GPS测量的误差分析

GPS具有测量时间短、精度高、全球、全天候等诸多优点，在社会各个领域都得到了广泛的应用。但是由于各种各样的因素，导致GPS系统在测量过程中有一定程度上的不稳定，从而导致了各种误差。本文分析了GPS定位系统的组成部分，对其误差来源做出了分析，并对相应的精度控制技术进行了简单介绍。

全球定位系统(GPS)因为测量时间短、测量精度高、观测站之间无需通视，可提供三维坐标，测量过程具有全球性、全天候性、连续性和实时性等优点，在全球范围内的各个领域都得到了广泛的运用。任何先进技术都不可避免的有些不尽人意或者有待改善的不足，GPS也不例外，具体表现在实际测量过程中有一定程度上的不稳定，经常由于一种或者几种因素导致测量结果出现误差。为了改进GPS的上述缺点，本文对GPS测量中的误差以及误差精度控制技术进行分析。

一、GPS定位系统的组成部分

GPS定位系统是基于全球24颗定位人造卫星，向全球各个地方全天候地提供三维位置、三维速度信息的一种无线电导航定位系统。它由空间卫星群、地面控制系统以及用户装置部分组成，民用的定位精度可达10米内。

1.空间卫星群

GPS的空间卫星群由24颗卫星(21颗工作卫星;3颗备用卫星)组成，卫星分布在六个距地表20200 km的特定轨道上，每个轨道上有4颗卫星，各轨道面之间的交角60°，轨道倾角55°，卫星轨道运行的周期11 h 58 min，卫星的分部保证了在全球任何地点、时间、地平线能够至少接收到4颗卫星的信号。

2.地面控制系统

地面控制系统由由3个注入站、1个主控站、5个监测站所组成的。注入站把主控站计算出的信息全部注进到卫星里;主控站通过观测GPS卫星的运行数据，对卫星钟进行及时的参数修正，计算卫星星历，然后再将计算结果利用注入站传送到卫星当中;监控站则是接收卫星所发出的信号，对卫星工作情况进行监测。

3. 用户装置部分

GPS用户部分即GPS信号接收机，由天线单元和接收单元两部分组成。其作用就是收取卫星所发出的信号，然后通过这些接收到的信号计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。随着科技的不断发展，GPS的用户部分逐渐小型化，便于野外观测使用。

二、GPS的测量误差与精度控制技术

误差按性质可分为系统误差与偶然误差两类。这两类误差中，系统误差对测量结果的影响要远比偶然误差大的多，系统误差是 GPS 测量的主要误差来源，而且系统误差存在一定的规律性，所以可以采用一定的方法和措施来消除此项误差。从 GPS 测量误差的来源可分：卫星部分、信号传播部分、信号接收部分和其他影响部分四个部分。

2.1 卫星部分

卫星部分误差主要有卫星星历误差、卫星钟误差及相对论效应，卫星部分误差对距离测量的影响约为 1.5~15 米。卫星星历误差是卫星在空间的位置与实际位置之差，卫星星历的数据来源有广播星历和实测星历，广播星历由于 SA 政策，广大用户很难从系统的改善中获得应有的精度，而实测星历对导航和动态定位无任何意义，对静态定位有重要意义。卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂、钟的随机误差，在 GPS 测量中，无论是码相位观测或载波相位观测，都要求卫星钟和接收机钟保持严格同步。

由于GPS 卫星轨道的预测工作主要是通过 GPS 跟踪网来实施的。其中对数据影响最大的是坐标误差，较为严重的情况下，坐标误差是其他误差十倍之多。因此要特别注重跟踪站地心坐标的精度，要求要优于 0.1m，当对基站松弛轨道进行加权时，要求其坐标值要优于 5m。只要能够将跟踪基站进行数据分析，就能够将轨道根数误差修改而成为正值。通过以上手段，精密星历就能够传送给客户。

2.2 信号传播部分

信号传播部分的误差有电离层折射误差、多路径效应误差以及对流层折射误差，这些误差对距离测量的影响为 1.5~15 米，电离层折射误差是由于 GPS 信号在通过电离层时，信号的路径发生弯曲、传播速度发生变化。多路径效应是指测站周围的反射物反射卫星信号进入接收机天线，这时多个卫星信号产生干涉，而使观测值偏离真值。GPS 信号在通过对流层时，信号的路径发生弯曲，对流层折射的误差与信的高度角有关，当在地面方向(即高度角为 10 度)，影响可达到 20 米。

GPS信号传播过程造成的误差可以从两个方面进行控制。第一，通过使用模型对 GPS 信号进行更正， 即通过对气象资料的分析研究而建立相应的模型， 对流层折射所发生的误差进行预测，从而通过数据处理进行更正。第二，通过同步观测的方法来求差，从而消除流层对 GPS 信号传播的影响。

2.3 信号接收和其他误差部分

与接收机有关的误差主要有接收机钟误差、接收机位置误差、天线相位中心位置误差及几何图形强度误差等，这一些误差对距离测量的影响为 1.5~5 米，其他误差主要为地球自转的影响和地球潮汐改正，对距离测量的影响为 1 米。实际与接收机相关的误差主要还是噪声误差(天线噪声、传输线噪声、接收机内部噪声)，如果接收机钟与卫星钟的同步差为 1μs，由此引起的距离误差约为 300m，而接收机的位置误差是天线相位中心与测站标石中心的误差。

就目前而言，对于信号接收和其他误差部分，通常采用ROCK4 模型、标准模型、多项式模型等模型进行校正与预测，这几种模型之间并无过大优劣比较，预测精度的差距都不大，一般都能达到 1m 定规。为了能够获得更小的误差数值，笔者认为可以将这几种模型混合使用，从而得到更为精确的误差值，甚至精度将会控制在 0.1m 以内。

三、结束语

为了降低GPS的测量误差，需要对误差的产生原因进行深入分析，并且针对分析结果指定相应的解决措施;制定具体规范的操作规章制度，观测过程严格章程执行，这样才能保证测量结果的精确性。