馮亞楠 張朝云

（1.張家口市城市快速路管理處，河北 張家口075000；2.張家口市京尚高速公路管理處，河北 張家口075000）

1 GPS概述

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱，GPS是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導航服務(wù)，并應用于情報收集、核爆監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的，經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成.全球定位系統(tǒng)已經(jīng)成為美國導航技術(shù)現(xiàn)代化的最重要的標志，并且被視為美國繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的又一重大科技成就，同時GPS定位技術(shù)也被視為二十世紀最重大的科技成就之一.

隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，GPS技術(shù)在軍事領(lǐng)域、測繪科學領(lǐng)域和民用相關(guān)領(lǐng)域都有非常廣泛的應用，經(jīng)近十幾年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得了廣大測繪工作者的信賴，并成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命.

2 GPS構(gòu)成

2.1 空間星座部分

GPS的空間星座部分是由24顆工作衛(wèi)星組成，其中包括3顆備用衛(wèi)星，這些衛(wèi)星位于距地表20200km的上空，均勻分布在6個軌道面上（每個軌道面4顆），軌道傾角為55°.衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時刻都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，又由于衛(wèi)星信號的傳播和接收不受天氣的影響，因此GPS是一種全球性、全天候的衛(wèi)星定位系統(tǒng).

GPS衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼，一組稱為C／A碼（Coarse／Acquisition Code），一組稱為P碼（Precise Code），P碼因頻率較高，不易受干擾，定位精度高，因此受美國軍方管制，并設(shè)有密碼，一般民間無法解讀，主要為美國軍方服務(wù).C／A碼人為采取措施而刻意降低精度后，主要開放給民間使用.

2.2 地面監(jiān)控部分

地面監(jiān)控部分包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站.

主控站的任務(wù)是：

（1）提供GPS的時間基準，并控制整個地面站組的工作；

（2）處理由各監(jiān)測站傳送過來的數(shù)據(jù)，編制各衛(wèi)星的星歷，計算各衛(wèi)星鐘的鐘差和電離層校正參數(shù)等，然后將這些導航信息送到注人站；

（3）控制衛(wèi)星的運行，使其保持在固定軌道.在衛(wèi)星失效時，調(diào)用備用衛(wèi)星.

注入站的任務(wù)是，在衛(wèi)星臨空時，把導航信息注人給衛(wèi)星，負責監(jiān)測注入衛(wèi)星的導航

信息是否正確，并且將衛(wèi)星的導航數(shù)據(jù)，每隔8個小時注入一次.

監(jiān)測站的任務(wù)是在衛(wèi)星過頂時收集衛(wèi)星播發(fā)的導航信息，對衛(wèi)星進行連續(xù)監(jiān)控，收集當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)等，監(jiān)測站收集的數(shù)據(jù)送往主控站.

整個GPS的地面監(jiān)控部分，除主控外均無人值守.各站間用現(xiàn)代化的通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，在原子鐘和計算機的驅(qū)動和精確控制下，各項工實現(xiàn)了高度的自動化和標準化.

2.3 用戶設(shè)備部分

用戶設(shè)備部分即GPS信號接收機硬件和數(shù)據(jù)處理軟件，以及微處理器及其終端設(shè)備組成.

用戶設(shè)備部分的主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行.當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù).根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息.接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備.GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分.接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源.設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測.在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電.關(guān)機后，機內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失.目前各種類型的接收機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用.

GPS采用無源工作方式，凡有GPS接收設(shè)備的用戶，都可使用此系統(tǒng)，用戶設(shè)備種類很多，可分別在海上、陸地、空中和空間場合使用.

3 GPS定位的誤差來源以及誤差的分析處理

GPS測量是通過地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送來的信息，計算同一時刻地面接收設(shè)備到多顆衛(wèi)星之間的偽距離，采用空間距離后方交會方法，來確定地面點的三維坐標，因此，對于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號傳播過程和地面接收設(shè)備都會對GPS測量產(chǎn)生誤差.

GPS測量主要誤差來源可分為：與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差；與信號傳播有關(guān)的誤差；與接收設(shè)備有關(guān)的誤差.

3.1 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

（1）衛(wèi)星星歷誤差

由星歷所計算得到的衛(wèi)星的空間位置與實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差，又稱為衛(wèi)星軌道誤差.星歷是由地面監(jiān)控站跟蹤監(jiān)測衛(wèi)星求定的，由于衛(wèi)星運行中要受到多種攝動力的復雜影響，而通過地面監(jiān)控站又難以充分可靠地測定這些作用力或掌握其作用規(guī)律，因此在星歷預報時會產(chǎn)生較大的誤差.在一個觀測時間段內(nèi)，星歷誤差屬于系統(tǒng)誤差，是一種起算數(shù)據(jù)誤差.它不僅影響單點定位的精度，也是精密相對定位的重要誤差來源.

在GPS定位過程中，衛(wèi)星星歷誤差可以通過軌道改進的方法來削弱，但在實際應用中多采用同步觀測值求差方法.該方法系利用在兩個或多個觀測站上，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差.以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響.由于同一衛(wèi)星的位置誤差，對不同觀測站同步觀測量的影響具有系統(tǒng)性質(zhì)，所以通過上述求差的方法可以明顯地減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，尤其當基線比較短時，其有效性更為明顯.

（2）衛(wèi)星鐘差

衛(wèi)星鐘差是指GPS衛(wèi)星時鐘與GPS標準時間的差別.為了保證時鐘的精度，GPS衛(wèi)星均采用高精度的原子鐘，但它們與GPS標準時之間的偏差和漂移，總量仍在1ms～0.1ms以內(nèi)，由此引起的等效誤差將達到300km～30km.這是一個系統(tǒng)誤差必須加于修正.

對于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可通過對衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測而精確地確定.經(jīng)過鐘差模型改正后的殘差，可保持在20ns之間，由此引起的等效距離偏差將不會超過6m.常說的衛(wèi)星鐘差均指經(jīng)過模型改正后的殘差.在相對定位中，它可以通過觀測量差分的方法消除.

（3）SA政策造成的誤差

SA（Selective Availability）政策，是美國軍方為了限制非特許用戶利用GPS進行高精度點定位而采用的降低系統(tǒng)精度的政策，它包括降低廣播星歷精度的ε技術(shù)和在衛(wèi)星基本頻率上附加一隨機抖動的δ技術(shù).實施SA政策后，SA政策對定位所造成的誤差已經(jīng)成為影響GPS定位誤差的最主要因素.雖然美國在2000年5月1日取消了SA政策，但是戰(zhàn)時或必要時，美國可能恢復或采用類似的干擾技術(shù).

（4）相對論效應的影響

這是由于衛(wèi)星鐘和接收機所處的狀態(tài)（運動速度和重力位）不同引起的衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間的相對誤差.為消除這種影響，應在衛(wèi)星鐘基準頻率上加以相對論效應改正.

3.2 與傳播途徑有關(guān)的誤差

（1）電離層折射

在地球上空距地面50～100km之間的電離層中，氣體分子受到太陽等天體各種射線輻射產(chǎn)生強烈電離，形成大量的自由電子和正離子.GPS衛(wèi)星信號和其他電磁波信號一樣，當其通過電離層時，將受到介質(zhì)彌散性特性的影響，使信號的傳播發(fā)生變化，信號的路徑要發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化，從而使測量的距離發(fā)生偏差，這種影響稱為電離層折射.對于電離層折射可用3種方法來減弱它的影響：①利用雙頻觀測值，利用不同頻率的觀測值組合來對電離層的延尺進行改正.②利用電離層模型加以改正.③利用同步觀測值求差，這種方法對于短基線的效果很明顯.

（2）對流層折射

對流層的高度為40km以下的大氣底層，對流層的大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復雜.對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的增加而降低.GPS信號通過對流層時，傳播的路徑會發(fā)生彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差，這種現(xiàn)象稱為對流層折射.減弱對流層折射的影響主要有3種方法：①采用對流層模型加以改正，其氣象參數(shù)在測站直接現(xiàn)場測定.②引入描述對流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得.③利用同步觀測量求差.

（3）多路徑效應

多路徑效應又稱為多路徑誤差，為測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號（反射波）進入接收機天線，將和直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離，產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”.減弱多路徑誤差的方法主要有：①選擇合適的站址.測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中，應離開高層建筑物，并且應避開較強的發(fā)射面，如水面，平坦光滑的地面等.②選擇較好的接收機天線，在天線中設(shè)置徑板，抑制極化特性不同的反射信號.

3.3 與GPS接收機有關(guān)的誤差

（1）接收機鐘差

GPS接收機一般采用高精度的石英鐘，接收機的鐘面時與GPS標準時之間的差異稱為接收機鐘差.把每個觀測時刻的接收機鐘差當作一個獨立的未知數(shù)，并認為各觀測時刻的接收機鐘差間是相關(guān)的，在數(shù)據(jù)處理中與觀測站的位置參數(shù)一并求解，可減弱接收機鐘差的影響.在精密相對定位中，還可以利用觀測值求差的方法，有效地減弱接收機鐘差的影響［1］.

（2）接收機的位置誤差

接收機天線相位中心相對測站標石中心位置的誤差，叫接收機位置誤差.其中包括天線置平和對中誤差，量取天線高誤差.在精密定位時，要仔細操作，來盡量減少這種誤差的影響.在變形監(jiān)測中，應采用有強制對中裝置的觀測墩.

（3）接收機天線相位中心偏差

在GPS測量時，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準的，而天線的相位中心與其幾何中心在理論上應保持一致.但是觀測時天線的相位中心隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，這種差別叫天線相位中心的位置偏差.這種偏差的影響可達數(shù)毫米至厘米.而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計中的一個重要問題.

在實際工作中如果采用同一類天線，在相距不遠的兩個或多個測站同步觀測同一組衛(wèi)星，在數(shù)據(jù)處理中通過觀測值求差可以減弱相位偏移的影響.但這種情況下各測站的天線均應按天線附有的方位標進行定向，使其根據(jù)羅盤指向磁北極.

4 結(jié) 論

以上詳細探討了GPS技術(shù)的原理、組成以及在GPS定位各個環(huán)節(jié)誤差的產(chǎn)生以及如何消除和減弱這些誤差，對提高GPS定位的精度，更好的應用于工程測量具有重要的指導意義.

［1］周忠謨等.GPS衛(wèi)星測量原理與應用.測繪出版社.1992.8

［2］孫文志等.簡析GPS系統(tǒng)定位誤差分析及誤差消除措施［J］.黑龍江國土資源2009.6

［3］張小剛.GPS觀測誤差及其相應的處理方法研究.建筑與工程［J］.2010.29

［4］徐紹銓等.GPS測量原理及應用.武漢測繪科技大學出版社.1998.10

［5］張守信等.GPS技術(shù)與應用.國防工業(yè)出版社.2004.1

［6］張小紅等.GPS定位技術(shù)在不同領(lǐng)域的應用［J］.武漢：測繪信息與工程.2001，1

［7］胡輝等.GPS接收機的定位誤差分析.河北師范大學學報［J］.2010.11