此无法得到未跟踪时的相位变化，即周跳，也称作失锁或失周。工作人员需要在数据的预处理过程中进行周跳的修正与探测，失周处理十分麻烦，因此应采取措施避免这种现象的产生。

2） 多径误差：反射信号到达接收机天线也会影响观测值的精度，该误差属于多径误差。如果天线周围有较大的反射面，那么多径误差将较大，情况严重的话，会造成15米及以上的观测误差，所以移动站与基地站在选择天线位置时应仔细考虑。

3） 对流层误差：电磁波在对流层的传播速度与真空中光的传播速度不同而产生的误差属于对流层误差。主要包括湿大气分量与干大气分量，低仰角情况下为20米，其中干大气分量所占比例高，约为80%～90%，借助相应模型可以修正绝大部分。尽管湿大气分量占据的比例小，但是其会随着高度与纬度的不同发生较大的变化，且变化速度会逐渐加快。为此，研究人员设计出分析湿对流层误差的模型，该模型主要通过随机模拟以及滤波的方式估算相关参数，进行函数逼近。模型的运用能够使基线天顶方向与平面坐标（水平方向）的水平相近。

4） 电离层误差：电离层效应会造成观测值不准确，由此产生的误差属于电离层误差。沿用户接收机和卫星视线方向中的电子密度能够影响该误差，夜间垂直方向上的延迟值大约为3米，白天大约为15米，低仰角条件下夜间与白天的延迟值大约为9米和45米，如果是反常时期，那么延迟值会进一步增大。为降低电离层延迟造成的误差，在长基准测量时GPS数据的收集应选用双频接收机，该设备能够实时修正观测结果，提升观测值的准确度。

2 减少误差的方法

2.1数据处理

1） 选用合适的线性组合进行载波相位测量，在历元、卫星、接收机间求一次差，能够分别消除整周模糊度、接收机钟误差以及卫星钟误差；在卫星、接收机间求二次差能够同时消除接收机钟误差以及卫星钟误差；在历元、卫星、接收机间求三次差能够得到只含有未知坐标差的方程。

2） 注重起算数据的合理性，具体方法包括：与高级GPS网控制点连测，数据精度为米级；将已知点的三维坐标转变至W GS- 84坐标系内，数据精度为几米级；若无法实现与其他控制點的连测，那么起算数据应选用观测超过30分钟的单点定位结果，数据精度大约为10米至15米。

3） 广播星历部分或全部替换为精密星历。用户可以通过网络平台获取精密星历，从而减少星历误差，降低SA政策产生的影响。

2.2 测量手段

1） 利用广域差分或区域差分方式，在降低用户站与基准站误差的同时，还能够增加站间距，从100千米变为2000千米。

2）绝对定位替换为相对定位，相比于绝对定位，相对定位有利于减小卫星钟差、星历误差以及大气延迟误差。

3） 伪距测量替换为载波相位测量，因为载波波长较短（K1为19厘米，K2 为24.4 厘米），选用载波相位测量可将精确度提高2至3个数量级，选用双拼改正能够有效减少电离层误差。

2.3测站安置

1）选取合适的截止高度角，降低对流层以及电流层的影响，接收较多的卫星信号，从而提高多余观测数，完善几何图形。

2）测站安置时尽量避免盆地、山坡、山谷以及面积较大的平静水面，安置地点周围不能有广告牌、高大建筑等，地面粗糙为宜，因为这种地面发射能力弱，多路径误差小。同时，减小多路径误差的方法还包括增长观测时间、接收天线内配备抑径板。

3 结语

如果GPS控制网基线较短，那么星历误差以及SA技术并不会对测量精度产生影响。在实际作业时，如果GPS接收机状况良好，那么影响测量精度的误差主要包括点位对中误差、周跳以及多路径误差，因此要采取措施减少这三大误差。对流层以及电离层延迟对基线测量过程中两点间的高度影响较大，为了确保作业精度，应尽量减少两点间高差。

参考文献：

[1]李怡彬.GPS测量中的误差与精度控制研究[J].科技传播，2013（4）：106+123.

[2]王宏超.浅析GPS测量中的误差及精度控制研究[J].城市建筑，2013（24）：152-152.

[3]雷娟.GPS测量误差源分析及精度控制[J].铁道勘测与设计，2008（1）：28-31.endprint