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GPS測(cè)量誤差的分類(lèi)
GPS天線測(cè)量誤差的分類(lèi)GPS測(cè)量是利用接收機(jī)接收衛(wèi)星播發(fā)的信息來(lái)確定點(diǎn)的三維坐標(biāo)。影響測(cè)量結(jié)果的誤差來(lái)源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)的傳播過(guò)程和地面接收設(shè)備。在高精度的GPS測(cè)量中（地球動(dòng)力學(xué)研究），還應(yīng)考慮與地球整體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的地球潮汐、負(fù)荷潮及相對(duì)論效應(yīng)等。為了便于理解，通常將各種誤差的影響投影到觀測(cè)站至衛(wèi)星的距離上，以相應(yīng)距離誤差來(lái)表示，稱(chēng)之為等效距離誤差。表5-1列出了GPS測(cè)量的誤差類(lèi)型及等效的距離誤差。
GPS天線測(cè)量誤差的分類(lèi)GPS測(cè)量是利用接收機(jī)接收衛(wèi)星播發(fā)的信息來(lái)確定點(diǎn)的三維坐標(biāo)。影響測(cè)量結(jié)果的誤差來(lái)源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)的傳播過(guò)程和地面接收設(shè)備。在高精度的GPS測(cè)量中（地球動(dòng)力學(xué)研究），還應(yīng)考慮與地球整體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的地球潮汐、負(fù)荷潮及相對(duì)論效應(yīng)等。為了便于理解，通常將各種誤差的影響投影到觀測(cè)站至衛(wèi)星的距離上，以相應(yīng)距離誤差來(lái)表示，稱(chēng)之為等效距離誤差。表5-1列出了GPS天線測(cè)量的誤差類(lèi)型及等效的距離誤差。
GPS測(cè)量誤差的分類(lèi)GPS測(cè)量是利用接收機(jī)接收衛(wèi)星播發(fā)的信息來(lái)確定點(diǎn)的三維坐標(biāo)。影響測(cè)量結(jié)果的誤差來(lái)源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)的傳播過(guò)程和地面接收設(shè)備。在高精度的GPS測(cè)量中（地球動(dòng)力學(xué)研究），還應(yīng)考慮與地球整體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的地球潮汐、負(fù)荷潮及相對(duì)論效應(yīng)等。為了便于理解，通常將各種誤差的影響投影到觀測(cè)站至衛(wèi)星的距離上，以相應(yīng)距離誤差來(lái)表示，稱(chēng)之為等效距離誤差。表5-1列出了GPS測(cè)量的誤差類(lèi)型及等效的距離誤差。
若根據(jù)誤差的性質(zhì)，上述誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩類(lèi)。偶然誤差主要包括信號(hào)的多路徑效應(yīng)及觀測(cè)誤差等；系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及大氣折射誤差等。其中系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)大于偶然誤差，它是GPS天線測(cè)量的主要誤差源。同時(shí)系統(tǒng)誤差有一定的規(guī)律可循，根據(jù)其產(chǎn)生的原因可采取不同的措施加以消除或減弱。主要的措施有：
①建立系統(tǒng)誤差模型，對(duì)觀測(cè)量進(jìn)行修正；
②引入相應(yīng)的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中同其他未知參數(shù)一并求解；
③將不同觀測(cè)站對(duì)相同衛(wèi)星進(jìn)行的同步觀測(cè)值求差。
下面分別討論在GPS天線測(cè)量中GPS衛(wèi)星、信號(hào)傳播及信號(hào)接收等誤差對(duì)定位精度的影響及其處理方法。
與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差這類(lèi)誤差主要包括衛(wèi)星的星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差及相對(duì)論效應(yīng)。在GPS測(cè)量中，可通過(guò)一定的方法消除或減弱其影響，也可采用某種數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行改正。
GPS衛(wèi)星星歷誤差GPS衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷所提供的衛(wèi)星空間位置與實(shí)際位置的偏差。
由于衛(wèi)星的空間位置是由地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星測(cè)軌結(jié)果計(jì)算而得，因此也稱(chēng)衛(wèi)星軌道誤差。
由于衛(wèi)星在運(yùn)行中受到多種攝動(dòng)力的影響，單靠地面監(jiān)測(cè)站難以精確可靠的測(cè)定這些作用力對(duì)衛(wèi)星的作用規(guī)律，因而在星歷預(yù)報(bào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，估計(jì)和處理此類(lèi)誤差比較困難。在一個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，衛(wèi)星星歷誤差屬于系統(tǒng)性誤差，它將嚴(yán)重影響單點(diǎn)定位的精度，也是精密相對(duì)定位中的主要誤差來(lái)源之一。
星歷誤差的來(lái)源GPS衛(wèi)星星歷的數(shù)據(jù)來(lái)源有廣播星歷和精密星歷（實(shí)測(cè)星歷）兩種。
1）廣播星歷廣播星歷是衛(wèi)星電文中所攜帶的主要信息。它是根據(jù)美國(guó)GPS控制中心跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，通過(guò)GPS衛(wèi)星發(fā)播的一種預(yù)報(bào)星歷。由于我們尚不能充分了解作用在衛(wèi)星上的各種攝動(dòng)力因素的大小及變化規(guī)律，所以預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)中存在著較大的誤差。當(dāng)前從衛(wèi)星電文中解譯出來(lái)的星歷參數(shù)共17個(gè)，每小時(shí)更換一次。由這17個(gè)星歷參數(shù)確定的衛(wèi)星位置精度約為20~40m，有時(shí)可達(dá)80m.GPS正式運(yùn)行后，啟用全球均勻分布的跟蹤網(wǎng)進(jìn)行測(cè)軌和預(yù)報(bào)，此時(shí)由星歷參數(shù)計(jì)算的衛(wèi)星坐標(biāo)可精確到5~10m。不過(guò)根據(jù)美國(guó)政府的GPS政策，廣大用戶很難從系統(tǒng)的改善中獲得應(yīng)有的精度。
2）實(shí)測(cè)星歷它是根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行擬合處理而直接得出的星歷。它需要在一些已知精確位置的點(diǎn)上跟蹤衛(wèi)星來(lái)計(jì)算觀測(cè)瞬間的衛(wèi)星真實(shí)位置，從而獲得精確可靠的精密星歷。這種星歷要在觀測(cè)后1~2個(gè)星期才能得到，這對(duì)導(dǎo)航和動(dòng)態(tài)定位無(wú)任何意義，但是在靜態(tài)精密定位中具有重要作用。其次，GPS衛(wèi)星系統(tǒng)是高軌衛(wèi)星，區(qū)域性的跟蹤網(wǎng)也能獲得很高的定位精度。所以許多國(guó)家和組織都在建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)開(kāi)展獨(dú)立的定位工作。
2.星歷誤差對(duì)定位精度的影響1）對(duì)單點(diǎn)定位的影響在GPS天線測(cè)量定位中，衛(wèi)星被作為空間的已知點(diǎn)，衛(wèi)星星歷被作為已知的起算數(shù)據(jù)。這樣，星歷誤差必將以某種方式傳遞給測(cè)站坐標(biāo)，從而產(chǎn)生定位誤差。在GPS絕對(duì)定位中，廣播星歷誤差對(duì)測(cè)站坐標(biāo)的影響可達(dá)幾十米到一百米。
2）對(duì)相對(duì)定位的影響在GPS相對(duì)定位中，衛(wèi)星星歷誤差對(duì)兩個(gè)相鄰測(cè)站的影響具有極強(qiáng)的相關(guān)性，所以，可以利用兩個(gè)相鄰測(cè)站上星歷誤差的相關(guān)性，采用相位觀測(cè)量求差的方法來(lái)削弱或消除星歷誤差的影響，從而獲得高精度的相對(duì)坐標(biāo)。因此，星歷誤差對(duì)相對(duì)定位的影響遠(yuǎn)小于對(duì)單點(diǎn)定位的影響。星歷誤差對(duì)相對(duì)定位的影響通常采用下式來(lái)進(jìn)行估計(jì)：
式中，p為衛(wèi)星到觀測(cè)站的幾何距離；dp為衛(wèi)星的星歷誤差；D為基線向量長(zhǎng)度；
dD為由于衛(wèi)星星歷誤差引起的基線誤差。
在SA技術(shù)的控制下，廣播星歷誤差可達(dá)100m，若取衛(wèi)星運(yùn)行高度為20000km，則基線向量相對(duì)誤差dD/D在（1.3~0.1）×10-6之間。這一精度可滿足絕大部分測(cè)量工程需求。但隨著基線距離增加，衛(wèi)星星歷誤差引起的基線誤差將不斷增大。因此，對(duì)于長(zhǎng)距離、高精度的GPS測(cè)量，需要采用精密星歷。目前采用的美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局（NGS）提供的精密星歷，其相對(duì)定位精度可達(dá)（1~0.4）×10-7。
這樣可滿足建立國(guó)家控制網(wǎng)、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及高精度的測(cè)量工程要求。
3.削弱星歷誤差的方法1）建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立測(cè)機(jī)建立用戶自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)，進(jìn)行獨(dú)立測(cè)軌，這不僅可以使我國(guó)的用戶在非常時(shí)期不受美國(guó)政府有意降低衛(wèi)星星歷精度的影響，而且可向?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)定位用戶提供無(wú)人為干擾的預(yù)報(bào)星歷，向靜態(tài)定位用戶提供高精度的后處理星歷。
我國(guó)GPS天線測(cè)量專(zhuān)家在1988年就提出以國(guó)內(nèi)已有的VLBI/SLR站為基準(zhǔn)建立衛(wèi)星測(cè)軌網(wǎng)的基本方案。目前，已在上海、長(zhǎng)春、西安、烏魯木齊、昆明等地建立了測(cè)軌站，定軌精度約為3m。
2）采用軌道改進(jìn)法這種方法的基本思想是在平差模型中將星歷中給出的衛(wèi)星軌道參數(shù)作為未知參數(shù)納入平差模型，通過(guò)平差同時(shí)求得測(cè)站位置及軌道偏差改正數(shù)。常采用的軌道改進(jìn)法有半短弧法和短弧法。
a。半短弧法它是將攝動(dòng)力影響較大的軌道切向、徑向及法向三個(gè)改正數(shù)作為未知參數(shù)，同測(cè)站坐標(biāo)一并求解。該方法計(jì)算工作量較小，可明顯削弱軌道誤差的影響。根據(jù)有關(guān)資料介紹，經(jīng)該法改正后的軌道誤差在10m以?xún)?nèi)。
b。短弧法它是將6個(gè)軌道參數(shù)作為未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中同測(cè)站坐標(biāo)及其他未知參數(shù)一并解出。這種方法有效地削弱了軌道誤差的影響，明顯地提高了定位精度，但其計(jì)算工作量較大。
軌道改進(jìn)法也有一定的局限性，因此，它不宜作為GPS定位中的一種基本方法，而只能作為在無(wú)法獲得精密星歷情況下的補(bǔ)救措施。
c。同步求差法此方法是根據(jù)星歷誤差對(duì)距離不太遠(yuǎn)（20km以?xún)?nèi)）的兩個(gè)測(cè)站的影響基本相同的特點(diǎn)，在兩個(gè)或多個(gè)測(cè)站上同步觀測(cè)同一顆衛(wèi)星所得的觀測(cè)量求差，以減弱星歷誤差的影響。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對(duì)不同觀測(cè)站同步觀測(cè)量的影響具有系統(tǒng)性，因此，可通過(guò)上述求差的方法，將兩站的共同誤差消除，其殘余誤差可由公式（5-1）來(lái)計(jì)算。
若取D=5km,p=20000km,dp=50m；則有1.3mm<DD<3MM。由此可見(jiàn)，采用同步求差法可有效減弱星歷誤差的影響。