GPS测量误差的成因分析及应对策略探讨

张坤

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南 长沙 410004

1 GPS测量误差的成因分析

1.1 卫星相关的误差

1.1.1 星历误差。星历误差也叫轨道误差，主要是由起算数据误差所导致。通常来说，定轨站数量多少及空间分布的位置、定轨的力学模型及应用软件、观测值精准度、星历外推时间间隔等都可能造成轨道误差。星历误差的存在会直接影响到单点定位、相对定位等的精度，是造成GPS测量中星历误差的主要来源。

1.1.2 卫星钟差。受卫星钟随机误差以及钟差、频偏、频漂等各方误差因素的影响，导致即使有再高精度的卫星钟，与理论GPS标准时间相比，也会或多或少会出现一些偏差。根据测算，卫星钟如果有0.1～1ms的偏差总量，就可能造成30～300km的测距误差[1]，所以，在正常操作时，很难实现GPS测量完全精准定位的要求。

1.2 信号传播相关的误差

1.2.1 电离层折射误差。GPS信号传输通过电离层时，其传输速率会发生延迟，路径也会产生一定的偏转，所以测量结果也会出现一定的偏差。一般来说，电离层电子总量和信号频率直接决定了GPS信号的传输速率和传输路径，其中，在夜间时，天顶方向的卫星，受电离层折射的影响最小，由此而造成的误差也最小；在白天正午时分，靠近地平面的卫星，受到电离层折射的影响最强，由此而造成的误差也最大，有的甚至达到150m[2]。因此，在GPS测量作业时，要充分考虑电离层折射影响并采取有效处理措施，以免对GPS测量精度造成干扰。

1.2.2 对流层折射误差。对流层的大气密度比电离层更大，且大气状况也更加复杂，在GPS信号传输通过时，其传输路径会出现偏转，造成测量距离偏差，即对流层折射形成的误差。一般来说，对流层折射对GPS观测值精准度的影响，主要为干分量和湿分量影响。不同位置的卫星，两种影响的比重各有不同，其中在天顶方向的卫星，干分量影响约占90%左右。

1.2.3 多路径误差。GPS测量作业时，测站周边的物体也在反射GPS信号，并将信号反馈至接收天线，或者周边物体自己产生电磁辐射信号，接收天线既收到了正常信号，也收到了其他反馈信号，形成叠加效应，从而影响了GPS观测的精准度，这种干扰现象就称为多路径误差（图1）。多路径误差也是GPS测量精度误差的主要来源之一，其不仅会使GPS测量精度大打折扣，而且还有可能在高反射环境中造成接收机信号失锁。

1.3 接收机相关的误差

1.3.1 观测误差。观测误差多是与人为操作失误、读数马虎所导致，主要包括：①人为读数错误或观测时间不当、时间过短引起失误；②接收机天线安置不规范，相位中心出现偏离；③流动站未严格对中或立直固定不稳等。根据实践经验发现，GPS观测误差约为信号波长的1%，由此，GPS码信号与载波信号的观测精度如下表1所示[3]：

表1 码信号与载波信号的观测误差

1.3.2 接收机钟差。GPS接收机主要是石英钟，虽然其有着较高的精度，但是和标准的GPS时间还略有不同，存在同步差。根据测算，接收机钟与卫星钟差1μs，就会出现大约300m的距离误差[4]。

1.3.3 天线相位中心偏差。天线相位中心偏差是指因GPS信号输入强弱、方位不同和高度角差异等，使得实际天线相位中心的瞬间位置与理论有一定的偏差。一般来说，天线性能优劣会对这种偏差有一定的影响，通常在几毫米和几厘米之间。GPS测量中，单点精密定位的要求更加严格，因此，务须要消除天线相位中心偏差对其的影响。

2 GPS测量误差的应对策略

2.1 卫星相关误差的应对

2.1.1 星历误差的应对。对于星历误差可采取如下3种措施：一是，采用精密的星历，即建立完善的区域性卫星跟踪网，并进行独立定轨，这样可以防止外国故意降低星历精度的可能性，使得单点定位更加精准，从而提升了相对长基线的定位精度。二是，采用轨道松弛改进法，即在平差模型中，根据星历所指定的卫星位置，将其作为已知数，并按照平差计算法，计算得出GPS测站的位置和轨道改正数。三是，采用同步观测求差法，消除两个不同测站的误差，进而减少卫星星历误差的影响。

2.1.2 卫星钟差的应对。卫星钟差的处理可以使用连续监测法，即对卫星钟的运行状态连续监测，确定出现误差的大小，通过广播星历钟的钟差改正数做出改正。一般来说，改正后的卫星钟能控制在20ns以内，使测距误差不超过6m[5]。若再采用相对定位或差分定位法，可进一步降低卫星钟差，提高GPS测量精度。

2.2 信号传播相关误差的应对

2.2.1 电离层折射误差的应对。

2.2.1.1 使用双频观测。对于不同频率的电磁波信号，在电离层中传输的过程中，所受到的折射影响也有所不同，故而在被接收机接收的时间也会不同。根据这一原理，可以发射双频信号，在接收到双频信号值以后，通过观测值可以计算出电离层延迟量，由此可以修正GPS测量观测值，减少误差的影响。

2.2.1.2 同步观测值求差。在基线长度较短的两个观测站，电磁波传输的环境、路径基本一致，在同步观测时，其量差可以作为电离层折射的修正值。根据这一原理，可使用≥2台的接收机，在基线两侧同时观测同一卫星，这样可以获取观测值的量差，进而作为电离层折射对GPS测量精度的修正值。但是这种方法适用于测站距离较短（＜20㎞）的情况下，如果测站距离较长，同步观测的环境将会发生改变，其观测值量差不足以作为电离层折射的修正值，也会影响GPS测量的精度。

2.2.1.3 合理选择观测时段。GPS信号传输中电子含量多少会直接影响到电离层折射误差，而在太阳光的作用下，电子含量将会增多，故而在GPS测量时尽量选择在没有太阳的时间段，这样可以有效降低电离层折射误差所造成的影响。

2.2.2 对流层折射误差的应对。

2.2.2.1 建立对流层延迟模型。根据测站区气象环境等资料，结合误差建立改正模型，并根据模型对误差进行修正，这样能有效减少约92%对流层折射对GPS测量定位精度的干扰[6]。

2.2.2.2 进行同步观测求差。观测方式和电离层一样，在两个距离较短的观测站，同步传输GPS信号，同步观测得出对流层延迟差，进而作为GPS测量精度的修正值。对于部分GPS测量作业对定位精度要求不高时，可以忽略对流层影响。

2.2.3 多路径误差的应对。

2.2.3.1 选择适宜观测站点。首先，GPS测站对周边自然环境要求较高，如周边有湖河、盐碱、金属矿等，会产生较为强烈的反射波，干扰GPS信号，所以要选择草地、低矮灌木丛植被或者粗糙翻耕过的地面区域，这样可以有效吸收GPS信号而避免形成反射波；而高大建筑物会遮挡GPS信号传输，特别是建筑墙面的材质会反射信号，一旦被GPS接收，会干扰其测量精度。其次，GPS测站对电磁辐射要求较高，应尽量避开电磁辐射强的区域，例如雷达、电台、基站、信号发射塔、微波中继站等自身都有较强的电磁辐射，在接收到GPS信号时，不仅会反射，还会将自身的电磁辐射传输出去，容易造成GPS天线单元受损，且汽车等交通工具也会反射电磁波，所以测站附近尽量不停放汽车。另外，如果GPS测站区域具有较强的反射波，且已经定位不能更改，那么就需要在后期作好改进，以减少多路径效应所造成的误差，具体做法如下：增高GPS天线高度，尽量超越干扰区域；采用大偏心观测法，尽量规避反射波的干扰；将观测到的多路径效应时段直接去除，减少多路径误差的影响。

2.2.3.2 优化接收机天线布设。考虑到多路径效应误差，需要选择性能更好的微带天线，同时在天线下方设置抑径板或抑径圈，这种抑径板或抑径圈能有效屏蔽地面反射波，较为完整的接收到GPS信号，并能消除30%左右的多路径效应误差[7]。在选择抑径板时，其半径的计算如下（图2）：

2.3 接收机相关误差的应对

2.3.1 观测误差的应对。观测误差以人为性、偶然性居多，可以对前文提出的问题做出针对性处理。如适当延长观测时长，合理确定观测时段能减少或规避分辨误差；按照要求规范安装接收机天线，各项设备调试达标，进行标准化、程序化作业，可以减少或规避相位偏差、稳定误差等，提高GPS测量精度。

2.3.2 接收机钟差的应对。对于单点定位，可以用未知数方程式进行求解，构建钟差模型，将不同观测时刻导入，标识出时间多项式，再用平差计算系数，确定接收机钟差的修正数。对于一些特殊测量段，对定位精度要求较高，可以使用精度较高的设备，如铷（Rb）原子钟或铯（Cs）原子钟能有效减少钟差，提高测量精度。

2.3.3 天线相位中心偏差的应对。可以使用同步观测方式予以解决，需考虑2个前提，一是天线的类型相同；二是使用≥2个且距离较短的测站，同时同步观测同组卫星，这样就能得到观测量差，进而减少天线相位中心的干扰。使用这种方式要确保每个测站的天线都要定向方位，且每个定向偏差＜3°。

3 结束语

GPS测量误差的成因众多，若未经妥当防控，则极易导致测放精度难以达标。因此，务须高度关注，提前采取一系列妥当防控举措，并在测量作业时谨慎操作、反复校验，从而使得GPS测量的测放结果精准、可靠，以为后续施工的顺利开展打好根基。