作为普通测量用户如何有效地保障定位精度+21512106+曾馨

作为普通测量用户如何有效地保障定位精度？——曾馨21512106随着测绘技术的快速发展，众多测绘新技术纷纷涌现，其中，GPS技术以其精度高、局限性小、操作方便和涉及领域广的优点成为测绘领域中的核心技术而被广泛使用。在采用GPS定位测量中，不可避免地有误差存在，就像对测量数据所含有误差进行分类一样，这些误差也分为系统性误差和偶然性误差。系统性误差一般是有规律可循的，在实际测量时可以采取一定的措施或数据处理方法对其进行削弱，减小其影响。而随机性误差则很难寻找其规律，只能通过经验模型法、理论模型法和实测模型法等数学方法加以削弱，或者将其作为未知参数引入定位计算加以确定，实在不行的话，只能采用回避的办法降低这些随机性误差对测量结果的影响。为了保障定位精度，必须减少或削弱这些误差对定位的影响。1、GPS测量与卫星有关的误差1.1卫星星历误差在GPS定位中，卫星星历会给出所观测卫星在空间的运行速度和运行速率，进而推得其在空间的三维位置，这一位置和卫星在观测时刻的真实空间位置并不完全重合，而是存在一定的误差，称之为卫星星历误差。在GPS定位中，一般都把由卫星星历所给出的卫星在空间的位置视为已知值，此时星历误差可以看成是起算数据误差。星历误差主要存在于GPS信号中的广播星历，而目前国际上有关组织对GPS星座进行了连续的观测，获取到卫星的运行位置，将卫星的真实运行位置通过精密星历的方式发送给需要解算的人进行解算后，获得了高精度的定位结果。但精密星历同样存在卫星位置内插的误差，也不是绝对的高精度。卫星星历误差单点定位的精度影响远大于对相对定位精度的影响。解决星历误差的方法主要是建立区域性卫星跟踪网、轨道松弛法、同步观测值求差。1.2卫星钟误差每个GPS卫星上都携带着精密的铷钟和铯钟，稳定性非常高，但仍然不可避免地存在着原子钟的不稳定误差，称之为卫星钟误差。卫星钟误差主要包括系统性的钟差、钟速和频漂等偏差，同时，还包括钟的部分随机性误差。在GPS的实际测量中，我们主要是依据卫星信号的传播时间（Δt＝t2-t1）来确定从卫星至接收机之间的距离。其中t1为信号离开卫星时卫星钟所测定的时刻，t2为信号到达接收机时接收机钟所测定的时刻。若信号离开卫星时卫星钟相对于标准的GPS时的钟差为δTS，信号到达接收机时接收机钟相对于标准的GPS时的钟差为δTR，那么上述钟误差对测距所造成的影响为δρ＝（δTR-δTS）·c。由于信号的传播速度c的值很大，因此在GPS测量中必须十分仔细地消除卫星钟的钟误差。对于卫星钟的残余误差，采用在接收机间求一次差等方法进一步消除。1.3相对论效应误差为了保证GPS定位用的伪距计算精度，需要提供高精度的时间观测量，这一工作主要由卫星上的原子钟和接收机中的石英钟来完成。当这两个钟被制造好后，一个随卫星运行在20000km的高空，而另外一个则运行在地球的表面。这就必然造成其所处的地球引力位不同，其在惯性空间的运行速度也不同，从而导致两台钟之间产生相对的钟误差，这一现象称之为相对论效应误差。其具体变化是若某卫星钟在惯性空间中处于静止状态时的钟频为f，那么当它被安置在以Vs的速度运动的卫星上时,根据狭义相对论效应，其钟频将变为fs；而若卫星所处位置的地球引力位为Ws，地面测站处的地球引力位为Wt，那么同一台钟放在地面上和放在卫星上其频率将相差Δf2。所以，相对论效应误差对载波相位观测值和测码伪距观测值所造成的影响基本是相同的。2、GPS测量与信号传播路径误差2.1电离层延迟误差大气层中处于50km～1000km之间的部分称之为电离层，在这一层，气体分子和原子在各种作用下被电离，形成了自由电子和正离子。这些带电离子对电磁波信号会产生严重的影响，可使电磁波信号的传播速度发生变化，在空间的传播路径发生弯曲，从而使计算得到的卫星至地面接收机之间的距离与实际距离不符合，这一误差我们称之为电离层延迟误差。电离层延迟误差跟GPS信号通过电离层时传播路径上的总电子含量TEC和信号频率f关。目前，对电离层延迟误进行修正的方法主要包括以下3种。其一，根据全球各电离层观测站长期以来积累的大量观测资料来拟合电离层模型，建立经验改正公式。该方法是根据以往观测结果所建立的模型，改正效果比较差。其二，根据电离层的色散效应建立双频改正模型，该方法是利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量，改正效果最好。其三，利用设立的区域固定GPS观测站所获取的双频观测值，采用数学手段建立起该区域电离层延迟改正模型。该方法是利用实际观测所得到的离散的电离层延迟或电子含量，建立模型，如内插。2.2对流层延迟误差大气层中处于60km以下的部分称之为对流层，在这个层位上，气体分子和原子均未被电离，但是，这一层位的大气密度却要高于电离层，大气密度的变大也会给电磁波信号的传递带来影响，使其通过该层位时发生信号延迟，从而给伪距测量带来影响，最终导致定位不准确，这一误差我们通常称之为对流程延迟误差。一般认为，对流层延迟对测码伪距和载波相位观测值的影响是相同的。在采用GPS测量时，可以采用对流层延迟模型对该项误差加以修正。目前所使用的修正模型主要包括霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型和勃兰克（Black）模型。这3个模型所算出的高度角30°以上方向的延迟差异不大，Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式，Saastamoinen模型与Hopfield模型之间的差异要大于Black模型与Hopfield模型之间的差异。2.3多路径效应误差GPS测量中，卫星信号从不同的方向传向GPS天线，有些信号直接进入接收天线，有些信号则被测站附近的地面、障碍物等反射后也进入了GPS接收天线，这些经反射后进入的信号会和直接进入的信号产生干涉效应，导致干涉时延，从而使GPS观测值偏离真值，这就是所谓的多路径效应误差。多路径效应误差对GPS测量的精度会产生严重影响，甚至会引起GPS测量信号的失锁，在GPS测量误差中是非常重要的误差源之一，同时也是很难用数学手段加以消除的误差源之一。经理论分析与实测验证，测站周围的环境和接收机的性能是多路径效应误差的主要影响因素，而观测时间长短所带来的影响也不能忽略。为了消除和减弱多路径效应误差，我们可以从以下几个方面入手：一是选择合适的测站，避开信号反射物；二是选择在天线下设置抑径板或抑径圈的GPS接收机；三是适当延长GPS外业观测时间。3、GPS测量与接收机有关的误差3.1接收机钟误差目前，为了节省成本，GPS接收机中的钟大多采用的是石英钟，其稳定性远远低于卫星上的原子钟，由接收机钟的不稳定所带来的测时误差可以称之为接收机钟误差。石英钟不但钟差的数值大，变化快,且变化的规律性更差。用三次多项式甚至四次多项式来拟合接收机钟差，有时仍无法获得令人满意的结果。有的接收机在观测过程中当钟差的绝对值达1ms时会自动调整1ms，以便使给出的钟差保持在1ms以内，从而使钟差序列不再保持连续。因此，接收机钟误差主要取决于接收机中所带石英钟的稳定性和质量，同时也与使用环境有关。3.2接收机噪声影响进行GPS测量时，由于仪器自身的制造工艺、制造材料等因素，加上观测环境等的综合影响，观测值中必然带有除系统性误差和偶然性误差之外的随机性误差，这一误差值称之为GPS接收机测量噪声，该值一般情况下非常小，观测时间足够长时，测量噪声值通常可以忽略不计。3.3接收机天线相位中心变化的改正GPS接收机天线的平均相位中心与天线的几何中心一般不重合，其偏差向量在进行高精度单点定位时以及采用不同类型的接收机天线进行相对定位时应采用归心改正的方法予以改正。而在采用同一类型的接收机天线进行相对定位时,则可通过天线指北的方法来予以消除。4、误差处理方法4.1模型改正法该方法的原理是用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。由于改正模型本身的误差以及所获取的改正模型中所需的各参数的误差，仍会有一部分偏差无法消除而残留在观测值中。这些残留的偏差一般仍比偶然性误差要大,从而严重影响GPS定位的精度。因此，这种方法的适用情况是对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式。一般针对的误差源如下：一是相对论效应；二是电离层延迟；三是对流层延迟；四是卫星钟差。但是，有些误差难以模型化，因此不适用该种方法。4.2求差法该方法的原理是通过观测值间一定方式的相互求差，消去或削弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。仔细分析误差对观测值或平差结果的影响,安排适当的观测纲要和数据处理方法，如同步观测、相对定位等，利用误差在观测值之间的相关性或在定位结果之间的相关性，通过求差来消除或大幅度地削弱其影响的方法称为求差法。这种方法的适用情况是误差具有较强的空间、时间或其他类型的相关性。所针对的主要误差源：一是电离层延迟；二是对流层延迟；三是卫星轨道误差。该方法的不足之处在于空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱。4.3规避法该方法的原理如下：其一，选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；其二，采用特殊的观测方法；其三，采用特殊的硬件设备。通过这些手段来消除或减弱上述各项误差对GPS定位观测带来的影响。典型的如多路径效应误差，该误差受环境影响误差的随机性导致其很难通过理论分析建立起相应的改正模型，也很难通过求差的方式加以消除。而通过对引起该误差的因素进行分析，如果选择好的测站环境，避免各种电磁信号干扰和信号反射物的存在，或者给接收机天线添加抑制反射信号进入的设备，减弱其干涉效应，能大幅度地消弱多路径效应误差，这也是目前对多路径效应误差处理的主要方法。5、结论GPS测量的误差从来源上从3个方面开考虑：一是来自卫星自身的误差（钟误差、星历误差和相对论效应误差）；二是信号传播路径上的误差（电离层延迟误差、对流层延迟误差和多路径效应误差）；三是与地面GPS接收机有关的误差（钟误差、接收机噪声和天线相位中心变化影响）。但在外业测量时，误差来源一般又分为环境误差、仪器误差和人为误差，这些误差的来源综合在一起，对测量结果也会产生影响。对于误差的处理方法，有模型改正法、求差法和回避法。随着技术的发展，以参数估计的方法确定系统性偏差的参数法也应用到GPS误差处理中，该方法几乎适用于任何情况，只是不能同时将所有影响均作为参数来估计。因此，在分析GPS误差来源及处理方法时，应在综合考虑后再做出分析处理，以得到可靠的GPS测量结果，从而有效地保障定位精度。