公路GPS控制测量误差分析.doc

公路GPS控制测量误差分析催永辉 范玉俊（北京国道通公路设计研究院） 摘要 公路测量采用地面数字化测图时，测量主要涉及控制点的测设、地形图的测绘，以及道路的纵横断面测量，根据需要，我们还要对控制点的高程进行水准测量GPS测量具有测站之间无须通视、定位精度高、提供三维坐标、操作简便、可全天候观测等优点，因而在公路测量中得到了广泛应用但是，GPS测量也会产生误差，以下就公路控制测量中各种误差的产生进行简单的分析，并就如何减小误差给出一些切实可行的措施 关键词 GPS测量 误差 措施1 GPS测量误差来源 无论采用什么仪器，GPS测量误差按其生产源可分为三大部分:GPS信号的自身误差，包括轨道误差（星历误差）、SA和AS影响；GPS信号的传输误差，包括太阳光压a、电离层延迟、对流层延迟、多路径传播和由它们影响或其他原因产生的周跳；GPS接收机的误差，主要包括钟误差、通道间偏差、锁相环延迟、码跟踪环偏差和天线相位中心偏差等与传播途径有关的误差中，对流层的折射、电离层的折射影响可i以通过同步观测测量求差进行相应的修正在实际测量中多路径效应以及接收机的位置误差成为影响GPS信号的主要因素。

1.1 卫星星历误差 卫星星历误差是指卫星星历给出的空间位置，卫星实际地面监控系统根据位置间的偏差，由于卫星空间位置是根据卫星测轨结果计算求的，所以有称为卫星轨道误差他是一种起始位置误差，其大小决定与卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件完善程度等星历误差是GPS测量的重要误差来源1.2 电离层的信号传播延迟 电离层引起码信号传播延迟，他与沿卫星和用户接受机视线方向上的电子密度有关，在垂直方向上延迟值在夜间可达3m左右，白天可达15m，在底仰角下分别是9m和45m，在反常时期这个值还会增大为削减电离层延迟所引起的定位精度损失，在长基准测量中采用双频接收机采集GPS数据，对观测成果电离层延迟改正，可以获得很好的效果对于单频接收机的用户，虽然可以用数学模型改正，但其残差仍然很大也可以提高卫星高度截止角减小其影响 在赤道和地极附近存在着严重的电离层赤道扰动和地极扰动，因而，利用双频GPS接收机观测，只使用没有电离层扰动的中纬度地区来进行电离层改正最坏的电离层在赤道附近强烈的影响大概在正负10°以内区域，此影响可延迟到赤道两边的正负30°。

扰动一般在日落到午间发生，延迟到第二天黎明他是由电离层中电子含量小规模无规律引起的，他有几米到几千米的波长，这些无规律的电子密度能产生辐射和反射效应，接受的信号能使相位和振幅变异，他能妨碍GPS卫星信号跟踪，引起周跳，甚至周线在10KM以内时，强烈的电子水平分布阶梯能使模糊度结算不能进行1.3 对流层的信号传播延迟 对流层延迟的电磁信号通过对流层时其传播速度不同于真空中光速所引起的，在底仰角时他可以达到20m其分干大气分量和湿大气分量其中大气分量约占80%~90%，可以用一定的模型大部分改正掉湿大气分量虽不大，但随经纬度高度变化呈现出很大的变化，而且随时间变化的非常快由于空气中水汽和干气难以预测，所以测量中往往测量干、湿分量混合体，故难以得到他的准确值到目前为止，已经开发出许多计算是对流层的使用模型，但对流层仍为主要误差来源对流层延迟与电流层延迟一样，主要影响天顶的方向提高到水平方向（平面坐标）接近水平1.4 接收机位置误差 接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差，叫做接收机位置误差其中包括天线置平和对中误差，量取天线高误差在实际操作中应认真仔细，以尽可能减少或避免该误差，这与操作员的技术和态度有很大的关系。

1.5 多路径效应的影响 测站周围反射物所反射卫星信号（反射波）进入接收天线，将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离，这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应多路径误差的大小，取决于反射波的强度和用户天线抗衡反射波能力用户天线一般附应设仰径板，仰径板半径为40cm天线高于1~2m可有效抑制多路径影响 多路径误差有以下危害：当变长小于10km时，主要误差预源是天线对中误差和多路径误差；‚多路径误差对点位坐标的影响，在一般情况下可达5~9cm，在高反射环境下可达15cm；ƒ在高反射环境（城镇、水体旁、沙滩、飞机、舰船等）下，码信号受多径误差的影响，可导致接收机相位失锁；④实践证明，观测值中的很多周跳都是由于多路径误差引起的 接收机天线附近的水平面、垂直面和斜面都会使GPS信号产生镜反射天线附近的地形地物，例如道路、树木、建筑物、池塘、水沟、沙滩、山谷、山坡等都构成反射，因此，选择GPS点位时应特别注意应避开这些地形地物，采取提高天线高度和其他防止多路径措施 在实际中，由于各种原因有些GPS测站大周围面积水面的地方，其他一些不规范点选择在周围树木或有高层建筑的地方，这些地方易造成有些GPS多路径误差。

以八达岭西铺路的控制观测为例，八达岭西铺路车辆往来频繁，且B21和B22之间经过一段居民区，紧挨较高立交桥八达岭西铺路历次观测可以看出同一个点坐标值历次观测坐标值最多相差8.6cm（表1）B22号点的北坐标及东坐标分别相差3.6cm和5.1cm在相同的观测设备及观测条件下，多路径效应会对观测结果产生较大的影响1.6 周跳和周跳的产生 周跳也称为失跳在精密的GPS相对定位中采用的观测值是相位观测值相位观测值是接收机本机震荡产生的相位与接受到的卫星载波相位之差，在量测时，只能测到不足一周的小部分（可准到0.001周）在理想条件下，接收机锁住卫星后可保持跟踪，从而测出包括整数部分的相位变化量，因此每个历元的相位观测量与接受机到卫星的距离相差载波波长的一个整数倍，它是一个固定不便的值，该整数被称为整数模糊度，在解算过程时与其他参数一起求出在实际观测条件下接收机往往会由于某种原因（如卫星信号被挡住）对卫星短时间失去跟踪，在失去跟踪时间内相位变化就不能被测出称为矢周 在GPS相位测量时中，观测数据大于10周的周跳，在数据与处理时不难发现，可予以消除然而小于10周的周跳，特别是1～５周的周跳，以及半周跳和１/4周跳，不易发现，而对含有周跳的观测值周跳产生影响视为观测的偶然误差，而严重影响坐标的精度。

即使只有一个卫星存在一个周跳，也会对所测点产生几厘米的误差由于一个点位坐标是在4个以上卫星确定的，故坐标对点位的影响取决与一下几个因素 所测卫星的数量； ‚所测卫星组成的图形； ƒ周跳影响各分量的大小和周跳次数1.7 轨道误差 有关部门提供一定精度的卫星轨道，以广播星历形式发播给用户使用，从而已知观测瞬间所观测卫星的位置，因而卫星轨道误差与星历误差是一个含义卫星星历误差又等效为伪距误差由于卫星轨道受地球和日、月引力场、太阳光压、潮汐等摄动力及大气阻力的影响，而其中有的是随机影响，而不能精密确定，使卫星轨道产生误差目前，GPS卫星轨道误差的等效伪距误差（使用的卫星广播星历)为4.2m美国的SA政策和AS政策人为地使导航定位的精度降低，点位误差有时达到100m 控制网的静态GPS测量是利用载波相位测量，一般是由一个点设为以知点与一个待定点为同步观测GPS卫星，取得载波相位观测值，从而得出待定点为的坐标或两点间的坐标值，称为基线测量，短基线测量可以消除SA影响动态测量解决SA影响的途径是实时差分定位（称Real-time DGPS）,即在已知坐标点上布设基准点，通过基准站取得误差校正值，通过数据链实时传给导航定位的移动站，从而消除SA影响及两站的各种共同的误差，提高了移动由的导航定位精度。

加滤波等处理的导航软件以及组合导航系统，已使导航定为定位精度差分距离在100Km左右时达到米级，差分距离远于1500Km时达到米恩1.8美国的SA技术与AS影响 SA技术是选择可用性（Selective Availability)的简称，它是由两种技术使用户的定位精度降低，即δ（dither)技术和ε（epsilon)技术Δ技术是人为地施加周期为几分钟的呈随机特征的高频抖动信号，使GPS卫星频率10.23MHz加以改变，最后导致定位产生干扰误差；ε技术是降低卫星星历精度，呈无规则的随机变化，使德卫星的真实位置增加了人为的误差AS技术（Anti-Spoofing）叫反电子欺骗技术，其目的是为了在和平时期保护其P码，不让非授权用户使用；战时防止敌方对精度导航定位作用的P码进行电子干扰AS技术使得用C/A码工作的用户无法再和P码相位测量联合解算进行双频电离层精密测距修正，实际降低了用户定位精度1.9 传播误差 静态GPS基线观测方式要求至少俩台接收机，因为在基线测量过程中，一台接收机的位置是相对于另一台来确定的GPS处理 数据的过程就是比较已知参数点和未知站点间的差值，未知站点坐标的测量精度由起算点的精度决定，因此，虽然GPS观测的相对精度很高，测量网的绝对精度却只能由已知参考点的精度所决定，未知点的误差以参考点的误差继续传播。

2 减少误差所应采取的措施由于GPS观测具有观测距离长，不 受同时条件限制等优点，因此，对点位布设有很大的灵活性各点之间一般保证有两个以上通视方向，在建成区内，控制点一般选在较高的建筑物上或地形较高的位置上，部分点选在视角开阔的路面上根据建立控制网的目的和要求，经实地踏勘后，在求得范围内补设点点位基本要求如下1） 便于安置和操作GPS接收机，为避免多路径效应的影响，除去点位四周应是开阔地带外还应尽量保持点位附近无大面积的水域或大型建筑物及反射物等2） 现场中，不应有高于1°的成片障碍物，高度大于15°的零星障碍物的水平投影之和应小于20°高度大于20°的障碍物的水平投影之和应小于10°3） 距离高压线、变电站等设施不得小于200m，在400m范围内不得有强功率的电台、电视台、微波站等，避免接收机的前置放大器损坏和接收机接受信号产生干扰4） 地面基础一定要稳定，易于点的保存；交通方便，有利于其他测量手段扩展和联测5） 在布网设计中应顾及原有城市测绘成果资料，以及各种大比例尺的沿用，宜采用原有城市坐标系统凡符合GPS网布点要求的旧控制点，应充分利用其标石6）GPS网应由 一个或若干个独立观察环构成，也可采用 附合线路式构成。

各等级GPS网中每个闭合环或附合线路中的边数应符合表2的规定各等级GPS网的主要技术要求应符合（表3）的规定相邻点最小距离应为平均距离的1/3～1/2，最大距离应为平均距离的2～３倍在作业过程中，在GPS接收机满足作业精度要求的情况下，测量的主要误差源是多路径误差、周跳和点位的对中误差作业中应尽量避免它们的发生，并减少其误差3 结语GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性GPS接收机观测基本实现了自动化、智能化，且观测时间在不断减少，大大降低了作业强度，观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影响但由于个别点的选定受地形条件限制，造成树木遮挡，影响对卫星的观测及信号的质量，经重测后通过因此，应严格按有关要求选点择最佳时段观测，并注意步话机等对设备的]干扰参考文献[1] 许其凤，GPS卫星导航于精密定位[M]北京：解放军出版社，1994.[2] 李硫磷，等在长距离GPS相位定位中的矢周处理[A].北京:测绘出版社,1996.[3] 徐绍铨,张华海,杨志强,等.GPS测量原理及应用[M].武汉;武汉大学出版社,2001.附表：表1。