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如何消除、缓解和改正GPS测量中主要由环境段形成的误差?

添加时间:2018-10-15 来源:环球新时空信息技术研究院 作者:环球新时空信息技术研究院
  GPS运控段通过GPS监测站网络测量并计算卫星星历和星钟参数值,利用它们可以确定卫星状态(位置和速度)和卫星时钟相关参数(钟差、频偏和漂移率)。这些参数的当前值通过卡尔曼滤波器获得,并通过预报模型产生参数上传给卫星,形成导航电文广播给用户。在估算当前参数值和预报未来的参数值时均会产生误差。预测误差与数据龄期成正比,数据龄期是从最近一次数据上传时间开始计算的。由此可见,上传给卫星的数据越频繁,模型估算、预报星历和时钟的参数越精确,运控段产生的误差会越小。
 
  卫星信号在大气中传播时,主要有电离层和对流层造成的传播效应。电离层主要分布在距离地面50~1000千米高度区域,该区域的大气因为太阳辐射的原因,其分子和原子产生电离作用,成为自由电子和离子。所以,电离层的状态主要取决于太阳活动程度。电离层不同高度上的电子密度分布存在差异,分为若干层,自下而上分别称为D、E、F1和F2层,F2层为电子密度最大的区域,通常位于距地面段高度为250~400千米区间内。电离层的物理特性呈现昼夜变化、季节变化、纬度区域变化和太阳黑子周期变化,以及多种多样的太阳和地磁活动相关的异常变化与时空变化。在电离层中,GPS的无线电信号传播速度与信号传播路径上的自由电子数量(沿着路径的柱体内自由电子的总数,称为总电子含量,柱体的底面积为1平方米)。电离层对于GPS信号的影响主要为:使得信号的相速度加快,群速度变慢,造成电离层附加的时延,时延量与总电子含量成正比,显然与穿过电离层的路径长度(卫星的观测仰角)密切相关。在所有的非人为误差因素中,电离层是最大的误差来源,达到数米,甚至数十米。电离层误差的消除和改正办法,通常采用电离层模型改正方法,在导航电文中广播电离层改正模型,至少能够消除50%以上的误差,当然还可以利用更为精确的模型,或者星基增强系统广播的电离层改正值。最好的办法是利用双频接收机,运用电离层效应与信号频率的平方成反比的原理,通过双频测量的组合差分加以抵消。
 
  对流层是从地面至10多千米高度区间的中性大气,主要由干气部分或水汽部分组成,GPS信号通过它时也会发生折射,造成对流层时延。通常,消除或者改正对流层误差的主要办法是利用对流层模型,能够达到较高的精度(改正后的残差为厘米量级)。当然,实时估算水汽造成的湿时延,并且达到很高的精度,目前还具有挑战性。
 
  在高精度定位测量中,信号强度、码结构和接收机与天线设计的一系列误差还需要考虑到。其中主要应该考虑接收机噪声和多径效应两种误差。影响信号码和载波相位测量的随机测量噪声称为接收机噪声,它包括天线接收到的与GPS信号无关的射频信号;天线、前置放大器、馈线和接收机等产生的噪声、多径噪声和信号变换量化噪声。接收机噪声引起的测量误差随着信号强度降低而增加,尤其是在信噪比较低的情况下,更为明显。多径效应是指信号通过两个或者两个以上的路径到达接收机天线的现象。它对于信号码和载波相位测量均有影响。伪距测量中的多径误差一般在1~5米范围内,载波相位测量中相应的误差要小两个数量级,为1~5厘米。避免多径效应的主要方法是将观测天线安置在开阔区域,免得出现反射波现象。当然也可以通过天线设计来减少多径影响。
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