淺述GPS定位中的接收機(jī)誤差及解決措施

駱金超

【摘 要】GPS定位方法是由地面接收器接收衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號(hào)，加以計(jì)算之后求得與衛(wèi)星的距離，得知測(cè)站的位置。GPS軌道參考的坐標(biāo)系統(tǒng)為地心地固的三維坐標(biāo)系，可以決定地面任一點(diǎn)在空間的絕對(duì)位置。為了求得三個(gè)未知的坐標(biāo)量，至少需要接收三顆的衛(wèi)星訊號(hào)，加上由星歷數(shù)據(jù)求出的衛(wèi)星位置，即能以距離空間交會(huì)的方式?jīng)Q定測(cè)站坐標(biāo)。GPS在現(xiàn)代空間大地測(cè)量中占據(jù)非常重要的地位，消除或削弱GPS定位中的各種誤差是國(guó)內(nèi)外許多著名學(xué)者致力于研究的課題。

【關(guān)鍵詞】誤差；接收機(jī)

中圖分類號(hào)： P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）36-0189-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.080

全球定位系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱GPS）包括了空間部分（GPS衛(wèi)星）以及地面監(jiān)控部分、用戶部分。GPS衛(wèi)星連續(xù)向用戶播發(fā)導(dǎo)航定位測(cè)距信號(hào)以及導(dǎo)航電文，同時(shí)在此過(guò)程中接受地面監(jiān)控系統(tǒng)的信息以便于及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要用于：跟蹤GPS衛(wèi)星，保障衛(wèi)星不會(huì)偏離運(yùn)行軌道以及衛(wèi)星鐘改正數(shù)，在預(yù)報(bào)結(jié)束后根據(jù)規(guī)定格式編制為導(dǎo)航電文，送往衛(wèi)星；地面監(jiān)控系統(tǒng)也可借助注入站向衛(wèi)星發(fā)布指令，對(duì)衛(wèi)星軌道和故障修復(fù)等進(jìn)行調(diào)整。用戶可以通過(guò)GPS接收機(jī)評(píng)估接收機(jī)至GPS衛(wèi)星之間的距離，同時(shí)按照衛(wèi)星星歷給到的觀測(cè)瞬間衛(wèi)星所在位置求得自己的三維位置和鐘差等多項(xiàng)參數(shù)。

按照GPS的系統(tǒng)構(gòu)成，可以把影響GPS定位的誤差源分為以下三類：

（1）和衛(wèi)星相關(guān)的誤差，涵蓋了衛(wèi)星星歷誤差以及衛(wèi)星鐘的鐘誤差等等；

（2）和信號(hào)傳播相關(guān)的誤差，涵蓋了電離層延遲以及多路徑效應(yīng)等等；

（3）和接收機(jī)相關(guān)的誤差，涵蓋了接收機(jī)鐘的鐘誤差以及位置誤差等等。

針對(duì)上述誤差源，可按性質(zhì)劃分為兩大類別，即系統(tǒng)誤差（偏差）和隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差對(duì)于定位結(jié)果的影響遠(yuǎn)大于隨機(jī)誤差，且有規(guī)可循，可以采取一定的方法和措施來(lái)加以消除，因而本文就接收機(jī)的傳播誤差為淺述的主要對(duì)象。

1 接收機(jī)鐘的鐘誤差

接收機(jī)鐘和衛(wèi)星鐘一樣存在誤差。因?yàn)榻邮諜C(jī)內(nèi)部時(shí)標(biāo)選用了石英晶體振蕩器，穩(wěn)定度為1～5×10-5，選用恒溫晶體振蕩器，穩(wěn)定度也僅能達(dá)到0.5～1×10-9，但是恒溫晶體振蕩器的體積較大，耗電量也大且需要長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱。因而接收機(jī)鐘誤差較衛(wèi)星鐘誤差更為顯著，該項(xiàng)誤差主要取決于鐘本身的質(zhì)量，同使用環(huán)境也有一定的關(guān)聯(lián)，但是其對(duì)于測(cè)碼偽距觀測(cè)值以及載波相位觀測(cè)值兩項(xiàng)參數(shù)的影響是一致的。當(dāng)前，較為常用的接收機(jī)鐘差解決辦法包括如下幾種：

（1）在單點(diǎn)定位時(shí)將鐘差設(shè)為未知數(shù)并使用方程進(jìn)行求解，盡可能減少接收機(jī)鐘差的影響；

（2）在載波相位相對(duì)定位中利用對(duì)觀測(cè)值求差方法，盡可能減少接收機(jī)鐘差的影響；

（3）在高精度定位時(shí)利用外接頻標(biāo)的方法提升接收機(jī)時(shí)間精度。

2 接收機(jī)的位置誤差與測(cè)量噪聲誤差

2.1 接收機(jī)的位置誤差

進(jìn)行授時(shí)與定軌工作時(shí)，接收機(jī)所在的位置是已經(jīng)被得知的，但是這個(gè)誤差會(huì)使授時(shí)與定軌的結(jié)果因受到影響而出現(xiàn)誤差，并且該項(xiàng)的誤差對(duì)測(cè)碼的偽距與載波相位觀測(cè)值影響是基本一致的。在進(jìn)行GPS的基線結(jié)算工作時(shí)，需要縣知道其中的一個(gè)端點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)系的大概近似坐標(biāo)，該坐標(biāo)誤差應(yīng)盡可能地將其降低，否則會(huì)導(dǎo)致解算的結(jié)果受到影響。但是在實(shí)際操作的過(guò)程里，我們一定要先采取方法事先做好準(zhǔn)備，比如科學(xué)的對(duì)中整平，還有在進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的時(shí)候通過(guò)強(qiáng)制對(duì)中裝置等其他方法，另外接收機(jī)天線較觀測(cè)站中心產(chǎn)生的安裝誤差主要是因?yàn)樘炀€安裝的對(duì)中誤差和天線高的量取誤差所致，因此在精密定位的工作中，工作人員必須要更加謹(jǐn)慎操作，以盡量減小這種誤差對(duì)測(cè)繪工作過(guò)程中的影響。

2.2 接收機(jī)的測(cè)量噪聲誤差

通過(guò)GPS接收機(jī)展開(kāi)測(cè)量工作時(shí)，要考慮儀器設(shè)備以及外界環(huán)境影響所導(dǎo)致的隨機(jī)測(cè)量結(jié)果的誤差，該誤差值主要由儀器性能以及作業(yè)環(huán)境決定。通常來(lái)講，上述的各種偏差值相比一般都大于測(cè)量噪聲的影響值，觀測(cè)作業(yè)在較長(zhǎng)時(shí)間后我們測(cè)繪工作便可以大致會(huì)略其測(cè)量噪聲的影響。

3 誤差解決措施

3.1 衛(wèi)星時(shí)鐘差

GPS衛(wèi)星所采用的材質(zhì)是高精度的銫原子鐘，但是與真實(shí)的GPS時(shí)間仍舊是存在著微小誤差的，這被稱為衛(wèi)星時(shí)鐘差，一般會(huì)假設(shè)每一個(gè)衛(wèi)星時(shí)鐘差是相互獨(dú)立的，并且相同的衛(wèi)星較不同地面測(cè)站始終差都是相同的，這樣衛(wèi)星時(shí)鐘差所帶來(lái)的影響便可以在一定的條件下忽略不計(jì)。

3.2 接收器時(shí)鐘差

通常一般價(jià)格的GPS接收器其內(nèi)部所采用的都是價(jià)格較為低廉的石英鐘，相比GPS衛(wèi)星高精度的銫原子鐘而言，精度較低，所以和真實(shí)的GPS時(shí)間之間是存在著更大誤差的，這被稱作接收器時(shí)鐘差，和衛(wèi)星時(shí)鐘差相同的是也可以在相對(duì)定位的情況下忽略不計(jì)。

3.3 天線相位中心差

天線相位中心所指的是天線盤(pán)中所接收衛(wèi)星訊號(hào)的坐標(biāo)，這也會(huì)因?yàn)橛嵦?hào)來(lái)源的差異而出現(xiàn)不同，和一般認(rèn)定的天線盤(pán)中心是存在很大差別的，并且其所接收的不同頻率的載波訊號(hào)相位中心也是存在差別的。一般情況下相位中心差更多的是會(huì)給高程方向精度帶來(lái)影響，所以一定是需要進(jìn)行改正的。

3.4 衛(wèi)星軌道誤差

通過(guò)相應(yīng)的星歷數(shù)據(jù)可以確定衛(wèi)星軌道位置，星歷通常包括兩種不同的種類，即廣播星歷和精密星歷。具體來(lái)講，廣播星歷是與衛(wèi)星訊號(hào)一起發(fā)射的，屬于預(yù)估星歷，此類星歷數(shù)據(jù)主要內(nèi)容包括實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位信息，但是通常精度不會(huì)很高。對(duì)衛(wèi)星實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行相應(yīng)處理后得到的就是精密星歷，其具有相對(duì)較高的精準(zhǔn)性，誤差不會(huì)超過(guò)10cm，但是所需時(shí)間較長(zhǎng)，因此具有實(shí)時(shí)性的測(cè)量方法不會(huì)使用此類數(shù)據(jù)。

3.5 電離層延遲誤差

大氣層距離地面50-1000公里高度范圍屬于電離層，其中存在著數(shù)量眾多的游離電子，衛(wèi)星信號(hào)在期間的傳輸速度會(huì)由于受到干擾而變慢，這種現(xiàn)象就是所謂電離層延遲。具體的延遲時(shí)間會(huì)由于信號(hào)頻率等因素的變化而有所不同，且缺乏規(guī)律性，因此無(wú)法進(jìn)行模式化處理。若基線較短，其兩端的電離層延遲的差異通?？梢院雎?，其影響量可以通過(guò)特定方式加以消除；若基線增大，會(huì)大幅度提高差異量，其產(chǎn)生的影響也無(wú)法通過(guò)上述方法予以消除，在此情況下，為消除此方面的影響，往往會(huì)通過(guò)雙頻觀測(cè)量組成無(wú)電離層線性組來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.6 對(duì)流層延遲誤差

當(dāng)衛(wèi)星處于頭頂上方的時(shí)候，此時(shí)的對(duì)流層延遲對(duì)距離的影響會(huì)伴隨著溫度、濕度等因素的改變而發(fā)生改變，針對(duì)于該種情況，一般可以采用干空氣與濕空氣這兩種分量方式來(lái)進(jìn)行處理。事實(shí)上，兩分量與大氣壓力以及絕對(duì)溫度，濕空氣的分量與濕度存在極大關(guān)聯(lián)，即使無(wú)法產(chǎn)生較大的影響，也難以預(yù)計(jì)最終結(jié)果。所以出現(xiàn)對(duì)流層延遲誤差這一情況，本身就是因?yàn)閷?duì)流層當(dāng)中的大氣的變化。

3.7 多路徑效應(yīng)

所謂的多路徑效應(yīng)就是基于信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射到被接收器接收的這一過(guò)程而產(chǎn)生，信號(hào)經(jīng)過(guò)天線盤(pán)所產(chǎn)生的一系列軌跡則被稱為多路徑效應(yīng)。如果此時(shí)的反應(yīng)過(guò)于劇烈，那么則會(huì)促使星訊號(hào)失真或周波脫落。一般而言，多路徑效應(yīng)的發(fā)生與施測(cè)地點(diǎn)與周遭的環(huán)境聯(lián)系緊密，針對(duì)于此，盡量對(duì)于硬件予以詳盡設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)重大影響。

3.8 周波脫落

周波脫落其實(shí)并不隸屬于誤差這一范疇，這主要是因?yàn)橥庠诃h(huán)境或儀器本身存在的問(wèn)題。

當(dāng)出現(xiàn)周波脫落的情況時(shí)，雖然由小部分載波相位值依舊可以進(jìn)行測(cè)量工作，但是整數(shù)周波是一定要重新進(jìn)行搜尋的。就卡曼濾波等性質(zhì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位算法來(lái)說(shuō)，周波脫落的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致證書(shū)周波的未定值出現(xiàn)變化，所以系統(tǒng)需要重新進(jìn)行坐標(biāo)的估計(jì)，在得到穩(wěn)定以及可參照的結(jié)果之間，可能會(huì)有無(wú)法解算或解算錯(cuò)誤的情形。

總之，誤差源有很多種，還包括地球自轉(zhuǎn)改正、地球潮汐改正、天線相位中心偏差改正等多項(xiàng)誤差，在此不一一描述。由于在GPS測(cè)量中受以上各種誤差的影響，所以我們?cè)趯?shí)際工作中要嚴(yán)格根據(jù)測(cè)量要求展開(kāi)科學(xué)的操作，盡可能地將誤差所帶來(lái)的影響降至最低。同時(shí)因?yàn)楦呔鹊腉PS儀器設(shè)備價(jià)格較高，所以一般單位或者部門(mén)是難以承受的，因此在此建議從事一般測(cè)量工作的單位選用一般精度的GPS或者采用傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，當(dāng)然對(duì)于從事高精度精密定位工作的大單位來(lái)說(shuō)便需要采取高精度GPS儀器進(jìn)行工作，從而確保測(cè)量的結(jié)果精確度可以符合工作要求。

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