【文章內(nèi)容簡介】 機的點位。若按定位方式， GPS 定位可分為絕對定位和相對定位。絕對定位是根據(jù)一臺接收機觀測的數(shù)據(jù)來確定接收機位置，它只能采用偽距觀測量。相對定位就是利用兩臺以上的接收機的觀測數(shù)據(jù)確定觀測點間的相對位置，即可以采用偽距觀測量，也可以采用相位觀測量。 絕對定位原理 絕對定位又稱為單點定位 ,指在協(xié)議地球坐標(biāo)系中 ,直接確定觀測站相對于坐標(biāo)原點絕對坐標(biāo)的定位方法。其基本原理是以 GPS 衛(wèi)星與接收機天線間的距離 (或距離差 )觀測量為基礎(chǔ) ,根據(jù)已知的衛(wèi)星的瞬時坐標(biāo) ,確定用戶接收機天線對應(yīng)的點位 ,也就是觀測站 位置。 絕對定位的實質(zhì)就是測量學(xué)中空間距離后方交會。在一個觀測站上有 3個獨立的距離觀測量就夠了 ,但由于 GPS 采用的是單程測距原理 ,同時用戶接收機鐘與衛(wèi)星鐘難以保持嚴(yán)格的同步，因此實際觀測的測站至衛(wèi)星間距離受到衛(wèi)星鐘和接收機鐘同步差的影響 (所以叫做偽距 )?？梢杂脤?dǎo)航電文給出的鐘差參數(shù)修正衛(wèi)星鐘差，但接收機鐘差一般難以預(yù)先準(zhǔn)確確定，常把它作為一個未知參數(shù)，在與觀測站坐標(biāo)在數(shù)據(jù)處理中一并求解。 如何提高 GPS 在工程測量應(yīng)用中的精度 1 相對定位原理 相對定位基本情況是將兩臺 GPS 接收機分別安置在基線兩端，同步觀測相同衛(wèi)星，確定基線端點在協(xié) 議地球坐標(biāo)系中相對位置或基線向量。當(dāng)把多臺 GPS 接收機安置在若干條基線的端點時，同步觀測 GPS衛(wèi)星，能夠確定多條基線向量。 由于兩個或多個觀測站在同步觀測相同衛(wèi)星時，衛(wèi)星的鐘差、軌道誤差、電離層和對流層的折射誤差和接收機鐘差等誤差的影響有一定的相關(guān)性 ,因此利用這些觀測量不同的組合，相對定位，就能有效地減弱上述誤差的影響，提高定位精度。 根據(jù)接收機在定位過程中所處的不同狀態(tài) ,相對定位分為靜態(tài)和動態(tài)。靜態(tài)相對定位是設(shè)置在基線端點的接收機是固定的，這樣可以通過連續(xù)觀測取得足夠的多余觀測數(shù)據(jù) ,來改善定位精度。當(dāng)前普 遍采用在觀測值之間求差的方法來提高相對定位的精度。 ：對不同測站，同步觀測相同的衛(wèi)星所得觀測量之差。因為兩個測站在相同時刻對同一衛(wèi)星來說，它的星歷誤差、衛(wèi)星鐘差等與衛(wèi)星有關(guān)的誤差相同，所以站間單差能夠消除與衛(wèi)星有關(guān)的誤差。對距離兩萬千米以上的衛(wèi)星而言，地面測站間距離一般只有幾千米到幾十千米，所以衛(wèi)星到不同測站之間的路徑基本是相同的，因此大氣折射帶來的誤差對兩測站的同步觀測值有一定的相關(guān)性。兩測站間的距離越小時，相關(guān)性就越大，對單差觀測量的影響就明顯減弱。 ：同一測站不同衛(wèi)星的同步觀測 量之差。星間單差可以將與測站有關(guān)的誤差如接收機鐘差的影響大大減弱甚至消除。星間單差可用于單點定位，能夠提高絕對定位的精度。 ：對站間單差再次在星間求差。站間求差能夠消除或很大的減弱與傳播介質(zhì)和衛(wèi)星有關(guān)的誤差影響，在衛(wèi)星間求差則可消除或減弱與測站相關(guān)誤差的影響，因此接收機鐘差就可忽略。站星雙差的觀測量精度很高，主要用于相對 定位。 ：對二次差再次求差成為三次差，稱為三差或載波相位觀測值的三次差。常在衛(wèi)星、接收機和歷元間求三次差。三次模型消除了整周未知數(shù)，因而能夠快速提供測站的近似坐標(biāo)。因為 三次求差使觀測方程數(shù)目明顯減少，可能對未知參數(shù)的解算產(chǎn)生不利影響。所以實際工作中一般不用三差模型，而是多采用站星雙差模型。 靜態(tài)相對定位一般采用載波相位觀測值作為基本觀測量，這種方法是當(dāng)前 GPS 定位精度最高的方法，廣泛應(yīng)用于工程測量、大地測量和地殼變形監(jiān)測等精密測量領(lǐng)域。動態(tài)相對定位是把一臺接收機安置在基準(zhǔn)站上固定不動，另一臺接收機安置在運動的 1 載體上，然后兩臺接收機同步觀測相同衛(wèi)星，觀測運動點相對基準(zhǔn)站的實時位置。根據(jù)采用觀測量的不同，動態(tài)相對定位又分為測相偽距動態(tài)相對定位和測碼偽距動態(tài)相對定位。目前測碼偽 距動態(tài)相對定位法的實時定位精度可達(dá)到米級。以相對定位原理為基礎(chǔ)的實時差分 GPS定位由于可有效地減弱鐘差、星歷誤差、大氣折射等誤差的影響， 其定位精度遠(yuǎn)比偽距動態(tài)定位的精度高，普遍應(yīng)用在運動目標(biāo)的監(jiān)測、導(dǎo)航和管理等方面。測相偽距動態(tài)相對定位法是一種以預(yù)先初始化或動態(tài)解算載波相位整周未知數(shù)為基礎(chǔ)的 高精度動態(tài)相對定位法。目前在較小的范圍內(nèi) (如 20km)獲得了成功應(yīng)用，定位精度可達(dá)到 1～ 2cm。 差分 GPS 定位原理 根據(jù) GPS 基準(zhǔn)站發(fā)送信息的方式，差分 GPS 定位可分為位置差分、相位差分和偽距差分 三類。這三類差分方式的工作原理相同，都是基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，然后用戶站接收，對其測量結(jié)果改正以得到精確的定位結(jié)果。不同的是當(dāng)發(fā)送改正數(shù)的內(nèi)容不一樣時，其差分定位精度就不同。 最簡單的一種差分方法，任何 GPS 接收機都能夠改裝和組成這種差分系統(tǒng)。其原理是安裝于基準(zhǔn)站上的 GPS 接收機在觀測到 4顆衛(wèi)星后就可以進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站坐標(biāo)。因為存在有時鐘誤差、軌道誤差、大氣影響、 AS 影響、多徑效應(yīng)和其他的誤差，解算出來的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站已知的坐標(biāo)不一樣，有誤差存在。利用數(shù)據(jù)鏈基準(zhǔn)站將改正數(shù)發(fā)送出去，用戶 站接收，然后改正其解算出的用戶站坐標(biāo)。最后得到已消去了基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差的改正后的用戶坐標(biāo)，如大氣影響、 SA 影響、衛(wèi)星軌道誤差等，有效提高定位精度。用戶站和基準(zhǔn)站觀測同一組衛(wèi)星是上述情況的先決條件。位置差分法適用于基準(zhǔn)站和用戶的距離在 100km 以內(nèi)的情況 [12]。 目前偽距差分是 GPS接收機中用途最廣的一種技術(shù)，大部分的商用差分 GPS 接收機都采用了這種技術(shù)。國際海事無線電委員會所推薦的 RTMC SC— 104 就采用了這種技術(shù)?；鶞?zhǔn)站上的接收機計算得出它與可見衛(wèi)星的距離，把計算出的距離同 含有誤差的測量值進(jìn)行比較，再利用 濾波器把它們的差值濾波，求出其偏差。然后所有衛(wèi)星將測距誤差傳送給用戶，用戶根據(jù)此測距誤差對測量的偽距進(jìn)行改正。最后用戶如何提高 GPS 在工程測量應(yīng)用中的精度 1 根據(jù)改正后的偽距去解算本身的位置，就能夠消去公共誤差，提高定位的精度。與位置差分相似的是，偽距差分能夠抵消兩站公共誤差，但系統(tǒng)誤差會隨著用戶與基準(zhǔn)站距離的增加而出現(xiàn)，這種誤差無論使用任何差分法都不能消除，所以用戶與基準(zhǔn)站之間的距離是精度的決定性影響因素。 使用 GPS 衛(wèi)星載波相位進(jìn)行的靜態(tài)基線測量，測地型接收機能夠 獲得很高的精度(106～ 108），為可靠求解相位模糊度 ,靜止觀測要求一兩個小時或更長的時間，這樣很大的限制了在實際工程中的應(yīng)用。因而尋求快速測量的方法就應(yīng)運而生。比如用整周模糊度快速逼近技術(shù) (FARA)， 5 分鐘就能完成基線觀測任務(wù)，往返重復(fù)設(shè)站 (re—occupation)，動態(tài) (kinematic)和準(zhǔn)動態(tài) (stop and go)來提高 GPS 的作業(yè)效率。但上述這些測量技術(shù)都是在事后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，無法實時提交成果和實時進(jìn)行成果質(zhì)量評定，不能有效的避免發(fā)現(xiàn)問題檢查不合格造成返工的現(xiàn)象。差分 GPS 能夠?qū)崟r 確定載體的位置，精度為達(dá)到米級，能夠滿足水下測量、引航等工程的要求。偽距差分、位置差分、偽距差分相位平滑等技術(shù)也已成功應(yīng)用于各種測量作業(yè)中。精度更高的測量技術(shù) — 載波相位差分技術(shù)也隨之而來。 載波相位差分技術(shù)又稱為 RTK技術(shù)，實時處理兩個測站載波相位是載波相位差分技術(shù)的基礎(chǔ)。它可以實時提供觀測點的三維坐標(biāo)，并且達(dá)到厘米級的精度。和偽距差分的原理相同，載波相位差分技術(shù)是由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈的方式實時把它的載波觀測量以及站點坐標(biāo)信息一起傳送給用戶站。用戶站接收來自基準(zhǔn)站的載波相位和 GPS 衛(wèi)星的載波相位，然后組成相位 差分觀測值實時處理，給出實時的精度達(dá)到厘米級的定位結(jié)果。載波相位差分 GPS 方法分為差分法和修正法兩類。修正法與偽距差分相同，既由基準(zhǔn)站將載波相位的修正量傳送給用戶站，改正其載波相位并求解坐標(biāo)。差分法是把基準(zhǔn)站采集到的載波相位信息發(fā)送給用戶站，然后求差解算坐標(biāo)。修正法為準(zhǔn) RKT技術(shù)，差分法則是真正的 RTK 技術(shù)。 3 影響 GPS測量精度的因素 GPS 測量誤差 GPS 在工程測量的應(yīng)用中，誤差是需要考慮的一個重要影響因素。按誤差的性質(zhì)，可以分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差兩大類。其中偶然誤差主要包括多路徑效應(yīng)引起 的誤 1 差、測量觀測誤差等。系統(tǒng)誤差主要有接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、對流層折射誤差和電離層折射誤差等。對于系統(tǒng)誤差，在數(shù)據(jù)處理過程中，通過建立系統(tǒng)誤差模型計算改正數(shù)、在數(shù)學(xué)模型中引入未知參數(shù)求解、同步觀測數(shù)據(jù)求差等方法，可以消除或減弱系統(tǒng)誤差的影響。對偶然誤差，主要用延長觀測時間、增加觀測次數(shù)或改善觀測條件等方法來減弱其影響。 若以誤差來源分， GPS 測量的誤差能夠分三類，為與接收設(shè)備有關(guān)的誤差、與衛(wèi)星有關(guān)的誤差和 GPS信號傳播路徑有關(guān)的誤差。接下來以這種方法，詳細(xì)分析 GPS 測量中的各種誤差，探討消除或 減弱這些誤差的方法，為提高 GPS 在工程測量應(yīng)用中的精度提供理論基礎(chǔ)。 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 （ 1）衛(wèi)星鐘差 通過分析 GPS 定位原理我們發(fā)現(xiàn)， GPS 是通過測定信號由 GPS 衛(wèi)星傳送給接收機的時間差信號來確定距離，計算位置的。所以對 GPS 衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定度要求就不言而喻了，如果測定的時間差有 1ms 的誤差，對應(yīng)就是 300km 的測距誤差。即使 GPS 衛(wèi)星使用的是高精度的銫、銣原子鐘，精度達(dá)到 1014級別，但任不可避免誤差的影響。 對衛(wèi)星鐘差來說，可以采用接受衛(wèi)星導(dǎo)航電文的方式，根據(jù)改正模型（由 GPS 地面監(jiān) 控系統(tǒng)提供）來計算改正數(shù)，改正后的衛(wèi)星鐘能夠達(dá)到 20ns 的精度，相當(dāng)于 6m的距離誤差。 GPS差分定位中的衛(wèi)星鐘差也可以采用在衛(wèi)星之間求差的方法（單差再次在星間求差）來消除其對測量精度的影響。 (2)衛(wèi)星軌道誤差 衛(wèi)星軌道誤差既測算衛(wèi)星位置出現(xiàn)的誤差。衛(wèi)星運動過程中受多種攝動力的影響，其運行軌道相當(dāng)復(fù)雜，通過精確測算各種攝動力想準(zhǔn)確預(yù)報衛(wèi)星軌道的困難可想而知，利用廣播星歷計算衛(wèi)星位置的精度能夠可達(dá)到 5～ 10m[47]?！? 目前可以利用差分計算有效地消弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，差分后基線長度誤差 b與衛(wèi)星位置誤差 s 與的關(guān)系可粗略簡化為 ，其中， b 代表基線長度， 為接收機到衛(wèi)星的距離。比如若衛(wèi)星的位置誤差為 20m，基線長度為 25km 時，基線長度誤差約為 2cm。由此可見衛(wèi)星軌道誤差對差分相對定位的影響不明顯，但隨著基線長度的增加，衛(wèi)星軌道誤差的影響越來越大。所以當(dāng)基線測量的距離較長時，可利用亞米的精密星歷，或用短弧法，把部分衛(wèi)星軌道參數(shù)同基線向量一并解算。 如何提高 GPS 在工程測量應(yīng)用中的精度 1 與傳播路徑有關(guān)的誤差 （ 1）對流層折射影響 對流層指 的是地面到高度 40km 的大氣層。對流層折射的影響是由于電磁波信號的傳播速度在通過大氣對流層時發(fā)生變化，這樣導(dǎo)致測距成果產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差。衛(wèi)星高度角、氣壓、溫度、濕度等因素都與流層折射的影響有關(guān)。對流層折射的一般在影響在 2～ 30m 之間 [15]。 雖然對流層折射的影響（一般影響在 2～ 30m 之間）要遠(yuǎn)小于電離層折射影響，但對流層折射的影響是長距離、高精度 GPS 測量的主要誤差之一，而且目前沒有特別有效的減弱方法。對短距離 (＜ 20km)的 GPS 基線測量，利用 GPS 接收機之間的差分來消弱對流層折射的影響，效果不錯。長距離 的基線觀測量可以觀測氣象元素 (氣壓、溫度、濕度等 )，按照模型計算改正數(shù)，同時在差分計算模型中引入對流層改正參數(shù)一并解算。 （ 2）電離層折射影響 電離層是指高度在 70km 到 100km 間的大氣層。與對流層折射的影響相似，電離層折射影響是指電磁波信號的傳播速度在通過電離層時發(fā)生變化，導(dǎo)致測距成果產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差。電離層折射的影響取決于太陽黑子數(shù)、太陽光照強度、衛(wèi)星高度角、時間、地點等外界條件和信號頻率。中午且衛(wèi)星處于地平線上時電離層折射的影響最大（＞150m） ,夜間當(dāng)衛(wèi)星在天頂附近時，電離層折射影響就較弱 (＜ 5m)[21]， 因為電離層折射影響的強弱與 GPS的信號頻率平方是成反比的，所以使用雙頻 GPS接收能基本消除電離層的影響，但與單頻 GPS 接收機相比，雙頻 GPS 接收機很貴。通過使用數(shù)學(xué)模型，單頻 GPS接收機也可進(jìn)行改正，消除 75％電離層折射的影響。在基線長度不大的情況下 (＜ 20km)，單頻 GPS 接收機還能使用接收機之間求差的方法減弱電離層折射的影響， 能達(dá)到殘差影響小于 106。 （ 3）多路徑效應(yīng)影響 多路徑誤差是指 GPS接收機不但接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號， 還收到從反射體反射的電磁波信號，兩種信號產(chǎn)生干涉， GPS 信號相位發(fā)生變化產(chǎn)生測量誤差。多路徑效應(yīng)誤差對 GPS 測量的精度會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響， 在 偽距觀測中能產(chǎn)生數(shù)米的誤差。 多路徑誤差 有常數(shù)部分和周期性部分， 通過延長觀測時間 能夠減弱周期部分的多路徑誤差，常數(shù)部分會在同 一地點將重復(fù)出現(xiàn)， 連續(xù)觀測幾天 也無法 消除或減弱。 無論 1 是碼觀測值還是載波相位觀測值，都受多路徑誤差的影響，其中碼觀測值的多路徑影響更為復(fù)雜。其誤差大約是載波相位多路徑影響的 200 倍。多路徑誤差對點位坐標(biāo)的影響，在一般環(huán)境下可達(dá) 59cm，在高反射環(huán)境下可達(dá) 15cm。良好環(huán)境條件下對偽距觀測的影響約為 45cm， 極壞條件下碼信號多路徑 誤差可能會造成接收機相位失鎖，許多周跳就是由于多路徑誤差引起的 [13]