GPS测量的主要误差及其在滑坡监测中的对策
1 卫星轨道误差
卫星轨道误差也称卫星星历误差, 系指卫星位置计算的误差。估计与处理卫星的轨道误差一般比较困难, 其主要原因是, 卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响, 而通过地面监测站又难以充分可靠地测定这些作用力, 并掌握它们的作用规律。目前, 用户通过广播星历, 所得到的卫星位置信息, 其相应的误差约为5cm~40m。通过国际GPS服务组织 (International GPS Service, IGS) 等提供的事后精密星历, 算得的卫星位置, 其误差可小于0.05mm。
作为GPS定位主要误差来源之一, 卫星的轨道误差一直就是学界和业界所关注的焦点之一。从GPS定位的整个过程来分析, 卫星的轨道误的调整可以有效降低这种误差。但实践过程中我们还是运用数学统计方法来降低误差。我们可以利用同步观测值求差的方法来进行。
具体做法如下:在多个观测站上, 观测并记录同一颗卫星的轨道信息, 对观测值求差, 以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差, 对不同观测站同步观测量的影响具有系统性质, 特别是径向误差相关性很强, 所以通过上述求差的方法可以明显地减弱卫星轨道误差的影响。如果遇到基线较短的时候, 这种方法对于降低误差的效果则更为明显。
2 卫星钟差
GPS卫星钟差是指GPS卫星钟时标与GPS系统时间的差值。由于卫星的位置是时间的函数, 所以GPS的观测量均以精密测时为依据。而与卫星位置相应的时间信息, 是通过卫星信号的编码信息传送给用户的。在GPS定位中, 无论是码相位观测或载波相位观测, 均要求卫星钟与GPS系统时间保持严格同步。但是实际情况是这样的:在每一颗GPS卫星的内部都设有高度精密的原子钟, 就想误差本身的特性一样, 虽然是原子钟, 他本身的误差也是在所难免的, 也会有偏差或漂移。这种偏差的总量约在lms以内, 但是根据误差放大效应原理, 这个误差最终将会引起的等效距离大约是300km。对于卫星钟的这种偏差, 一般可通过对卫星钟运行状态的连续监测而精确地确定。这种残差是经过修复和改进的, 所以它已经明显的降低了, 一般情况可以保持再20ns之内, 由此引起的等效距离偏差将不会超过6m。
3 电离层延迟
对于GPS卫星信号来说, 在夜间当卫星处于天顶方向时, 电离层折射对信号传播路径的影响将小于5m, 而在日间正午前后, 当卫星接近地平线时, 其影响可能大于150m。为了减弱电离层的影响, 在GPS定位中通常采取以下措施。
(1) 利用双频进行观测。电离层的影响与信号频率之间是一种函数关系, 所以可以变动电磁波信号的频率来观测影响程度的大小, 通过鉴别这种函数关系来进行适当的修改。
(2) 利用电离层模型加以修正。这里可以采用Klobuchar模型等来进行修正, 这样也可以在一定程度上降低误差。
(3) 利用同步观测值求差。所谓同步观测就是运用多台接收机观测目标卫星, 通过对观测值求差, 以减弱电离层折射的影响。
4 对流层延迟
对流层是高度40km以下的大气层。对流层虽有少量带电离子, 但对于15GH, 以下的射电频率基本呈中性, 没有弥散效应。GPS电磁波在对流层中传播只会非色散延迟, 即对流层对GPS信号的影响与频率无关。对流层对GPS信号的影响大约在2m~20m之间, 在天顶方向较小, 在水平方向较大。
当两观测站相距的距离小于20km的时候, 由于距离原因对流层的相对物理性质没有发生太大的变化, 所以在这种情况下对同一卫星的同步观测值求差, 降低误差的效果更加明显。该方法在精密相对定位中, 应用甚为广泛。不过随着同步观测站之间距离的增大, 地区大气状况的相关性很快减弱, 这一方法的有效性也将随之降低。根据我们实际观测的经验, 当这一距离超过一百公里的时候, 关键性的因素应该是对流层折射对GPS定位精度的影响。
5 多路径效应
多路径效应, 通常也叫多路径误差或多径误差, 即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外, 尚可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号, 两种或多种信号叠加, 将会引起测量参考点 (相位中心) 位置的变化, 从而使观测量产生误差。这一类的误差性质会随着天线周围反射面的性质而发生变化, 结果的多样化导致过程难以控制。根据相关的历史资源以及我们的实践经验来总结, 在一般反射环境下, 多路径效应对测码伪距影响可达米级, 对测相伪距影响可达厘米级;当反射情况很强烈的时候, 这种误差将增大, 很多情况下会导致卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。
根据相关结果的研究结论我们也可以清楚的了解到:有从SNR信噪比信息来改正相位观测值的多路径效应, 有将多路径效应表示呈卫星高度角和方位角的球谐函数的, 有半参数法, 也有小波分析方法, 等等。
在GPS静态定位中, 多路径会表现出系统误差的性质, 在这种情况下可以多次观测或长时间观测, 通过这样的方式可以有效的降低误差。在GPS动态定位中, 由于测量环境的不断变化, 多路径误差呈现随机性质, 在这种情况下可以多次观测或长时间观测并不能有效的解决问题, 只能选择在接收机天线或者其他相关硬件方面想办法, 采取有效措施和手段。
6 接收机位置误差
由于GPS定位中经常要使用近似坐标迭代的方法, 接收机近似坐标的误差会对观测方程的线性比产生影响。同时, 在GPS差分定位中, 基准站的坐标被视为己知值, 其坐标的误差必然会对流动站的解算结果产生影响。GPS接收机的噪声属于偶然性质的随机误差, 即是常说的伪距和载波相位的观测误差。目前普通接收机的C/A码观测误差为3m左右, P码观测误差为0.3m左右, 载波相位观测误差为2mm左右。这些随机误差, 可通过随机模型, 使用具体的估计方法来处理。
7 接收机钟差
GPS接收机一般设有较高精度的石英钟, 在跟踪卫星后, 他的误差一般不会超过1ms, 效误差300kin。处理接收机钟差的办法主要是引入钟差参数, 作为未知数一并解算。
这里需要强调一点, GPS接收机在采样时虽然已经知道接收机钟差, 根据实际情况一般情况下不进行修改, 所以一般GPS接收机的原始输出数据的时标中均含有接收机钟差, 因此在实际的过程中必须加以注意并持续完善。在GPS/INS的集成系统中, 其中一个最关键的问题就是时间同步问题。在高速运行的载体中, 运动速度可以达到500m/s, 这时接收机钟差可能产生0.5m的同步误差, 所以在数据处理时必须加以改正。
摘要：GPS测量是一项技术含量很高的活动, 尤其是在滑坡监测的过程中, 对于测量技术提出了更高的要求。对于测量本身而言, 准确程度是相对的, 误差是客观存在, 只能降低而不能避免的。这就对于我们测量技术人员提出了要去, 如何降低误差是我们需要解决的问题。本文按GPS测量的误差种类, 进行了分析与探讨。根据不同的实际情况提出了在滑坡监测中降低GPS测量误差的措施。
关键词：GPS测量,主要误差,对策
参考文献
[1] 天文, 吴琳, 李家权.GPS技术在滑坡监测中的应用[J].山地学报, 2004.
[2] 徐绍铨, 程温鸣.GPS用于三峡库区滑坡监测的研究[J].水利学报, 2003, l.
[3] 孙怀军, 张永波.滑坡预测预报的现状和发展趋势[J].太原理工大学学报, 2001.
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