GPS测量的误差和精度控制

GPS测量误差和精度控制的概述: 介绍GPS []测量的各种主要误差源及其影响. 对于精度控制问题，主要讨论的是小型控制网络（基线长度为10〜20km），局部应用动态和准动态差分测量. 关键字: GPS []；错误;精确控制1. GPS []测量误差源和GPS []定位网络设计1. GPS []测量误差源GPS []测量误差可根据其产生源分为3部分: GPS []信号自身的误差，包括轨道误差（星历误差）和SA，AS的影响； GPS []信号的传输误差，包括太阳压力，电离层延迟，对流层延迟，多径传播及其影响或周期滑移的其他原因； GPS []接收机的错误主要包括时钟错误，信道间偏差，锁相环延迟，代码跟踪环路偏差，天线相位中心偏差等. 2. GPS []定位网络的设计来自GPS的误差源[]测量中，可以看出GPS []网络的设计免除了传统的角度测量，拐角和拐角测量以及边缘测量网络的要求. 它不需要看穿这些点，也不需要考虑要布置哪种图形，更不用说图形的强度了，也不需要将其设置为命令高度（它可以设置在需要的地方）. 因此GPS []网络的设计非常灵活. 但是，您还应注意以下问题: ①除特殊需要外，一般的GPS []基线长度不应太大，以使GPS []测量的精度可以均匀地分布； ②GPS []网络不应具有开放的网络结构，应形成闭环和子环； ③应设法消除多径的影响，防止GPS []信号被其他物体反射到GPS []天线上，因此应避免在地面上产生强反射，避免强反射环境，例如山谷，山坡，建筑物[]物品等； ④避免强烈的电磁波干扰，设置站应远离雷达站，广播站，微波中继站等.

2. 轨道误差（星历误差）和SA，AS的影响1.轨道误差部门提供一定的卫星轨道精度，该卫星以广播星历的形式广播给用户，以便卫星在观测时观测是已知的位置，因此卫星轨道误差和星历误差是一个含义. 卫星星历误差等效于伪距误差. 由于卫星轨道会受到地球，太阳和月亮的引力场，太阳光压力，潮汐和大气阻力等干扰力的影响，因此其中一些受到随机影响，无法准确确定，从而导致卫星轨道出现误差. 目前，GPS []卫星轨道误差（使用的卫星广播星历）的等效伪距误差为4.2m. 美国的SA和AS政策人为地降低了导航和定位的准确性，有时点误差达到100m. 控制网络的静态GPS []测量使用载波相位测量. 通常，将一个点设置为已知点，并与待测点同时观测一个GPS点，并获取载波相位观测值，以获取待测点的坐标或坐标值. 两点之间的距离称为基线测量. 较短的基线测量可以消除SA的影响. 解决SA影响的动态测量方法是实时差分定位（称为实时DGPS []），即在已知坐标点上设置参考点，并通过参考站获取误差校正值，并通过数据链路将其实时传输到导航和定位运动. 站点，从而消除了SA的影响以及两个站点的各种常见错误，提高了移动站的导航定位精度.

导航软件和带滤波等处理功能的集成导航系统，使导航定位精度差在距离约100km时达到亚米级，而在距离差超过1500km时达到米级. 2. SA技术和AS对美国的影响SA技术是“选择性可用性”的简称. 它使用两种技术来降低用户的定位精度，即δ（抖动）技术和ε（ε）技术. δ技术是人为地施加一个周期为几分钟的随机高频抖动信号，该信号会更改GPS []卫星的频率为10.23MHz，最终导致定位误差. ε技术是降低卫星星历的准确性，这是不规则的. 卫星的随机变化使卫星的实际位置增加了人为误差. AS技术（Anti-Spoofing）称为反欺骗技术，其目的是在和平时期保护其P代码免受未经授权的用户的侵害；在战时，它可以防止敌人以电子方式干扰精确导航和定位的P代码. AS技术使使用C / A代码的用户无法通过P代码相位测量来执行双频电离层精度测距校正，这实际上降低了用户的定位精度. 3.确定GPS []卫星轨道是减少星历误差并消除ε技术影响的基本方法. 可以使用区域GPS []跟踪网络确定GPS []卫星轨道.

跟踪站的地心坐标误差将对卫星轨道造成10倍或更多的影响. 因此，要提供精度优于2m的卫星轨道，就要求跟踪站的地心坐标精度要优于0.1m. 据报道，将加权约束参考方法与强约束全球站的松弛轨道一起使用，可以产生优于5 cm的相对坐标值，这基本上可以满足现阶段中国区域轨道确定的需求. 如果使用中国现有的GPS []卫星跟踪网站，根据对每颗卫星记录的观测值，计算现有广播星历的轨道数的纠错值，则可以进一步计算长弧轨道的精确星历，因此它可以直接向用户广播精确的星历表，从而替代现有的ε技术，从而降低了广播星历表的准确性. 3.太阳光的压力扰乱了GPS []卫星. 太阳光的压力扰动了卫星并影响了卫星的轨道. 这是精确确定轨道的最重要误差源. 太阳光压力引起的卫星摄动加速度受太阳与地球之间的距离变化（地球轨道的偏心率）的影响，这也与太阳辐射压力的变化有关. 几何关系与被照射表面的反射和吸收特性有关. 由于卫星表面材料的老化和卫星姿态控制的误差，太阳光压力也会发生变化. 现有的太阳光压力校正模型是: 标准光压力模型，多项式光压力模型和ROCK4光压力扰动模型. 这些轻压力模型具有基本相同的精度，可以满足1m轨道确定的要求.

最近有人建议使用附加随机过程参数的方法或在较长的轨道上使用一阶三角多项式来近似未建模的长期项的影响，可以获得更理想的结果，甚至可以达到0.1到0.2的精度米轨道要求. 4.电离层信号传播延迟电离层导致代码信号传播延迟，这与沿卫星和用户视线的电子密度有关. 垂直方向的延迟值在夜间可达到平均约3m，在白天则为15m. 在低仰角的情况下，可分别达到9m和45m，并且在异常时期该值会增加. 为了减弱电离层延迟引起的定位精度损失，采用双频接收机在长参考测量中收集GPS []数据，并对电离层延迟进行实时校正观测结果，效果良好. 可以获得结果. 对于单频接收机的用户，尽管可以用数学模型进行校正，但其残差仍然很大. 您还可以通过增加卫星高度截止角来减少影响. 在赤道和两极附近存在严重的电离层赤道干扰和地极干扰. 因此，双频GPS []接收机观测仅适用于中纬度地区的电离层校正，而没有电离层干扰. 赤道干扰. 电离层效应最严重的是赤道附近. 强烈的影响可能在±10°范围内，并且这种影响在赤道两侧都可能持续到±30°. 干扰通常发生在日落到午夜，一直持续到第二天黎明. 这是由电离层中电子含量的小范围不规则引起的. 它的波长在几米到几千米之间. 这些不规则的电子密度会产生衍射和反射效应. 接收到的信号会使相位和幅度发生变化. 阻碍GPS []卫星信号跟踪，导致周跳.

即使基线在10公里之内，强大的电子水平分布梯度也可能使模糊度计算变得不可能. 极地干扰. 它的强度不及赤道附近，它的发生与磁暴活动有关. 它主要位于极光区，在纬度69°至70°之间. 在强磁暴期间，这些极光效应可以扩展到中纬度地区，从而增加了周期滑移的数量. 5.对流层中的信号传播延迟对流层延迟是由穿过对流层的电磁波信号的传播速度与真空中的光速不同而引起的. 将干燥和潮湿的大气成分分开. 低仰角可达20m. 其中，干燥的大气成分约占80％至90％，大部分可以通过某种模型进行校正. 尽管温度和大气成分的值并不大，但是随着纬度和高度的变化，它显示出很大的变化，并且随时间变化非常快. 由于空气中的水蒸气和干燥气体很难预测，因此测量通常是干成分和湿成分的混合，因此很难获得其准确值. 到目前为止，已经开发出许多计算湿对流层延迟的实用模型，但是对流层延迟仍然是误差的主要来源. 对流层延迟与电离层延迟相同，这主要影响天顶的方向. 由于它们之间的相关性，在短基线测量中将被很好地消除，长基线测量中的双频接收机也可以减少其影响. 对于对流层延迟，参数估计和函数逼近方法用于使用随机过程仿真和滤波方法进行仿真和校正. 校正好的数学模型可以使基准天顶方向增加到接近水平方向（平面坐标）的水平.

第六，多径误差多径误差是指GPS []信号直射到其他物体上，然后反射到GPS []接收天线，将GPS []信号导向GPS []接收天线干扰. 多径误差的大小取决于反射波的强度和用户天线抵抗反射波的能力. 用户天线配备了一块仰板. 当仰角板的半径为40cm且天线高度大于1m至2m时，可以抑制多径效应. 根据大量数据的分析和统计，多径误差具有以下危害: ①边长小于10km时，主要误差源是天线对准误差和多径误差. ②多径误差对点坐标的影响，一般情况下为5〜9cm，高反射环境下为15cm. ③在高反射环境下（城镇，水域，海滩，飞机，轮船等），代码信号受到多径误差的影响，可能导致接收机相位失锁； ④实践证明，观测值中的许多周跳是由多径误差引起的. 天线附近的水平，垂直和倾斜平面将导致GPS []信号的镜面反射. 天线附近的地形特征，例如道路，树木，建筑物[]，池塘，排水沟，海滩，山谷，山坡等，都可以构成镜面反射. 因此，在选择GPS []点时，应特别注意避免这些地形特征，并增加天线的高度和其他措施以防止多径误差. 七. 周期滑移1.周期滑移和一周的周期滑移的产生.

精确GPS []相对定位中使用的观测是相位观测. 相位观测值是由接收机的本地振荡产生的相位与所接收的卫星载波的相位之间的差. 在测量过程中，只能测量不到1周的小数部分（精确到0.01周）. 在理想条件下，在锁定卫星后可以进行跟踪以测量包括整数部分在内的相位变化，因此每个时期的相位观测是载波波长的整数倍，该波长不同于与卫星之间的距离，它是一个固定值，该整数称为全周期模糊度gps测量的精度，在求解时会与其他参数一起获得. 在实际的观察条件下，由于某些原因（例如，卫星信号被阻塞），接收机通常会在短时间内失去对卫星的跟踪，并且无法测量跟踪时间损失期间的相位变化. 也称为每周跳. 在短距离GPS []基线定位中，基本上消除了大气轨道误差，电离层和对流层延迟也消除了由于它们的相关性而产生的大多数影响. 丢失周期的大小可以保持良好的整数特性，并且更易于处理. 跳跃的原因可以分为外部原因和质量问题. 外部原因包括: 卫星信号在短时间内被地形和天线附近的特征所阻挡；在动态测量过程中，由于载波移动太快或天线倾斜而导致信号丢失. 由于多径误差，电离层活动增加和对流层延迟，卫星的信号噪声太大而导致周期滑移. GPS []质量很差: 电路中的卫星信号受到干扰，导致信号丢失；接收机中的信号处理单元质量较差；接收机中的跟踪环路设计并不理想. 在某些环境中，相位偏移180°或90°，导致周跳或1/4周跳.

2. 循环滑移对点坐标的影响在GPS []相位测量中，在数据预处理期间不难发现观测数据中大于10周的循环滑移，可以消除. 但是，少于10周的周单，尤其是1至5周的单，不容易找到一半和1/4的周单，并且对周单的观测值的影响被认为是偶然的观察误差，从而严重影响坐标精度. 根据Rachapelli的统计，周期滑移对经度，纬度和高程的影响为ΔL= 0.03至0.06m，ΔB= 0.10至0.18m和Δh= 0.14至0.16m. 可以看出，即使只有一颗卫星具有周期滑移，在测量点上也会出现几厘米的误差. 由于一个点坐标是由4个以上的卫星确定的，因此周跳对该点坐标的影响取决于以下因素: 1.被测卫星的数量； 2.由被测卫星组成的几何图形； 3.周跳会影响每个组件的大小和每周循环的数量. 但是，即使仅剩一个卫星存在周期滑移，定位点的坐标也将具有几毫米到几厘米的误差. 由此可见，所有精度为厘米或分米水平的GPS []定位测量都必须清除观测数据中的所有周跳. 3.检测和修复循环滑移循环滑移的处理可以分为两个步骤: 从观测数据中检测所有循环滑移，并修复所有检测到的循环滑移. 循环滑移的检测和修复应在观测数据的预处理阶段进行.

在GPS []的相对定位中丢失循环的处理是一个非常麻烦和复杂的问题，因此应尽可能避免出现循环滑移. 因此，仪器本身应通过仪器验证，并且仅在确定质量可靠时才能用于测量操作. 特别是在测量操作中，应避免多径影响，以免出现循环丢失现象. 有许多用于检测和修复周跳的软件处理方法. 作为文献[2]，也可以使用单差，双差，3差和4差. 根据高阶差的组成，循环滑移会倍增. 阶数越高，放大倍数越大. 快速有效地检测周跳. 先进的GPS []接收机配备了“专用算法”，可以检测大多数周期滑移，并用于数据处理. 避免并正确处理周跳是提高GPS []测量精度的关键. 8. GPS []测量仪器的质量验证如上所述，GPS []接收机经常会出现时钟误差，信道间偏差，锁相环延迟，代码跟踪环路偏差，天线相位中心偏差等. 因此，我们必须首先了解仪器的性能，操作特性及其可能达到的精度水平. 它是制定GPS []操作计划的基础，也是成功完成GPS []定位测量的重要保证. 换句话说，必须在操作前检查GPS []测量仪器，并且未经检查的仪器不能用于操作. 测量GPS【接收机】的实际测量检查项目为: ①天线相位中心稳定性测试； ②内部噪声水平测试； ③现场作业性能和不同的测量精度指标测试； ④频率标准稳定性测试和数据质量评估; ⑤高低温性能测试.

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