张 香 兰
(山西国图测绘有限公司，山西 吕梁 033000)
·测量·
动态GPS精度分析理论与应用
张 香 兰
(山西国图测绘有限公司，山西 吕梁 033000)
简述了GPS定位技术的特点，从卫星钟差、卫星轨道偏差、卫星信号的传播误差、接收设备误差等方面分析了动态GPS测量误差的来源，在此基础上提出优化方案，旨在促进动态GPS测量精度的提高。
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0 引言
科技的发展促使GPS测量的精度随之得以不断的提高，各种小型化的GPS测量设备被广泛应用于各个方面，而动态GPS的出现为测量提供了更多的便捷，降低了测量人员的工作强度，并且也降低了测量成本。虽然动态GPS存在诸多的优越性，但对于动态GPS精度的掌控却存在一系列问题有待解决。可见，探究提高精度的方式，对于动态GPS的推广应用具有重要意义。
1 GPS 定位技术的特点
由美国主导建立的GPS全球定位系统最初是为了满足军事上的要求，而后期随着卫星不断增多，以及军事需要上的降低，GPS系统逐渐的转向民用领域，而因为该系统采取的是距离定位的方式，在此基础上进行测距空间交会定点，有着全天候、全球性以及连续的三维导航、授时、定位的作用，而且还有着理想的抗干扰性和较强的保密性。现如今，GPS系统在民用市场中得到了十分迅速的发展。动态GPS技术的出现为测绘行业带来了翻天覆地的改变，大大推动了测绘学的发展。
2 动态GPS的误差来源
2.1 卫星钟差
为了测得具体的地理位置信息，信号需在地面与卫星之间来回传递，而距离的测量则要时间上的准确性作为保证，但事实上，接收钟、卫星钟二者之间无法始终严格的保持同步，虽然在卫星上加入了精度很高的原子钟，卫星钟与接收钟之间还是可能存在1 ms左右的误差，而对于高速运动的卫星而言，其1 ms的运动距离可达到300 km。
2.2 卫星轨道偏差
卫星在轨道上运行时实际上还是要受到诸多外力的干扰，除了地球的引力之外还可能受到其他天体引力的吸引，虽然大体上还是在围绕地球做圆周运动，但是在轨道上面却存在一些偏差，按照当前的技术水平尚无法完全掌握卫星轨道的运行规律，也就无法调控卫星轨道的偏差。
当前处理卫星轨道偏差的方法主要有3种：
1)忽略轨道误差。
如果对于测量的精度要求不高，可以直接忽略轨道误差。
2)采用轨道改进法处理观测数据。
如果对于测量的精度要求非常高，就必须在计算时引入卫星轨道偏差的改正参数，但是这一方法也是基于短时间内这些参数不变，其实还是存在误差。
3)同步观测值求差。
通过多个观测站，以此对卫星的同步观测值进行求差，借助于该方法，将卫星轨道偏差尽可能的予以减少，这一方法可显著改善测量精度。
2.3 卫星信号的传播误差
由于信号需要在地面接收机与卫星之间进行传递，信号在传递的过程中需要经过各种各样的介质，而这些介质很可能改变信号传播的强度、速度以及方向，从而导致卫星信号的传播误差。
1)电离层折射的影响。
地理上将离地面50 km～1 000 km范围内的大气层称为电离层，受到阳光的影响，电离层当中一系列气体分子，接受了光子所带来的能量，继而在外层电子跃迁之后，逐渐形成大量的自由电子和大量的正离子，并且，信号在通过电离层时，往往会受到正离子与自由电子所带来的不同程度的影响，由此，传播的强度、传播的速度乃至传播的方向均会有所变化，因而仅仅凭借计算信号传播的时间和光速的乘积，无法求出卫星和接收机二者之间的实际距离。
2)对流层折射的影响。
地理上将离地面40 km左右的大气层称为对流层，虽然对流层不会直接受到阳光的影响，各种自由电子以及离子的含量较低，但是阳光却可以使得对流层的温度呈现不均匀的变化，阳光照射到地面并且由地面反射至对流层，此时对流层的温度就呈现不均匀的分布，信号传递至对流层时会由于温度的影响而改变其路径。
3)多路径效应的影响。
多路径效应是动态GPS测量最大的误差来源，由于卫星发射的信号是以电磁波的形式传递，而这种电磁波的来源并不只卫星一种，各建筑物也可以发射出电磁波或者反射电磁波，因而由卫星发射来的电磁波信号很容易受到来自其他波的干涉，干涉过后的电磁波信号被接收机所接收之后计算出来的数值就存在误差。多路径效应是最难控制的误差，在大多的反射环境之下，多路径效应对测码伪距造成的影响通常可以达到米级，并且对测相伪距造成的影响则能达到厘米级；但是在高反射环境下，多路径效应的影响会大幅度增加，同时会使得接收到的卫星信号出现失锁现象，致使载波相位观测量出现周跳问题。鉴于此，需要对多路径效应的原因进行深入分析，而且还应当积极采取有助于减弱多路径效应误差的办法。
2.4 接收设备误差
在 GPS 定位过程中，不管是测码伪距亦或是测相伪距，其观测值基本上都是以接收机天线的相位中心位置作为标准，而对于天线的相位中心及其几何中心，从理论上来讲应当保持一致。在实际的动态GPS测量之中由于信号的方向和强度受到诸多因素的影响，天线的相位中心位置事实上是在不断变化的，即观测时相位中心的瞬时位置(一般称视相位中心)，与理论上的相位中心位置并不完全相同。另外，虽然天线的相位中心和几何中心时刻保持绝对的一致，也不能完全保证定位结果的准确，天线的性能对于定位的结果同样有着不可忽视的影响。
在实际的动态GPS测量过程中为了消除相位误差的影响，大多在多个观测站上采用相同类型的天线予以测量，通过多个观测站对同一卫星的数据进行同步观测，由此求得差值，然后将差值作为修正参数来对相位中心的偏移进行修整。同时对于天线的安装有诸多的要求，除了必须采取同一类型的天线之外，天线之间的距离不能过远，各天线安装时还需依据测量指向磁北极，天线的定向偏差应该保持在3°～5°以内。
3 动态GPS测量优化方案
1)在实际动态GPS的测量之中，测站的对中、天线高的量取工作对最终的测量结果有着重要的影响，因此必须予以足够的重视。同时不排除其他影响造成了数据的误差，在数据处理时对于明显存在误差的数据应该予以剔除，这样才能确保基线的观测质量；2)对于要求精度比较高的测量，为了消除卫星中与接收器上的时间不一致的问题，需要适当的延长观测的时间，特别是在测量基线向量时，测量的时间要在1 h以上，短时间的测量会导致测量值的波动非常明显，而长时间的测量则可以有效提高测量结果的精度；3)起算点的空间分布、数量以及拟合方法都对动态GPS的测量有着重要的影响，为了保证测量结果的精确度，起算点在空间上的分布要均匀，同时起算点的数量也要多。一般来说，在同样的拟合方法下，起算点的分布越均匀、数量越多，测得的结果便越精确。
4 结语
随着GPS技术的不断发展及完善，GPS技术的民用精度已经达到相对较高的水平，并已经被广泛应用于生产和生活中的诸多方面，在城市规划建设、森林开发、航海、道路行驶等诸多方面均发挥了巨大的作用，同时为当代人们的生活及生产提供了前所未有的便利。但是，相对于动态GPS的精度控制，尚且存在大幅度的提升空间。所以，相关人员应当系统化的分析影响动态GPS测量精度的因素，尽快的制定出动态GPS测量的优化方案，从而进一步提高动态GPS测量的精度。
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The precision analysis theory and application of dynamic GPS
Zhang Xianglan
(ShanxiStateMapSurveyingandMappingLimitedCompany,Lvliang033000,China)
This paper elaborated simply the characteristics of GPS positioning technology, analyzed the source of dynamic GPS strategy error from the satellite clock error, satellite orbit bias, satellite signal transmission error, accept the equipment error and other aspects, based on this put forward optimization scheme, aimed at promoting the improvement of dynamic GPS measurement precision.
dynamic GPS, accuracy, feature, error
1009-6825(2015)28-0197-02
2015-07-21
张香兰(1962- )，女，助理工程师
TU198
A
