GPS定位测量的误差不仅影响定位精度,而且也影响模糊值解算。模糊值解算正确与否,又直接影响观测成果的可靠性。
GPS定位测量的各种误差可归纳为三类:
(1)同卫星有关的误差,包括卫星轨道误差和卫星钟差;
(2)同信号传播有关的误差,包括电离层误差、对流层误差、周跳、接收机噪声和多路径误差;
(3)同测站有关的误差,包括接收钟差和基地站(起算点)WGS-84坐标的误差。
1 轨道误差
轨道误差来源于广播星历(BE)中轨道信息的不定性。此不定性是由于BE的精度低及SA政策。检验证明:无SA政策时轨道误差为10~50m,有SA政策时可超过100m。由于多数用户是利用BE定位,故BE的不定性将导致定位测量误差。
由几台接收机进行相对定位,能显著削弱轨道误差。但基线增长时,残余的轨道误差将随之加大,也使解算模糊值更困难。
2 卫星钟差
卫星钟差的影响主要来自SA政策。同一卫星信号到达地面两台接收机的时间差极小,卫星钟在短时间内的漂移也很小,两者均可忽略不计。在双差观测值中,卫星钟差的高阶项也可忽略。此外,卫星钟差的残余误差也不影响模糊值解算。
3 接收机钟差
尽管在开始观测时,各接收机已设定为同步,实际上精密同步是困难的。此外,接收机钟差在同步之后也会发生漂移。然而,在双差观测值中,卫星钟差及接收机钟差几乎能安全消除。对于多数接收机而言,接收机钟差及其漂移对解算模糊值的影响可忽略不计。
4 电离层误差
电离层时延大小取决于频率。就GPS频率而言,电离层时延对一次测距的影响,最大时达150m;最小时也有5m。
电离层效应具有两大特性:一是扩散性;二是互补性。电离层的扩散性意味着时延大小取决于频率。这是一大优点。例如:将双频GPS接收机的相位观测值加以线性组合,可基本消除电离层效应。
根据无线电波传播原理,电离层对GPS码观测值的影响的第一阶项为40.3/∫ 2 n e d s ,对相位观测值的影响则为-40.3/∫ 2 n e d s 。由此可见电离层对这两种观测值的影响,数值相等,符号相反,这就是电离层效应的互补性。美国学者B.W.雷蒙迪利用此互补性首创“码协波相位扩散技术”(简称为CCD技术),削弱电离层效应,使单频接收机的测程戏剧性地扩大到300km。
边长短于10km时,两台接收机之间的电离层效应可通过双差观测值予以基本消除。但是,电离层的影响随边长的增加而急剧加大。因此在能够解算模糊值的情况下,电离层效应是限制边长的主要因素。
5 对流层效应
电波在对流层中的传播速度同频率无关,但其折射作用造成信号传播的时延。通常采用Hopfield模型顾及此时延。如果边长较短,高差又小,对流层模型的误差就直接影响高差测定的精度,采用求差法可将其消除。但是,当两点间的距离或高差较大时,地方大气层将有较大差异,相关性也随之减弱,难以采用适当的模型予以顾及。对流层改正不准确也是导致GPS高程误差较大的原因之一。
6 多径误差
所谓多路径效应,是指接收机天线除直接收到卫星的信号外,尚可能收到经天线周围物体反射的卫星信号。两种信号叠加将会引起天线相位中心位置的变化,而这种变化随天线周围反射面的性质而异,很难控制。多路径效应具有周期性特征,其变化幅度可达数厘米。在同一地点,当所测卫星的分布相似时,多路径效应将会重复出现。
在GPS的各种应用中,多径误差几乎难以避免。多径误差对码观测值和载波相位观测值均有较大影响。前者的多径误差可达一个波长(29.3m)。后者的多径误差小于载波波长(29.3m)的1/4。单频接收机的多径误差一般小于20m。采用窄距相关技术后,C/A码的多径误差可降到亚米级。
7 周跳
如果由于仪器线路的瞬间故障、卫星信号被障碍物暂时阻断、载波锁相环路的短暂失锁等因素的影响,引起计数器在某一个时间段无法连续计数,这就是所谓的整周跳变现象(简称周跳)。
周跳来源于外因和内因。外因由于障碍物、信号噪声大、卫星高度较低和动态应用中的天线倾斜等所引起。内因是由于接收机内信号处理技术不完善所造成。
在许多应用领域,特别是在静态定位中,不难探测出周跳。一旦出现小周跳,甚至1/2周跳或1/4周跳,则使探测和修复发生困难。接收机本身产生周跳数的多少,是评定接收机质量的重要标准之一。能否探测和修复全部周跳,也是评定软件质量的一条重要标准。
8 接收机噪声
伪距观测值的噪声,C/A码约为1m,P码约为0.3m。但较好的第三代接收机C/A码的伪距噪声只有10cm,载波相位观测值的精度可达毫米。观测量增加后,精度还可提高。但其他误差(例如多径误差)远远大于测量噪声。一般认为:评定观测成果质量的标准应该是载波相位观测值的稳定性。如果接收机经常发生周跳,甚至出现更坏的半周跳或1/4周跳及不正常的观测值,则难于正常解算模糊值,严重影响所测成果的可靠性。
9 起算点WGS-84坐标的误差
起算点WGS-84坐标的误差将直接传播给全网各点。此项影响同轨道误差相似,但更具有系统性。因此,起算点WGS-84坐标的精度应当高于轨道精度。如BE的误差为20m,则起算点WGS-84坐标的精度应高于20m。