摘要：工程測(cè)量技術(shù)朝著測(cè)量數(shù)據(jù)采集和處理的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化和數(shù)字化方向發(fā)展，使工程測(cè)量的手段、方法和理論產(chǎn)生了深刻的變化。本文主要探討影響GPS測(cè)量精度控制的各項(xiàng)因素。
　　關(guān)鍵詞：GPS測(cè)量;精度控制;誤差
　　
　　前言
　　GPS已成為建立平面控制網(wǎng)的一種常用手段�？梢哉f,GPS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是本世紀(jì)測(cè)繪領(lǐng)域最輝煌的成就之一。隨著差分GPS定位技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,不僅是高等級(jí)的首級(jí)網(wǎng)和加密網(wǎng),就連圖根點(diǎn)和航空攝影測(cè)量像控點(diǎn)的測(cè)定也廣泛采用了GPS。在許多地形測(cè)量項(xiàng)目中,光電測(cè)距導(dǎo)線早已成為一種最基本的控制測(cè)量方法。特別是當(dāng)使用全站儀時(shí),可以將低
　　等級(jí)的圖根控制與細(xì)部地形測(cè)量同步進(jìn)行,從而提高總體作業(yè)效率。徠卡公司最新推出的全站儀與GPS完美結(jié)合,是集成了GPS功能的高性能全站儀(超站儀),無需控制點(diǎn)、長導(dǎo)線和后方交會(huì)等工作,直接使用GPS確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo),然后就可以使用全站儀進(jìn)行測(cè)圖、放樣等工作。高程控制測(cè)量過去一直沿用幾何水準(zhǔn)測(cè)量的方法,這種方法耗時(shí)費(fèi)力,效率較低。同時(shí),隨著GPS在平面控制測(cè)量上日益廣泛的應(yīng)用,關(guān)于GPS在高程控制測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用研究也掀起了熱潮。
　　
　　一、軌道誤差(星歷誤差)和SA,AS影響
　　1.1美國的SA技術(shù)與AS影響
　　SA技術(shù)是選擇可用性(SelectiveAvailability)的簡稱,它是由兩種技術(shù)使用戶的定位精度降低,即δ(dither)技術(shù)和ε(epsilon)技術(shù)。δ技術(shù)是人為地施加周期為幾分鐘的呈隨機(jī)特征的高頻抖動(dòng)信號(hào),使GPS衛(wèi)星頻率10.23MHz加以改變,最后導(dǎo)致定位產(chǎn)生干擾誤差,ε技術(shù)是降低衛(wèi)星星歷精度,呈無規(guī)則的隨機(jī)變化,使得衛(wèi)星的真實(shí)位置增加了人為的誤差。AS技術(shù)(Anti-Spoofing)叫反電子欺騙技術(shù),其目的是為了在和平時(shí)期保護(hù)其P碼,不讓非授權(quán)用戶使用;戰(zhàn)時(shí)防止敵方對(duì)精密導(dǎo)航定位作用的P碼進(jìn)行電子干擾。AS技術(shù)使得用C/A碼工作的用戶無法再和P碼相位測(cè)量值聯(lián)合解算進(jìn)行雙頻電離層精密測(cè)距修正,實(shí)際降低了用戶定位精度。
　　1.2確定GPS衛(wèi)星軌道是減少星歷誤差和消除ε技術(shù)影響的根本方法利用區(qū)域性GPS跟蹤網(wǎng)可以確定GPS衛(wèi)星軌道。跟蹤站地心坐標(biāo)的誤差對(duì)衛(wèi)星軌道的影響是10倍或更大。因此,要提供優(yōu)于±2m精度的衛(wèi)星軌道要求跟蹤站地心坐標(biāo)的精度優(yōu)于±0.1m。據(jù)介紹,采用強(qiáng)約束全球站松弛軌道的加權(quán)約束基準(zhǔn)方法,可以得出優(yōu)于±5cm精度的相對(duì)坐標(biāo)值,基本上可以滿足我國現(xiàn)階段區(qū)域性定軌的需要。如果根據(jù)我國現(xiàn)有的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)站對(duì)各衛(wèi)星記錄的觀測(cè)值,計(jì)算出現(xiàn)有廣播星歷軌道根數(shù)的誤差改正值,可以進(jìn)一步計(jì)算長弧軌道的精密星歷,從而能直接向用戶播發(fā)精密星歷,取代現(xiàn)有的ε技術(shù)降低精度以后的廣播星歷。
　　二、太陽光壓對(duì)GPS衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)加速度
　　太陽光壓對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)影響衛(wèi)星的軌道,它是精密定軌的最主要誤差源。太陽光壓對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的攝動(dòng)加速度受太陽與地球間距離的變化影響(地球軌道偏心距)而引起太陽輻射壓力的變化,也與太陽光強(qiáng)度、衛(wèi)星受到的照射面程和照射面積與太陽的幾何關(guān)系及照射面的反射和吸收特性有關(guān),衛(wèi)星表面材料的老化、衛(wèi)星姿態(tài)控制的誤差等也使太陽光壓發(fā)生變化。已有的太陽光壓改正模型有:標(biāo)準(zhǔn)光壓模型、多項(xiàng)式光壓模型和ROCK4光壓攝動(dòng)模型,這幾種光壓模型精度基本上相當(dāng),可以滿足±1m定軌的要求。
　　
　　三、電離層的信號(hào)傳播延遲
　　電離層引起碼信號(hào)傳播延遲,它與沿衛(wèi)星和用戶接收機(jī)視線方向上的電子密度有關(guān),在垂直方向上延遲值在夜間平均可達(dá)3m左右,白天可達(dá)15m,在低仰角情況下分別可達(dá)9m和45m,在反常時(shí)期這個(gè)值還會(huì)加大。為了削弱電離層延遲所引起的定位精度損失,在長基準(zhǔn)測(cè)量中用雙頻接收機(jī)采集GPS數(shù)據(jù),對(duì)觀測(cè)成果進(jìn)行實(shí)時(shí)電離層延遲改正,可以獲得很好的效果。對(duì)于單頻接收機(jī)的用戶,雖然可以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改正,但其殘差仍然很大。也可以用提高衛(wèi)星高度截止角的辦法減少其影響。在赤道和地極附近存在著嚴(yán)重的電離層赤道擾動(dòng)和地極擾動(dòng)。因而,利用雙頻GPS接收機(jī)觀測(cè),只適用于沒有電離層擾動(dòng)的中緯度地區(qū)進(jìn)行電離層改正。赤道擾動(dòng)。最壞的電離層影響是在赤道附近。強(qiáng)烈影響大概在±10°以內(nèi)的區(qū)域,此影響可延續(xù)至赤道兩邊的±30°。擾動(dòng)一般在日落到午夜發(fā)生,延續(xù)到第二天黎明。它是由電離層中電子含量小規(guī)模無規(guī)律引起的,它有幾米到幾千米的波長,這些無規(guī)律的電子密度能夠產(chǎn)生衍射和反射效應(yīng),接收的信號(hào)能使相位和振幅變異,它能妨礙GPS衛(wèi)星信號(hào)跟蹤,引起周跳。甚至基線在10km以內(nèi)時(shí),強(qiáng)烈的電子水平分布梯度能使模糊度解算不能進(jìn)行。地極擾動(dòng)。它沒有赤道附近那么強(qiáng)烈,它的發(fā)生與磁暴活動(dòng)有關(guān),它主要是位于磁緯的69°~70°的極光帶。在強(qiáng)磁暴期間,這些極光影響能延伸到中緯度地區(qū),使周跳數(shù)增多。
　　四、多路徑誤差
　　多路徑誤差是指GPS信號(hào)射至到其他物體上又反射到GPS接收天線上,而對(duì)GPS信號(hào)直接射至到GPS接收天線上的直接波的干擾。多路徑誤差的大小,取決于反射波的強(qiáng)弱和用戶天線抗衡反射波的能力。用戶天線附設(shè)仰徑板,當(dāng)仰徑板半徑為40cm,天線高于1m至2m時(shí),可抑制多路徑影響。據(jù)大量資料的分析統(tǒng)計(jì),多路徑誤差有以下危害:①當(dāng)邊長小于10km時(shí),主要誤差源是天線的對(duì)中誤差和多路徑誤差;②多路徑誤差對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)的影響,在一般環(huán)境下可達(dá)5~9cm,在高反射環(huán)境下可達(dá)15cm;③在高反射環(huán)境(城鎮(zhèn)、水體旁、沙灘、飛機(jī)、艦船等)下,碼信號(hào)受多徑誤差的影響,可導(dǎo)致接收機(jī)的相位失鎖;④實(shí)踐證明,觀測(cè)值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的。接收機(jī)天線附近的水平面、垂直面和傾斜面都會(huì)使GPS信號(hào)產(chǎn)生鏡反射。天線附近的地形、地物,例如,道路、樹木、建筑物、池塘、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構(gòu)成鏡反射。因此,選擇GPS點(diǎn)位時(shí)應(yīng)特別注意避開這些地形、地物,采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施。
　　五、周跳
　　5.1周跳和周跳的產(chǎn)生周跳也稱為失周。
　　在精密的GPS相對(duì)定位中采用的觀測(cè)值是相位觀測(cè)值。相位觀測(cè)值是接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生的相位與接收到的衛(wèi)星載波相位之差,在量測(cè)時(shí),只能測(cè)到不足1周的小數(shù)部分(可準(zhǔn)到0.01周)。在理想條件下,接收機(jī)在鎖住衛(wèi)星后可保持跟蹤,從而測(cè)出包括整數(shù)部分的相位變化量,因此,每個(gè)歷元的相位觀測(cè)量與接收機(jī)到衛(wèi)星的距離相差載波波長的一個(gè)整數(shù)倍,它是一個(gè)固定不變的值,該整數(shù)被稱為整周模糊度,在解算時(shí)與其他參數(shù)一起求出。在實(shí)際觀測(cè)條件下,接收機(jī)往往會(huì)由于某種原因(如衛(wèi)星信號(hào)被擋住)對(duì)衛(wèi)星短時(shí)間失去跟蹤,在失去跟蹤時(shí)間內(nèi)相位的變化就不能被測(cè)出,稱為失周或失鎖,也稱為周跳。在短距離GPS基線定位中,大氣軌道誤差基本被抵消,電離層和對(duì)流層延遲由于它們的相關(guān)性也消除了大部分影響,失周大小能保持較好的整數(shù)特性,較容易處理。產(chǎn)生周跳的原因可分為外部原因和接收機(jī)質(zhì)量問題。外部原因有:衛(wèi)星信號(hào)被天線附近的地形地物短時(shí)間遮擋;動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí),由于載體運(yùn)動(dòng)速度太快或天線傾斜使信號(hào)丟失;由于多路徑誤差、電離層活動(dòng)加劇、對(duì)流層延遲影響,使衛(wèi)星信號(hào)的噪聲偏大而產(chǎn)生周跳。GPS接收機(jī)質(zhì)量不佳:衛(wèi)星信號(hào)在接收機(jī)電路中受干擾,導(dǎo)致信號(hào)丟失;接收機(jī)內(nèi)信號(hào)處理單元質(zhì)量不佳;接收機(jī)內(nèi)跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)不理想,在某些環(huán)境下,將使相位發(fā)生180°或90°位移,從而產(chǎn)生周跳或1/4周跳。
　　5.2周跳對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)的影響
　　在GPS相位測(cè)量中,觀測(cè)數(shù)據(jù)中大于10周的周跳,在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)不難發(fā)現(xiàn),可予以消除。然而,小于10周的周跳,特別是1~5周的周跳,以及半周跳和1/4周跳,不易發(fā)現(xiàn),而對(duì)含有周跳的觀測(cè)值其周跳的影響視為觀測(cè)值的偶然誤差,因而嚴(yán)重影響坐標(biāo)的精度。據(jù)拉查佩利的統(tǒng)計(jì),一個(gè)周跳對(duì)經(jīng)度、緯度、高程的影響為
　　ΔL=0.03~0.06m
　　ΔB=0.10~0.18m
　　Δh=0.14~0.16m
　　可見,即使只有一個(gè)衛(wèi)星存在一個(gè)周跳,也會(huì)對(duì)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生幾厘米的誤差。由于一個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)是由4個(gè)以上衛(wèi)星所確定的,故周跳對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)的影響取決于以下因素:①所測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量;②所測(cè)衛(wèi)星組成的幾何圖形;③周跳影響各分量的大小和周跳次數(shù)。然而,即使只有一個(gè)衛(wèi)星殘存有一個(gè)周跳,也會(huì)使該次定位點(diǎn)位坐標(biāo)有幾毫米至幾厘米的誤差。由此可見,凡精度要求達(dá)到厘米級(jí)或分米級(jí)的GPS定位測(cè)量,都必須清除觀測(cè)數(shù)據(jù)中的全部周跳。
　　5.3周跳的探測(cè)和修復(fù)
　　周跳的處理可分為2步:從觀測(cè)數(shù)據(jù)中探測(cè)出全部周跳及將探測(cè)出的周跳加以全部修復(fù)。周跳的探測(cè)和修復(fù)都應(yīng)在觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段進(jìn)行。GPS相對(duì)定位中的失周處理是非常麻煩復(fù)雜的問題,因而應(yīng)盡量避免周跳的發(fā)生。為此,對(duì)于儀器本身應(yīng)通過儀器檢定,在測(cè)定其質(zhì)量確實(shí)可靠時(shí)才能用于測(cè)量作業(yè),在測(cè)量作業(yè)中尤其應(yīng)防止多路徑的影響,避免失周的現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)于周跳的探測(cè)和修復(fù)已有許多處理方法。可以組成單差、雙差、3差和4差,根據(jù)組成高階差數(shù)后,周跳被成倍放大,階數(shù)越高,放大倍數(shù)越大的特性,能夠快速有效地探測(cè)出周跳。先進(jìn)的GPS接收機(jī)內(nèi)裝有“專用算法器”,可探測(cè)出大部分周跳,供處理數(shù)據(jù)時(shí)使用。避免和正確處理周跳,是提高GPS測(cè)量精度的關(guān)鍵。
　　六、GPS測(cè)量儀器的質(zhì)量檢定
　　上面已經(jīng)談到GPS接收機(jī)常存在鐘誤差、通道間的偏差、鎖相環(huán)延遲、碼跟蹤環(huán)偏差、天線相位中心偏差等。所以必須先了解儀器性能、工作特性及其可能達(dá)到的精度水平。它是制訂GPS作業(yè)計(jì)劃的依據(jù),也是GPS定位測(cè)量順利完成的重要保證。也就是說對(duì)GPS測(cè)量儀器必須先進(jìn)行作業(yè)前的檢驗(yàn),沒有檢驗(yàn)的儀器是不能用于作業(yè)的。
　　測(cè)量型GPS接收機(jī)實(shí)測(cè)檢驗(yàn)項(xiàng)目有:①天線相位中心穩(wěn)定性測(cè)試;②內(nèi)部噪聲水平測(cè)試;③野外作業(yè)性能及不同測(cè)程精度指標(biāo)的測(cè)試;④頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià);⑤高低溫性能測(cè)試。關(guān)于測(cè)量型GPS接收機(jī)的檢定目的、檢定項(xiàng)目和檢定方法見國家測(cè)繪局發(fā)布的中華人民共和國測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量型接收機(jī)檢定規(guī)程(1995-07-01)。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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