浅析GPS定位短基线存在误差及定位精度的提高
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摘要：近年来，我国在城市测量、精密工程测量，变形测量等领域工作中普遍采用了 gps 技术，对测绘数据资料的精度和加快工程的进度起到了不可替代的作用，但是在利用GPS进行定位测量时，也会受到诸多因素的影响，产生定位误差。本文通过简要分析 GPS 测量误差的来源，进而探讨了GPS定位短基线产生误差原因及提高定位精度的措施。
关键词：GPS定位；短基线；误差；精度
Abstract: in recent years, our country in the city, precision engineering survey measurement, the measurement of deformation field work is popular in the GPS technology, for surveying and mapping data precision and speed up the progress of the projects have played an indispensable role, but in the use of GPS positioning measurement, is also under the influence of various factors, produce the positioning error. This article through the analysis of GPS measurement error sources, and then discusses the GPS positioning error produces short baseline reason and improve the precision of the measures.
Keywords: GPS positioning; The short baseline; Error; precision
中图分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号：
一、GPS 测量产生误差原因
GPS定位测量时影响GPS定位精度的因素主要包括：与 GPS 卫星有关的信号误差、卫星星历误差、卫星钟差、卫星信号发射天线相位中心偏差等；与传播途径有关的电离层延迟、对流层延迟、多路径效应；与接收机有关的接收机钟差、接收机天线相位中心偏差、接收机软件和硬件造成的误差、接收机的位置误差、周跳对点位坐标的影响等；以及控制网布设不合理或起算数据利用不合理引起的误差、GPS 控制部分人为或计算机造成的影响、由于 GPS 控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。
二、短基线相对定位主要特点
（1）短基线定位精度高，基线两端的相关性强。在变形监测、姿态定位等高精度工程测量时一般会用到短基线，而且对基线的精度要求很高，要尽一切方法降低误差，提高定位精度。由于短基线两端点之间非常接近，因此信号在传输过程中经过的路径也较近，导致各种影响范围接近，因此基线两端所受到的误差影响有很强的相关性。
（2）整周模糊度的整数特性。准确的确定整周模糊度是提高 GPS 定位精度的关键因素，短基线在 1 小时(甚至更短)的时间内均能得到 100%的整数解。
（3）精确的周跳探测与修复。如果 GPS 接收机在整个观测时段中始终保持锁定卫星信号，则载波相位观测值是连续的。有时由于障碍物遮挡视线或无线电干扰等原因引起卫星信号短时间失锁，而使相位观测值发生周跳。周跳只引起相位观测量的整周数发生跳跃。对于短基线，周跳探测和修复尤为重要，很小的周跳都将对基线的解算精度产生重大影响。周跳探测和修复的程度直接影响着定位的精度。而小于 5 周的周跳的检测是很困难的，有些接收机由于设计原因还会产生半周跳、1/4 周跳等，这就更增加了周跳检测的难度，容易产生周跳误检或漏检。
（1）大气折射的影响与改正。地球大气层根据性质不同分为对流层和电离层，当电磁波穿过不同的大气层时，产生的折射性质也不同。对于短基线测量，大气折射误差即可根据基线两端相关性特点在双差模型中消除，也可对对流层和电离层分别建立模型进行改正，一般情况下均能取得很好的效果。
①对流层折射延迟及其改正。对流层是指高度 40km 以下的大气层，由于离地面较近，大气密度很大，大气的状态随地面的气候变化而变化，折射情况较复杂。对流层大气对于大约 15GHz以下的射电频率呈中性，信号传播产生非色散延迟，使电磁波传播路径比几何距离长，因而这一延迟通常叫做过剩路径长度。在天项方向对流层折射延迟大约为2.3m，在85o天项角方向大约为25m。对流层延迟的90%是由大气中干燥气体引起的，称为干分量；其余10%是由水汽引起的，称为湿分量。由于大气层中的水汽分布在时间和空间上变化很大，其折射误差很难准确预测，现有的改正模型只能改正湿分量的 80%。因此，湿分量成为限制对流层延迟改正精度的主要因素。另外，在小网短基线的数据处理中，所有测站上用测区平均气象元素或标准气象元素计算对流层改正效果更好。
②电离层折射延迟及其改正。电离层是指大约 50km~1000km的大气层。受太阳辐射作用，电离层中的物质被电离成正离子和自由电子的形式。电磁波的入射使带电粒向不同的方向运动，从而产生一附加的辐射波，并叠加到入射波上，这就是电离层对电磁波的折射作用。电离层折射作用使入射波的相位传播速度(相速度)加快，而波内能量传播速度(群速度) 减慢。路径上的电离层延迟一般在30ns~150ns(相当于 9~45m)之间变动。在短基线精密定位中主要考虑的是相位延迟。在一般情况下，测区气象条件相对稳定，大气折射可以通过模型化改正或者通过站间差分来充分消除。由于大气层变化有很大的随机性，大气折射对基线的影响并不与基线长度成比例，特殊情况下大气折射仍可能对短基线精度产生很大影响。特别是当测区气象条件变化剧烈时，如观测时段内湿气变化较大(如夏季雨后天晴)，或者电离层中电子密度变化频繁时(如太阳黑子活动期)，更应考虑大气折射的影响。可采用在一定的时间段(如 1 小时)增加一个大气折射改正参数的方法来进一步消除经模型化改正或者站间差分改正后剩余的残差。
（2）测量误差及天线相位中心偏差的改正
①测量误差。GPS 测量误差主要包括观测的分辨误差和天线安置误差。观测的分辨误差属于偶然误差，一般认为约为信号波长的 1%，对于 L1 载波约为 2mm，可通过重复观测来提高精度。在短基线精密定位中，每条基线应保证 1.5 小时至 2小时的观测时间。天线安置误差包括对中误差、整平误差及天线高测量误差。高精度精密定位中，一般采用强制对中的观测墩，天线安置误差可控制在 0.1~0.2mm。
②天线相位中心偏差。天线相位中心偏差是指接收机的天线相位中心与测站标石中心的偏差。可以归入天线安置误差。其二是指由于接收的信号强度的变化，使得天线的瞬时相位中心与几何中心产生偏差，这主要涉及天线设计和制造问题。在实际工作中，整网观测宜采用同一类型天线，天线定向偏差保持在 3 度以内，采用差分模型来消弱天线相位中心偏差的影响。另外，宜采用象扼流圈天线这样有较好的相位中心稳定性的天线。
（3）基线解算时地面起始点坐标引起的系统误差
在基线解算中，需要一个起算点，起算点的精度将影响基线解算的精度。而 GPS基线解算时，往往采用单点伪距定位的坐标作为近似坐标，其精度为数米或数十米，必然会影响到基线定位的精度。如以起算点坐标误差对基线的影响量 0.1mm为限，对于超短基线(小于 2km)，其起算点坐标精度应优于 lm。只需将起算点与国家 A, B级网点联测半小时以上即可得到。网中基线长度超过 2 公里时，最好以国家 A、B 级点作为起算点，或者起算点与国家 A 级点同步联测1~24小时。
三、结论
在短基线相对定位中，大多数误差由于可以很好地模型化，或者可以采用站间、星间差分的差分模型很好消除，剩余残差对基线定位的影响对于0.5~2mm 的精度要求来说，可以忽略不计；起算点的误差将导致 GPS 网基线向量产生一个系统误差。这种误差与起算点的精度及基线长度有关，要取得高精度的 GPS 精度定位结果，单点定位的坐标作为起算数据显然是不够的。需将起算点与国家 A、B 级网点联测，以克服起算数据对定位精度的影响；周跳检测与修复的算法直接影响着定位的精度，只有很好地处理了周跳才能达到满意的结果，可采用小波分析法、拟准检定法等算法，甚至人工干预，或者在周跳位置加入新的整周模糊度参数来解决；大气折光差在测区气象条件稳定的情况下，一般可以不考虑。但在一些特殊情况下，如空气中水汽含量变化剧烈、太阳黑子活动期等进行观测时，则要加以考虑，可采用在若干历元设置一个气象改正参数的方法来解决
参考文献：
[1]曾卫锋. 短基线控制网GPS静态定位精度与观测时间关系的探讨[J]. 四川水力发电,2010,(S2).
[2]许承权,范千,杜刚. GPS天线相位转绕误差及其对GPS精密单点定位的精度影响分析[J]. 测绘与空间地理信息,2011,(5).
[3]邱蕾,花向红,蔡华,伍岳. GPS短基线整周模糊度的直接解法[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2009,(1).