１２０ 测绘与空间地理信息 ２００８年 地面，避开强反射环境，如山谷、山坡、建筑物等；④避开强 电磁波干扰，设站应远离雷达站、电台、微波中继站等。 如果根据我国现有的ＧＰＳ卫星跟踪网站对各卫星记 录的观测值，计算出现有广播星历轨道根数的误差改正 值，可以进一步计算长弧轨道的精密星历，从而能直接向 用户播发精密星历，取代现有的ｓ技术降低精度以后的广 播星历。 ２轨道误差（星历误差）和ＳＡ，ＡＳ影响 ２．１ 轨道误差 有关部门提供一定精度的卫星轨道，以广播星历形 ３太阳光压对ＧＰＳ卫星产生摄动加速度 太阳光压对卫星产生摄动影响卫星的轨道，它是精 密定轨的最主要误差源。太阳光压对卫星产生的摄动加 式发播给用户使用，从而即可知观测瞬间所观测的卫星 位置，所以卫星轨道误差与星历误差是一个含义。卫星 星历误差又等效为伪距误差。由于卫星轨道受地球和 Ｅｔ、月引力场、太阳光压、潮汐等摄动力及大气阻力的影 响，而不能精密确定，使卫星轨道产生误差。目前，ＧＰＳ卫 星轨道误差的等效伪距误差（使用的卫星广播星历）为 ４．２ ｍ。美国的ＳＡ政策和ＡＳ政策人为地使导航定位的 精度降低，点位误差有时达到１００ ｍ。 控制网的静态ＧＰＳ测量是利用载波相位测量的原 理，一般是将一个点设为已知点而与另一个待定点位同 步观测ＧＰＳ卫星，取得载波相位观测值，从而得出待定点 位的坐标或两点问的坐标值，称为基线测量，短基线测量 可以消除ＳＡ影响。动态测量解决ＳＡ影响的途径是实时 差分定位（称Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ＤＧＰＳ），即将已知坐标的点布设 为基准点，通过基准站取得误差校正值，通过数据链实时 传给导航定位的移动站，从而消除ＳＡ影响及两站共同的 误差，提高了移动站的导航定位精度。加滤波等处理的 导航软件以及组合导航系统，已使导航定位差分距离在 １００ ｋｍ左右时精度达到亚米级，差分距离大于１ ５００ ｋｍ 时达到米级。 ２．２美国的ＳＡ技术与ＡＳ影响 ＳＡ技术是选择可用性（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ）的简称， 它是由两种技术使用户的定位精度降低，即８（ｄｉｔｈｅｒ）技 术和ｓ（ｅｐｓｉｌｏｎ）技术。８技术是人为地施加周期为几分钟 的呈随机特征的高频抖动信号，使ＧＰＳ卫星频率１Ｏ．２３ ＭＨｚ加以改变，最后导致定位产生干扰误差，ｓ技术是降 低卫星星历精度，呈无规则的随机变化，使得卫星的真实 位置增加了人为的误差。 Ａｓ技术（Ａｎｔｉ—Ｓｐｏｏｆｉｎｇ）叫反电子欺骗技术，其目的 是为了在和平时期保护其Ｐ码，不让非授权用户使用；战 时防止敌方对精密导航定位作用的Ｐ码进行电子干扰。 ＡＳ技术使得用Ｃ／Ａ码工作的用户无法再和Ｐ码相位测 量值联合解算进行双频电离层精密测距修正，实际降低 了用户定位精度。 ２．３确定ＧＰＳ卫星轨道是减少星历误差和消除 ￡技术影响的根本方法 利用区域性ＧＰＳ跟踪网可以确定ＧＰＳ卫星轨道。跟 踪站地心坐标的误差对卫星轨道的影响是１Ｏ倍或更大。 因此，要提供优于±２ ｍ精度的卫星轨道要求跟踪站地心 坐标的精度优于±０．１ ｍ。据介绍，采用强约束全球站松 弛轨道的加权约束基准方法，可以得出优于±５ ｃｍ精度 的相对坐标值，基本上可以满足我国现阶段区域性定轨 的需要。 速度受太阳与地球间距离的变化影响（地球轨道偏心距） 而引起太阳辐射压力的变化，也与太阳光强度、卫星受到 的照射面程和照射面积与太阳的几何关系及照射面的反 射和吸收特性有关，卫星表面材料的老化、卫星姿态控制 的误差等也使太阳光压发生变化。 已有的太阳光压改正模型有：标准光压模型、多项式 光压模型和ＲＯＣＫ４光压摄动模型，这几种光压模型精度 基本上相当，可以满足±１ ｍ定轨的要求。最近有人提 出，用附加随机过程参数的方法或者对较长的轨道用一 阶三角多项式逼近非模型化的长期项影响，可得到更理 想的结果，甚至可以满足±０．１～０．２ ｍ精度的定轨要求。 ４ 电离层的信号传播延迟 电离层引起码信号传播延迟，它与沿卫星和用户接 收机视线方向上的电子密度有关，在垂直方向上延迟值 在夜间平均可达３ ｍ左右，白天可达１５ ｍ，在低仰角情况 下分别可达９ ｍ和４５ ｍ，在反常时期这个值还会加大。 为了削弱电离层延迟所引起的定位精度损失，在长基准 测量中用双频接收机采集ＧＰＳ数据，对观测成果进行实 时电离层延迟改正，可以获得很好的效果。对于单频接 收机的用户，虽然可以用数学模型进行改正，但其残差仍 然很大。也可以用提高卫星高度截止角的办法减少其影 响。 在赤道和地极附近存在着严重的电离层赤道扰动和 地极扰动。因而，利用双频ＧＰＳ接收机观测，只适用于没 有电离层扰动的中纬度地区进行电离层改正。 赤道扰动。最坏的电离层影响是在赤道附近。强烈 影响大概在±１０。以内的区域，此影响可延续至赤道两边 的±３０。。扰动一般在日落到午夜发生，延续到第二天黎 明。它是由电离层中电子含量小规模无规律引起的，它 有几米到几千米的波长，这些无规律的电子密度能够产 生衍射和反射效应，接收的信号能使相位和振幅变异，它 能妨碍ＧＰＳ卫星信号跟踪，引起周跳。甚至基线在１０ ｋｍ 以内时，强烈的电子水平分布梯度能使模糊度解算不能 进行。 地极扰动。它没有赤道附近那么强烈，它的发生与 磁暴活动有关，它主要是位于磁纬的６９。～７Ｏ。的极光带。 在强磁暴期间，这些极光影响能延伸到中纬度地区，使周 跳数增多。 ５对流层的信号传播延迟 对流层延迟是电磁波信号通过对流层时其传播速度 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 宋太广等：ＧＰＳ测量的误差源及精度控制 １２１ 不同于真空中光速所引起的。分干大气分量和湿大气分 量。在低仰角时它可以达到２０ ｍ。其中干大气分量约占 ８０％～９０％，可以用一定的模型使大部分改正掉。湿大气 分量数值虽不大，但它随纬度和高度的变化呈现出很大 的变化，而且随时间变化得非常快。由于空气中的水汽 由于某种原因（如卫星信号被挡住）对卫星短时间失去跟 踪，在失去跟踪时间内相位的变化就不能被测出，称为失 周或失锁，也称为周跳。在短距离ＧＰＳ基线定位中，大气 轨道误差基本被抵消，电离层和对流层延迟由于它们的 相关性也消除了大部分影响，失周大小能保持较好的整 和干气难以预测，所以测量中往往测量的是干、湿分量混 合体，故难以得到它的准确值。到目前为止已开发出来 许多计算湿对流层延迟的实用模型，但对流层延迟仍为 主要误差源。 对流层延迟与电离层延迟一样，主要影响天顶方向， 由于它们的相关性，在短基线测量中会很好地消除，在长 基线测量中采取双频接收机也能很好地减少其影响。对 于对流层延迟，多用随机过程模拟和滤波方法进行参数 估算及函数逼近方法模拟改正。好的数学模型改正，可 以使基线天顶方向提高到水平方向（平面坐标）接近的水 平。 ６多路径误差 多路径误差是指ＧＰＳ信号射至到其他物体上又反射 到ＧＰＳ接收天线上，而对ＧＰＳ信号直接射至到ＧＰＳ接收 天线上的直接波的干扰。多路径误差的大小，取决于反 射波的强弱和用户天线抗衡反射波的能力。用户天线附 设仰径板，当仰径板半径为４０ ｃｍ，天线高于１ ｍ至２ ｍ 时，可抑制多路径影响。 据大量资料的分析统计，多路径误差有以下危害：① 当边长小于１０ ｋｍ时，主要误差源是天线的对中误差和多 路径误差；②多路径误差对点位坐标的影响，在一般环境 下可达５～９ ｃｍ，在高反射环境下可达１５ ｃｍ；③在高反射 环境（城镇、水体旁、沙滩、飞机、舰船等）下，码信号受多 径误差的影响，可导致接收机的相位失锁；④实践证明， 观测值中的很多周跳都是由于多路径误差引起的。 接收机天线附近的水平面、垂直面和倾斜面都会使 ｃＰＳ信号产生镜反射。天线附近的地形、地物，例如，道 路、树木、建筑物、池塘、水沟、沙滩、山谷、山坡等都能构成 镜反射。因此，选择ＧＰＳ点位时应特别注意避开这些地 形、地物，采取提高天线高度和其他防止多路径误差的措 施。 ７周 跳 ７．１ 周跳和周跳的产生 周跳也称为失周。在精密的ＧＰＳ相对定位中采用的 观测值是相位观测值。相位观测值是接收机本机振荡产 生的相位与接收到的卫星载波相位之差，在量测时，只能 测到不足１周的小数部分（可准到０．０１周）。在理想条 件下，接收机在锁住卫星后可保持跟踪，从而测出包括整 数部分的相位变化量，因此，每个历元的相位观测量与接 收机到卫星的距离相差载波波长的一个整数倍，它是一 个固定不变的值，该整数被称为整周模糊度，在解算时与 其他参数一起求出。在实际观测条件下，接收机往往会 数特性，较容易处理。 产生周跳的原因可分为外部原因和接收机质量问 题。外部原因有：卫星信号被天线附近的地形地物短时 间遮挡；动态测量时，由于载体运动速度太快或天线倾斜 使信号丢失；由于多路径误差、电离层活动加剧、对流层 延迟影响，使卫星信号的噪声偏大而产生周跳。ＧＰＳ接收 机质量不佳：卫星信号在接收机电路中受干扰，导致信号 丢失；接收机内信号处理单元质量不佳；接收机内跟踪环 路设计不理想，在某些环境下，将使相位发生１８０。或９０。 位移，从而产生周跳或１／４周跳。 ７．２周跳对点位坐标的影响 在ＧＰＳ相位测量中，观测数据中大于１０周的周跳， 在数据预处理时不难发现，可予以消除。然而，小于１０周 的周跳，特别是１～５周的周跳，以及半周跳和１／４周跳， 不易发现，而对含有周跳的观测值其周跳的影响视为观 测值的偶然误差，因而严重影响坐标的精度。 据拉查佩利的统计，一个周跳对经度、纬度、高程的 影响为 △Ｌ＝０．０５～０．０６ ｍ △Ｂ＝０．１０～０．１８ ｍ Ａｈ＝０．１４～０．１６ ｍ 可见，即使只有一个卫星存在一个周跳，也会对测点 产生几厘米的误差。由于一个点位坐标是由４个以上卫 星所确定的，故周跳对点位坐标的影响取决于以下因素： ①所测卫星的数量； ②所测卫星组成的几何图形； ③周跳影响各分量的大小和周跳次数。 然而，即使只有一个卫星残存有一个周跳，也会使该 次定位点位坐标有几毫米至几厘米的误差。由此可见， 凡精度要求达到厘米级或分米级的ＧＰＳ定位测量，都必 须清除观测数据中的全部周跳。 ７．３周跳的探测和修复 周跳的处理可分为２步：从观测数据中探测出全部周 跳及将探测出的周跳加以全部修复。 周跳的探测和修复都应在观测数据的预处理阶段进 行。ＧＰＳ相对定位中的失周处理是非常麻烦复杂的问题， 因而应尽量避免周跳的发生。为此，对于仪器本身应通 过仪器检定，在测定其质量确实可靠时才能用于测量作 业，在测量作业中尤其应防止多路径的影响，避免失周的 现象发生。 对于周跳的探测和修复已有许多处理方法。可以组 成单差、双差、３差和４差，根据组成高阶差数后，周跳被 成倍放大，阶数越高，放大倍数越大的特性，能够快速有 效地探测出周跳。先进的ＧＰＳ接收机内装有“专用算法 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ２２ 测绘与空间地理信息 ２００８年 器”，可探测出大部分周跳，供处理数据时使用。避免和 双频接收机的优点是：①可以基本消除电离层延迟 正确处理周跳，是提高ＧＰＳ测量精度的关键。 对点位坐标的影响，点间距离可达１ ０００ ｋｍ；②在快速静 ８ ＧＰＳ测量仪器的质量检定 态和动态测量中观测时间比单频机短。 单频机的优点则是双频机的主要缺点。 上面已经谈到ＧＰＳ接收机常存在钟误差、通道间的 偏差、锁相环延迟、码跟踪环偏差、天线相位中心偏差等。 １０结束语 所以必须先了解仪器性能、工作特性及其可能达到的精 对于ＧＰＳ控制网基线测量，在基线长度较短的情况 度水平。它是制订ＧＰＳ作业计划的依据，也是ＧＰＳ定位 下（１０ ｋｍ左右，最大不超过２０～３０ ｋｍ），ＧＰＳ的轨道误差 测量顺利完成的重要保证。也就是说对ＧＰＳ测量仪器必 （星历误差）、太阳光压影响及美国ＳＡ技术基本对测量精 须先进行作业前的检验，没有检验的仪器是不能用于作 度不产生影响（它只能影响单点定位和长基线测量结 业的。 果）。 测量型ＧＰＳ接收机实测检验项目有：①天线相位中 在作业过程中，当ＧＰＳ接收机满足作业精度要求的 心稳定性测试；②内部噪声水平测试；③野外作业性能及 时候，测量的主要误差源是多路径误差、周跳和点位的对 不同测程精度指标的测试；④频标稳定性检验和数据质 中误差。作业中应尽量避免它们的发生并减少其误差。 量的评价；⑤高低温性能测试。 电离层延迟和对流层延迟主要影响基线测量两点间 关于测量型ＧＰＳ接收机的检定目的、检定项目和检 的高差精度，两点间高差愈大影响也愈大。如果改正公 定方法见国家测绘局发布的中华人民共和国测绘行业标 式和参数不恰当，它可能使每±１ ｍ高差就有±１ ｍｍ的 准，全球定位系统（ＧＰＳ）测量型接收机检定规程（１９９５— 误差，即±１ ｍｍ／ｍ（误差／高差）。电离层和对流层延迟 ０７—０１）。 对平面坐标（ ，日或 ，ｌ，）影响甚微，几乎没有影响。电离 ９单、双频接收机比较 层和对流层延迟具有相关性，基线愈短相关性越强，在短 基线测量中它们的影响会有很好的消除，这就是边长短 比较单、双频接收机的优缺点，便于用户选型时参 于１０ ｋｍ时，单频结果比双频结果精度高的原因。 考。 单频接收机的优点是：①需要电子元件较大，对微处 参考文献： 理器的要求较低，不需要昂贵的互相关器或Ｚ码发生器， ［１］ 许其凤．ＧＰＳ卫星导航与精密定位［Ｍ］．北京：解放军出 产品数量大，价格只有双频接收机的一半；②不易出故 版社，１９９４． 障，平均无故障时间（ＭＢＦＴｒ）约为８ ０００ ｈ；③不受ＤＯＤＰ ［２］ 李毓麟．在长距离ＧＰＳ相对定位中的失周处理［Ｃ］∥高 码保密的限制；④边长短于１０ ｋｍ时比双频结果精度高； 精度静态ＧＰＳ定位技术研究论文集．北京：测绘出版社， ⑤功耗低，体积小，重量轻，给外业带来方便。 ｌ９９６． 缺点是：①点间距离超过２０～３０ ｋｍ时，定位精度受 ［３］ 周忠谟，易杰军，周琪．ＧＰＳ卫星测量原理与应用［Ｍ］． 到电离层、对流层延迟的影响。凡点位相对精度要求２ 北京：测绘出版社，１９９７． １０ ｋｍ时，边长不宜超过２０～３０ ｋｍ；②在快速静态和动 ［编辑：栾丽杰］ 态测量中观测时间比双频接收机长。 （上接第１１８页） 在已有省级基础测绘数据成果的基础上，需要进行 城市建设的重要组成部分。３维可视化作为３Ｄ ＧＩＳ的重 再加工。由于已有的建筑物数据仅有２维边界，因此，需 要组成部分，它也是３Ｄ ＧＩＳ区别于２维ＧＩＳ的重要特征 要获取房屋的高度信息。可以采用数字摄影测量的方 之一。开展数字城市３维地理信息系统的研究，将３维可 法，在立体下采集。由于现有数据存在街区的综合，因此 视化和信息查询与管理技术应用于数字城市建设中，使 综合部分的建筑物需要在立体下重新采集，增加的工作 得人们对城市景观现状和规划设计的描述摆脱基于２维 量与原数据中街区综合的程度相关。 地图和３维实物模型的表现方式，代之以计算机３维空间 纹理数据对于ＧＩＳ的数据管理和空间分析功能没有 表现形式，使得决策者、设计师和用户对城市景观现状和 任何影响，但是，在地形模型表面和建筑物模型表面粘贴 规划设计蓝图有生动、直观的了解和更深刻的认识，从而 真实的纹理影像，可以逼真地表现景观信息，生成具有真 拓宽城市规划、设计和管理人员的视角，使城市规划、基 实感的３维景观图。纹理的主要来源有航空影像上提取 础设施设计更加科学化，对于城市可持续发展研究有重 地表和建筑物所对应的纹理数据和近景摄影影像。 要意义。 ３ ３维模型的应用 ４结束语 传统的２维ＧＩＳ由于其数据结构与表现形式的局限 省级基础测绘数据在采集和编辑的过程中，由于没 性，使得３维可视化ＧＩＳ正逐步发挥重要作用，成为数字 【下转第１２７页）
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