论文部分内容阅读
摘要：本论文简要介绍了GPS(Global Positioning System简称GPS)技术的基本理论，发展概况、特点及误差产生的原因，简要分析了GPS技术的测量精度和优缺点，并讨论了对缺点改进的可行性。
关键词：GPS，测量误差，GPS用户设备
Abstract: this paper briefly introduces the GPS (Global Positioning System referred to GPS) the basic theory of technology, development situation, features, and the causes of error, this article briefly analyzes the measuring accuracy of GPS technology and the advantages and disadvantages, and discuss the feasibility of improvement for the defects.
Keywords: GPS, and the measurement error, GPS users equipment
中图分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号：
随着国民经济的快速增长，社会需求的不断加大，我国不断加大对基础设施建设的投入，公路、铁路等线路建设得到突飞猛进的发展。GPS技术在测量中的应用越来越广泛，如何提高测量精度，减少测量中的误差显得尤为重要。
1. GPS的组成
全球定位系统(Global Positioning System简称GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。
1.1 GPS的组成
GPS系统主要包括三大组成部分：即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。
1.1空间星座部分
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，亦即(21+3)GPS星座，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，各个轨道平面之间相距60°。卫星距地面的平均高度为20200km，轨道倾角为55°。卫星绕地球运行周期为11h 58min（恒星时12h），在高度角15°以上，任何地点的观测者在任何时刻平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。在不考虑高度角的情况下，至少可观测到4颗卫星，最多可观测到11颗卫星。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。
图1 GPS系统的三大组成部分
1.2地面监控部分
对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。
地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出时钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。
地面监控系统主要由分布在全球的1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。主控制站位于美国科罗拉多州春田市，3个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。5个监测站除了位于主控站和3个注入站以外，還在夏威夷设立了一个监测站。
1.3用户设备部分
用户设备部分即GPS信号接收机。其主要任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。
接收机硬件、机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。
2 GPS系统的发展概况
第一阶段，方案论证和初步设计阶段，从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，成功的完成了从硬件到软件的试验。
第二阶段，全面研制和试验阶段，从1979年到1984年，又陆续的发射了7颗试验卫星。这一阶段称之为BlockⅠ。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接收机也相继问世，试验表明，GPS的定位精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级，达到14m。由此证明GPS计划是成功的。
第三阶段，实用组网阶段。1989年2月4曰，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入了工程建设阶段，这种工作卫星称为BlockⅡ和BlockⅡA型卫星。这两组卫星差别是：BlockⅡ只能存储14天用的导航电文(每天更新三次)：而BlockⅡA卫星能存储180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即(21+3)GPS星座已建立，今后将根据计划更换失效的卫星。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。
第四阶段，完全运行阶段。1995年7月17日，GPS达到FOC(Full Operational Capability)一完全运行能力。
3 GPS测量的特点
相对于传统测量来说，GPS测量主要有以下特点：
3.1测站之间无需通视
测站间相互通视一直是传统测量无法逾越的难题，但GPS测量解决了这一难题。GPS测量只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作较为灵活。
3.2定位精度高
GPS相对定位精度在50km以内可达到10e-6，100-500km可达10e-7，1000km以上可达10e-9。与测距仪相比，两者精度相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。
3.3观测时间短
随着GPS系统、软件的不断完善，20km以内的相对静态定位，仅需15-20min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2min；动态相对定位测量时，流动站出发时观测1-2min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。
3.4提供三维坐标
传统大地测量将平面与高程采用不用方法分别施测，而GPS可同时精确测定待观测点的三维坐标。目前GPS高程精度基本可以满足四等水准测量精度。
3.5操作简便
随着GPS接收机不断改进，自动化程度的提高，接收机体积的缩小，重量的降低，极大的减轻了测量工作者的劳动强度，使野外工作变得方便和轻松。
3.6全天候作业
GPS观测可24h运行，基本不受时间、地点及天气的影响。
4 GPS测量的误差分析
GPS测量的误差按其性质可分为系统误差和偶然误差。系统误差无论从误差的大小还是对测量结果的危害性将都比偶然误差要大得多，它是GPS测量的主要误差源。
从误差来源来讲，GPS测量误差大致可分为3种：
4.1与卫星有关的误差
4.1.1卫星星历误差
由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差成为卫星星历误差。解决星历误差的方法：
建立自己的卫星跟踪网独立定轨；
轨道松弛法——半短弧法和短弧法；
同步观测值求差。
4.1.2卫星钟的钟误差
卫星钟的偏差可表示为： 。式中，为一参考历元，系数，，分别表示钟在时刻的钟差、钟速及钟速的变率。经以上改正后，引起的等效距离偏差不会超过6m，卫星钟差和静改正后的残余误差，则须采用在接收机间求一次差等方法来进一步消除它。
4.1.3相对论效应
总的相对论效应影响为： 。解决这个影响的最简单办法就是在厂家制造卫星钟时把频率降为：
这样当这些卫星钟进入轨道受到相对论效应影响后，频率正好变为标准频率。
4.2与信号传播有关的误差
与信号传播有关的误差包括电离层折射误差、对流层折射误差及多路径效应误差。
4.2.1电离层折射
在电离层中，气体受太阳辐射作用而被电离，卫星信号传播速度发生变化，从而引起时延。
减弱电离层影响的措施:
利用双频观测；
利用电离层改正模型加以修正；
利用同步观测值求差。
4.2.2对流层折射效应
对流层折射的影响与信号的高度角有关，减弱对流层折射改正残差影响的主要措施:
采用对流层模型加以改正；
引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得；
利用同步观测量求差；
利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。
4.2.3多路径误差
多路径效应是指除卫星的直接信号外，还有反射的绕道信号到达接收机。水平面、垂直面或斜面都有可能造成多路径效应。多路径信号和直接信号可以互相混合，从面产生相位误差，这种影响具有周期性，量值可达几厘米。消弱多路径误差的方法：
选择合适的站址；
对接收机天线的要求——在天线中設置抑径板，接收天线对于计划特性不同的反射信号应该有较强的一致作用。
4.3与接收机有关的误差
与接收机有关的误差主要有接收机时钟误差、位置误差，以及天线相位中心位置误差等。消弱与接收机有关的误差方法：
时钟误差可以通过在卫星间求一次差来消除；
位置误差可以通过仔细操作仪器来减弱；
天线相位中心位置误差在实际工作中使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上同步观测同一组卫星，便可以通过观测值的求差来消弱。
5 结论
本文对GPS的组成原理、特点以及误差产生的原因进行了简要阐述，重点对误差的消弱方法进行了探讨。随着GPS在工程测量中的广泛应用，如何有效的解决GPS测量误差、提高测量精度将是今后一段时间内GPS技术在工程应用中的重要内容。
参考文献
[1] 李青岳，陈永奇.工程测量学 [M].测绘出版社，2008
[2] GB/T18314-2009全球定位系统(GPS)测量规范
[3] JTJ-T066-98 公路全球定位系统(GPS)测量规范
关键词：GPS，测量误差，GPS用户设备
Abstract: this paper briefly introduces the GPS (Global Positioning System referred to GPS) the basic theory of technology, development situation, features, and the causes of error, this article briefly analyzes the measuring accuracy of GPS technology and the advantages and disadvantages, and discuss the feasibility of improvement for the defects.
Keywords: GPS, and the measurement error, GPS users equipment
中图分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号：
随着国民经济的快速增长，社会需求的不断加大，我国不断加大对基础设施建设的投入，公路、铁路等线路建设得到突飞猛进的发展。GPS技术在测量中的应用越来越广泛，如何提高测量精度，减少测量中的误差显得尤为重要。
1. GPS的组成
全球定位系统(Global Positioning System简称GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。
1.1 GPS的组成
GPS系统主要包括三大组成部分：即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。
1.1空间星座部分
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，亦即(21+3)GPS星座，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，各个轨道平面之间相距60°。卫星距地面的平均高度为20200km，轨道倾角为55°。卫星绕地球运行周期为11h 58min（恒星时12h），在高度角15°以上，任何地点的观测者在任何时刻平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。在不考虑高度角的情况下，至少可观测到4颗卫星，最多可观测到11颗卫星。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。
图1 GPS系统的三大组成部分
1.2地面监控部分
对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。
地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出时钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。
地面监控系统主要由分布在全球的1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。主控制站位于美国科罗拉多州春田市，3个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。5个监测站除了位于主控站和3个注入站以外，還在夏威夷设立了一个监测站。
1.3用户设备部分
用户设备部分即GPS信号接收机。其主要任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。
接收机硬件、机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。
2 GPS系统的发展概况
第一阶段，方案论证和初步设计阶段，从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，成功的完成了从硬件到软件的试验。
第二阶段，全面研制和试验阶段，从1979年到1984年，又陆续的发射了7颗试验卫星。这一阶段称之为BlockⅠ。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接收机也相继问世，试验表明，GPS的定位精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级，达到14m。由此证明GPS计划是成功的。
第三阶段，实用组网阶段。1989年2月4曰，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入了工程建设阶段，这种工作卫星称为BlockⅡ和BlockⅡA型卫星。这两组卫星差别是：BlockⅡ只能存储14天用的导航电文(每天更新三次)：而BlockⅡA卫星能存储180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即(21+3)GPS星座已建立，今后将根据计划更换失效的卫星。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。
第四阶段，完全运行阶段。1995年7月17日，GPS达到FOC(Full Operational Capability)一完全运行能力。
3 GPS测量的特点
相对于传统测量来说，GPS测量主要有以下特点：
3.1测站之间无需通视
测站间相互通视一直是传统测量无法逾越的难题，但GPS测量解决了这一难题。GPS测量只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作较为灵活。
3.2定位精度高
GPS相对定位精度在50km以内可达到10e-6，100-500km可达10e-7，1000km以上可达10e-9。与测距仪相比，两者精度相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。
3.3观测时间短
随着GPS系统、软件的不断完善，20km以内的相对静态定位，仅需15-20min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2min；动态相对定位测量时，流动站出发时观测1-2min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。
3.4提供三维坐标
传统大地测量将平面与高程采用不用方法分别施测，而GPS可同时精确测定待观测点的三维坐标。目前GPS高程精度基本可以满足四等水准测量精度。
3.5操作简便
随着GPS接收机不断改进，自动化程度的提高，接收机体积的缩小，重量的降低，极大的减轻了测量工作者的劳动强度，使野外工作变得方便和轻松。
3.6全天候作业
GPS观测可24h运行，基本不受时间、地点及天气的影响。
4 GPS测量的误差分析
GPS测量的误差按其性质可分为系统误差和偶然误差。系统误差无论从误差的大小还是对测量结果的危害性将都比偶然误差要大得多，它是GPS测量的主要误差源。
从误差来源来讲，GPS测量误差大致可分为3种：
4.1与卫星有关的误差
4.1.1卫星星历误差
由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差成为卫星星历误差。解决星历误差的方法：
建立自己的卫星跟踪网独立定轨；
轨道松弛法——半短弧法和短弧法；
同步观测值求差。
4.1.2卫星钟的钟误差
卫星钟的偏差可表示为： 。式中，为一参考历元，系数，，分别表示钟在时刻的钟差、钟速及钟速的变率。经以上改正后，引起的等效距离偏差不会超过6m，卫星钟差和静改正后的残余误差，则须采用在接收机间求一次差等方法来进一步消除它。
4.1.3相对论效应
总的相对论效应影响为： 。解决这个影响的最简单办法就是在厂家制造卫星钟时把频率降为：
这样当这些卫星钟进入轨道受到相对论效应影响后，频率正好变为标准频率。
4.2与信号传播有关的误差
与信号传播有关的误差包括电离层折射误差、对流层折射误差及多路径效应误差。
4.2.1电离层折射
在电离层中，气体受太阳辐射作用而被电离，卫星信号传播速度发生变化，从而引起时延。
减弱电离层影响的措施:
利用双频观测；
利用电离层改正模型加以修正；
利用同步观测值求差。
4.2.2对流层折射效应
对流层折射的影响与信号的高度角有关，减弱对流层折射改正残差影响的主要措施:
采用对流层模型加以改正；
引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得；
利用同步观测量求差；
利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。
4.2.3多路径误差
多路径效应是指除卫星的直接信号外，还有反射的绕道信号到达接收机。水平面、垂直面或斜面都有可能造成多路径效应。多路径信号和直接信号可以互相混合，从面产生相位误差，这种影响具有周期性，量值可达几厘米。消弱多路径误差的方法：
选择合适的站址；
对接收机天线的要求——在天线中設置抑径板，接收天线对于计划特性不同的反射信号应该有较强的一致作用。
4.3与接收机有关的误差
与接收机有关的误差主要有接收机时钟误差、位置误差，以及天线相位中心位置误差等。消弱与接收机有关的误差方法：
时钟误差可以通过在卫星间求一次差来消除；
位置误差可以通过仔细操作仪器来减弱；
天线相位中心位置误差在实际工作中使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上同步观测同一组卫星，便可以通过观测值的求差来消弱。
5 结论
本文对GPS的组成原理、特点以及误差产生的原因进行了简要阐述，重点对误差的消弱方法进行了探讨。随着GPS在工程测量中的广泛应用，如何有效的解决GPS测量误差、提高测量精度将是今后一段时间内GPS技术在工程应用中的重要内容。
参考文献
[1] 李青岳，陈永奇.工程测量学 [M].测绘出版社，2008
[2] GB/T18314-2009全球定位系统(GPS)测量规范
[3] JTJ-T066-98 公路全球定位系统(GPS)测量规范