影响GPS测量的误差及基线解算优化处理法

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[摘要]从世界范围的来看，科学技术正处速发展的阶段，不论是发达国家还是发展中国家。在科学技术范畴中，GPS技术的应用越来越广泛。在生活生产中的影响也越来越重要。尤其是gps测量技术。但是由于各种限制，GPS在测量方面还存在着很多不足。其中误差对于GPS测量的影响非常大。下面就对这些误差造成的影响进行一下浅要的分析，再以TGO软件作为分析例证，探究一下利用基线解算优化的方式来处理部分误差而使用的相对应的措施。

[关键词]GPS测量 质量 优化

[中图分类号]P2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-9-118-2

GPS测量技术已经不断的发展成为我国各行业中都离不开的应用技术。他的发展对于生产生活有很大的促进作用。但是在测量技术的应用过程中，由于测量是需要通过GPS接收卫星发回的信号，进而确定地面上的三维定点坐标，这个过程中会产生很多影响测量的误差，为后续的数据处理工作带来了严重的影响。尤其是GPS基线向量解算，占据了数据处理工作的大部分时间。因此，本文从影响测量精确度和质量的误差产生源头入手，对误差进行细致的分析，并以根据误差作为切入点提出了优化处理的相关措施。

1对GPS产生影响的相关误差的分析

在GPS的测量过程中，对其产生影响的误差源主要分为三大类：第一类是跟信号传播相关的误差，第二类是跟参考系与接收机相关的误差，第三类是与GPS卫星相关的误差。其中根信号的传播相关误差分别包括相对论和多路径相应、电离层和对流层的折射；跟卫星相关的误差分别包括轨道误差与卫星钟差两种；跟参考系以及接收机相关的误差分别有：固体潮与地球旋转产生的影响、接收机的钟差与天线相位的中心偏差。接下来我们就对相关的误差源及误差产生进行一下细致的分析。

1.1跟信号传播相关的误差

①对流层的折射。对流层就是指距离地面大约40千米以上范围内的大气层，它的质量约占大气层总质量的百分之九十九。对流层具有非常强的对流作用，自然现象中的雾、雪、风、雨等现象都是在这里产生的。然而随着时间、季节、纬度等因素的改变，对流层中所含物质成分也在发生着改变。这种改变对信号的接收造成了巨大地影响。在对流层中发生的电磁波的折射效应我们称之为对流层的延迟。

②电离层的折射。从电磁波的传播角度来分析，距地面50千米以上的大气层我们称之为电离层。由于太阳的辐射，存在于电离层中的大气被电离，转变成自由电子与正离子的形式，广布在电离层中。形成弥散的介质。进入到电离层中的电磁波，会被带电粒子所影响，从而在传播速度上出现了改变。在中纬度区域当中，测站的天顶方向电离层的延迟在白天大概会达到10米左右，而到了晚上大概也会在1～3米左右，当卫星本身高度角小于10度的时候，电离层延迟可能会达到10～45米左右，对信号传播造成的影响非常大。

③多路径效应。在理想状态中，接收机接收卫星信号的路径应该是两点一线，从卫星直接到接收机天线。但是实际情况却不是这样的，实际上，天线的附近会存在一些反射物质，所以在接收信号的时候接收的是卫星发来的直射信号和物质反射产生的反射信号。两种信号同时接受造成了测量值出现附加时延量的现象。而我们将这种现象称作是多路径效应。这种效应造成的后果就是载波相位的观测量出现周跳的现象，更为严重的时候还会导致信号失锁的现象发生。

④相对论效应。从相对论的角度出发，卫星时钟和接收机的时钟在相同的惯性体系中所具有的运动速度是不同的。相对与接收机的时钟来说，卫星时钟在频率上会产生偏移，导致卫星时钟变慢。再因地表引力位与卫星所在空间中的引力位不同，也会导致振荡器的频率产生相对的变化，这种变化就是引力频移。引力频移所产生的影响就是导致卫星时钟变快。

1.2跟参考系以及接收机相关的误差

①接收机的钟差。接收机所使用的振荡器与卫星不同，卫星是以原子振荡器作为频标的，而接收机的频标则是石英晶体振荡器，其性能相较于原子振荡器相差很大，由此而引起的误差可能会达到300米左右。

②在GPS测量过程中，观测值是以接收机的天线相位作为基准的，从理论上讲，天线的相位和天线的几何中心应该是一致的。然而事实上，天线具有的相位中心是不停发生变化的，它主要取决于所要接收信号的频率、高度角、强度以及方位角等，在观测时，天线的相位中心所具有的瞬间位置与他理论上位置会有所变化，这样的偏差被命名为天线的相位偏差。

1.3跟GPS相关的偏差

①卫星钟差。GPS测量的精度很大程度上都要取决于测时精度，不管是GPS载波相位的测量，还是GPS伪距的定位，对于卫星钟和接收机的同步性要求非常高。虽然卫星本身具有的是精度较高的原子钟，但是相对于理想的GPS时间还是存在着不小的偏差，所以叫做卫星钟差。如果卫星钟差不经过任何的技术处理和改正，那么由它引起的等效距离上的偏差可以达到300米左右。

②轨道误差。轨道误差是指真实轨道与根据广播星历而得到的卫星轨道之间存在的差别。如果使用GPS的广播星历来求得卫星轨道，那么其位置产生的误差大概在20～30米之间，若使用IGS所提供的后处理星历，其相应在位置上产生的误差将会优于1米。但是像这样的后处理星历一般情况下是很难获得的。

2 GPS的基线解算优化处理方法和分析

2.1影响解算误差的判别与基线解算优化处理的方法

①解算起点坐标不够精确。在进行基线解算时，首先要有一个点的WGS―84作为起算坐标，若没有一个准确的起点坐标，就会致使基线出现方向上和尺度上的偏差，这种偏差造成的影响对于目前来说，还没有一个比较好的方法来进行判别，所以，只能是工作人员在解算时一定要注意起点坐标的精确程度，尽可能使精确程度达到最高，才能比较有效的避免这种情况发生。

要想对基线起点不精确问题进行处理，最好就是在解算时能够选择一个精确度比较高的点作为解算的起点坐标，这个点可以通过长时间的定位获得，也可以对WGS―84中较为准确的点进行联测得来。还可以通过对整网进行基线解算的时，取相同的点作为起点坐标，其他坐标都由其衍生而来，使得最后结果都具有统一的某一个系统的偏差，然后在GPS网的平差处理过程中，利用系统参数的后续方法进行解决。

②对少数卫星观测的时间太短。如果对卫星观测时间过短，就无法对所观测卫星的整周未知数进行准确的判定。对于整个基线结算过程来说，如果不能准确的判定参与计算卫星的整周未知数，将会对整个基线运算结果造成质量上的影响。TGO软件之中，可以通过卫星的可见性图来判断观测卫星所用时间的长短，因此，如果发现观测时间过短的卫星，可以将其观测数据从解算过程中删除，以此来确保解算结果的质量与准确性。

③个别时间段或者个别卫星里出现的周跳过多、过于频繁。周跳过多对于后续的周跳修复工作非常不利。周跳修复工作若是不完善，对于确定卫星的整周模糊度会造成很大的阻力，从而影响到最后的解算质量。卫星的观测值中频繁出现周跳的现象，可以从TGO软件解算后的观测值的残差上或者是卫星的观测数据来判断。

现阶段许多软件都采用的是双差观测值。在某一测站的卫星观测值中，如若含有未修复周跳，那么和其相关的双差观测值都会出现明显的整倍数增大现象。

若在同一时间内有多颗卫星频繁发生周跳，则可以将该时间段内的周跳数据全部删除，从而达到提高基线解算质量的目的。若是只有个别的卫星发生频繁性周跳，那么可以将该卫星的周跳观测数据删除，以此达到提高解算质量的目的。除此之外，还可以利用观测该区域的可见性图表来更改观测的时间段，跳过周跳频繁的观测时间。

④电离层或对流层的折射和多路径效应的影响。在观测期间，多路径效应对于与观测值相关的改正数的影响比较大，能够使改正数普遍的增大。随着该效应的严重程度而发生改变，对于基线的向量质量也会产生不同程度上的影响，尤其对向量水平方向的影响比较大。电离层或者是对流层的折射能够影响整周未知数的确定，进而影响到解算质量，并且也会随着折射程度的不同而造成不同程度的影响，尤其是对基线向量垂直方向上的影响较为严重。以上两种影响的判别，我们也可以利用观测值残差的曲线图表来进行。但是其中与周跳存在着很大的差异，以上两种影响呈现在残差图上不像周跳那样产生整数倍的增大，而是恰恰相反，呈现出的是非整数倍增大，并且通常不会超过一个周期，但又明显的比正常的观测值残差要大。

对于多路径效应产生的影响，我们可以采用缩小编辑因素的方式来刨去残差比较大的观测值。除此之外，也可以使用删除影响较为严重的卫星或时间段的方法来消除这种影响。对于折射影响较为严重这一问题，可以利用提高截止高度角 的办法来消除容易受到电离层或者对流层影响的观测数据。还可以利用模型改正电离层与对流层延迟，提高解算的精确度，提高解算质量。

3小结

根据多方面的工作实践与总结，对于基线解算的优化处理可以遵循以下几点原则：

①为了确保基线处理质量，在进行作业之前要对GPS接收机等设备进行严格的检查，保证设备一切正常。

②在影响解算质量的因素当中，观测条件算是最为基本的。所以，在测点的选择上，必须注意周围的环境因素，尽可能的避开大面积水域或者是高大的建筑物，避开强磁或者大功率的无线电装置干扰。

③基线解算的起点坐标一定要精确，并且尽量采用后处理星历来进行基线的解算。

④注意对各监测图表的分析，找出出现问题较多、较频繁的时间段和卫星，并将其剔除，提高基线解算质量。

参考文献

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[2] 殷学涛.庄志伟.李洪艳.解决TGO软件应用中的不足[J].物探装备，2008，18（2）：45-46.

[3] 李宗华，侯金根，张予杰.影响GPS测量的误差分析及基线解算优化处理方法[J].全球定位系统，2008，33（2）：24-25.