摘要：工程測量技術朝著測量數據采集和處理的自動化、實時化和數字化方向發展，使工程測量的手段、方法和理論產生了深刻的變化。本文主要探討影響GPS測量精度控制的各項因素。
　　關鍵詞：GPS測量;精度控制;誤差
　　
　　前言
　　GPS已成為建立平面控制網的一種常用手段。可以說,GPS技術的發展和應用是本世紀測繪領域最輝煌的成就之一。隨著差分GPS定位技術的發展與應用,不僅是高等級的首級網和加密網,就連圖根點和航空攝影測量像控點的測定也廣泛采用了GPS。在許多地形測量項目中,光電測距導線早已成為一種最基本的控制測量方法。特別是當使用全站儀時,可以將低
　　等級的圖根控制與細部地形測量同步進行,從而提高總體作業效率。徠卡公司最新推出的全站儀與GPS完美結合,是集成了GPS功能的高性能全站儀(超站儀),無需控制點、長導線和后方交會等工作,直接使用GPS確定該點的三維坐標,然后就可以使用全站儀進行測圖、放樣等工作。高程控制測量過去一直沿用幾何水準測量的方法,這種方法耗時費力,效率較低。同時,隨著GPS在平面控制測量上日益廣泛的應用,關于GPS在高程控制測量領域的應用研究也掀起了熱潮。
　　
　　一、軌道誤差(星歷誤差)和SA,AS影響
　　1.1美國的SA技術與AS影響
　　SA技術是選擇可用性(SelectiveAvailability)的簡稱,它是由兩種技術使用戶的定位精度降低,即δ(dither)技術和ε(epsilon)技術。δ技術是人為地施加周期為幾分鐘的呈隨機特征的高頻抖動信號,使GPS衛星頻率10.23MHz加以改變,最后導致定位產生干擾誤差,ε技術是降低衛星星歷精度,呈無規則的隨機變化,使得衛星的真實位置增加了人為的誤差。AS技術(Anti-Spoofing)叫反電子欺騙技術,其目的是為了在和平時期保護其P碼,不讓非授權用戶使用;戰時防止敵方對精密導航定位作用的P碼進行電子干擾。AS技術使得用C/A碼工作的用戶無法再和P碼相位測量值聯合解算進行雙頻電離層精密測距修正,實際降低了用戶定位精度。
　　1.2確定GPS衛星軌道是減少星歷誤差和消除ε技術影響的根本方法利用區域性GPS跟蹤網可以確定GPS衛星軌道。跟蹤站地心坐標的誤差對衛星軌道的影響是10倍或更大。因此,要提供優于±2m精度的衛星軌道要求跟蹤站地心坐標的精度優于±0.1m。據介紹,采用強約束全球站松弛軌道的加權約束基準方法,可以得出優于±5cm精度的相對坐標值,基本上可以滿足我國現階段區域性定軌的需要。如果根據我國現有的GPS衛星跟蹤網站對各衛星記錄的觀測值,計算出現有廣播星歷軌道根數的誤差改正值,可以進一步計算長弧軌道的精密星歷,從而能直接向用戶播發精密星歷,取代現有的ε技術降低精度以后的廣播星歷。
　　二、太陽光壓對GPS衛星產生攝動加速度
　　太陽光壓對衛星產生攝動影響衛星的軌道,它是精密定軌的最主要誤差源。太陽光壓對衛星產生的攝動加速度受太陽與地球間距離的變化影響(地球軌道偏心距)而引起太陽輻射壓力的變化,也與太陽光強度、衛星受到的照射面程和照射面積與太陽的幾何關系及照射面的反射和吸收特性有關,衛星表面材料的老化、衛星姿態控制的誤差等也使太陽光壓發生變化。已有的太陽光壓改正模型有:標準光壓模型、多項式光壓模型和ROCK4光壓攝動模型,這幾種光壓模型精度基本上相當,可以滿足±1m定軌的要求。
　　
　　三、電離層的信號傳播延遲
　　電離層引起碼信號傳播延遲,它與沿衛星和用戶接收機視線方向上的電子密度有關,在垂直方向上延遲值在夜間平均可達3m左右,白天可達15m,在低仰角情況下分別可達9m和45m,在反常時期這個值還會加大。為了削弱電離層延遲所引起的定位精度損失,在長基準測量中用雙頻接收機采集GPS數據,對觀測成果進行實時電離層延遲改正,可以獲得很好的效果。對于單頻接收機的用戶,雖然可以用數學模型進行改正,但其殘差仍然很大。也可以用提高衛星高度截止角的辦法減少其影響。在赤道和地極附近存在著嚴重的電離層赤道擾動和地極擾動。因而,利用雙頻GPS接收機觀測,只適用于沒有電離層擾動的中緯度地區進行電離層改正。赤道擾動。最壞的電離層影響是在赤道附近。強烈影響大概在±10°以內的區域,此影響可延續至赤道兩邊的±30°。擾動一般在日落到午夜發生,延續到第二天黎明。它是由電離層中電子含量小規模無規律引起的,它有幾米到幾千米的波長,這些無規律的電子密度能夠產生衍射和反射效應,接收的信號能使相位和振幅變異,它能妨礙GPS衛星信號跟蹤,引起周跳。甚至基線在10km以內時,強烈的電子水平分布梯度能使模糊度解算不能進行。地極擾動。它沒有赤道附近那么強烈,它的發生與磁暴活動有關,它主要是位于磁緯的69°~70°的極光帶。在強磁暴期間,這些極光影響能延伸到中緯度地區,使周跳數增多。
　　四、多路徑誤差
　　多路徑誤差是指GPS信號射至到其他物體上又反射到GPS接收天線上,而對GPS信號直接射至到GPS接收天線上的直接波的干擾。多路徑誤差的大小,取決于反射波的強弱和用戶天線抗衡反射波的能力。用戶天線附設仰徑板,當仰徑板半徑為40cm,天線高于1m至2m時,可抑制多路徑影響。據大量資料的分析統計,多路徑誤差有以下危害:①當邊長小于10km時,主要誤差源是天線的對中誤差和多路徑誤差;②多路徑誤差對點位坐標的影響,在一般環境下可達5~9cm,在高反射環境下可達15cm;③在高反射環境(城鎮、水體旁、沙灘、飛機、艦船等)下,碼信號受多徑誤差的影響,可導致接收機的相位失鎖;④實踐證明,觀測值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的。接收機天線附近的水平面、垂直面和傾斜面都會使GPS信號產生鏡反射。天線附近的地形、地物,例如,道路、樹木、建筑物、池塘、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構成鏡反射。因此,選擇GPS點位時應特別注意避開這些地形、地物,采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施。
　　五、周跳
　　5.1周跳和周跳的產生周跳也稱為失周。
　　在精密的GPS相對定位中采用的觀測值是相位觀測值。相位觀測值是接收機本機振蕩產生的相位與接收到的衛星載波相位之差,在量測時,只能測到不足1周的小數部分(可準到0.01周)。在理想條件下,接收機在鎖住衛星后可保持跟蹤,從而測出包括整數部分的相位變化量,因此,每個歷元的相位觀測量與接收機到衛星的距離相差載波波長的一個整數倍,它是一個固定不變的值,該整數被稱為整周模糊度,在解算時與其他參數一起求出。在實際觀測條件下,接收機往往會由于某種原因(如衛星信號被擋住)對衛星短時間失去跟蹤,在失去跟蹤時間內相位的變化就不能被測出,稱為失周或失鎖,也稱為周跳。在短距離GPS基線定位中,大氣軌道誤差基本被抵消,電離層和對流層延遲由于它們的相關性也消除了大部分影響,失周大小能保持較好的整數特性,較容易處理。產生周跳的原因可分為外部原因和接收機質量問題。外部原因有:衛星信號被天線附近的地形地物短時間遮擋;動態測量時,由于載體運動速度太快或天線傾斜使信號丟失;由于多路徑誤差、電離層活動加劇、對流層延遲影響,使衛星信號的噪聲偏大而產生周跳。GPS接收機質量不佳:衛星信號在接收機電路中受干擾,導致信號丟失;接收機內信號處理單元質量不佳;接收機內跟蹤環路設計不理想,在某些環境下,將使相位發生180°或90°位移,從而產生周跳或1/4周跳。
　　5.2周跳對點位坐標的影響
　　在GPS相位測量中,觀測數據中大于10周的周跳,在數據預處理時不難發現,可予以消除。然而,小于10周的周跳,特別是1~5周的周跳,以及半周跳和1/4周跳,不易發現,而對含有周跳的觀測值其周跳的影響視為觀測值的偶然誤差,因而嚴重影響坐標的精度。據拉查佩利的統計,一個周跳對經度、緯度、高程的影響為
　　ΔL=0.03~0.06m
　　ΔB=0.10~0.18m
　　Δh=0.14~0.16m
　　可見,即使只有一個衛星存在一個周跳,也會對測點產生幾厘米的誤差。由于一個點位坐標是由4個以上衛星所確定的,故周跳對點位坐標的影響取決于以下因素:①所測衛星的數量;②所測衛星組成的幾何圖形;③周跳影響各分量的大小和周跳次數。然而,即使只有一個衛星殘存有一個周跳,也會使該次定位點位坐標有幾毫米至幾厘米的誤差。由此可見,凡精度要求達到厘米級或分米級的GPS定位測量,都必須清除觀測數據中的全部周跳。
　　5.3周跳的探測和修復
　　周跳的處理可分為2步:從觀測數據中探測出全部周跳及將探測出的周跳加以全部修復。周跳的探測和修復都應在觀測數據的預處理階段進行。GPS相對定位中的失周處理是非常麻煩復雜的問題,因而應盡量避免周跳的發生。為此,對于儀器本身應通過儀器檢定,在測定其質量確實可靠時才能用于測量作業,在測量作業中尤其應防止多路徑的影響,避免失周的現象發生。對于周跳的探測和修復已有許多處理方法。可以組成單差、雙差、3差和4差,根據組成高階差數后,周跳被成倍放大,階數越高,放大倍數越大的特性,能夠快速有效地探測出周跳。先進的GPS接收機內裝有“專用算法器”,可探測出大部分周跳,供處理數據時使用。避免和正確處理周跳,是提高GPS測量精度的關鍵。
　　六、GPS測量儀器的質量檢定
　　上面已經談到GPS接收機常存在鐘誤差、通道間的偏差、鎖相環延遲、碼跟蹤環偏差、天線相位中心偏差等。所以必須先了解儀器性能、工作特性及其可能達到的精度水平。它是制訂GPS作業計劃的依據,也是GPS定位測量順利完成的重要保證。也就是說對GPS測量儀器必須先進行作業前的檢驗,沒有檢驗的儀器是不能用于作業的。
　　測量型GPS接收機實測檢驗項目有:①天線相位中心穩定性測試;②內部噪聲水平測試;③野外作業性能及不同測程精度指標的測試;④頻標穩定性檢驗和數據質量的評價;⑤高低溫性能測試。關于測量型GPS接收機的檢定目的、檢定項目和檢定方法見國家測繪局發布的中華人民共和國測繪行業標準,全球定位系統(GPS)測量型接收機檢定規程(1995-07-01)。
　　
　　參考文獻
　　[1]張正祿.工程測量學[M].武漢:武漢大學出版社,2005.
　　[2]許其鳳.GPS衛星導航與精密定位[M].北京:解放軍出版社,1994.