Principales errores en las mediciones GPS
En las mediciones GPS, los principales errores que afectan a la precisión de la observación se pueden dividir en las siguientes tres categorías:
1. Errores relacionados con los satélites GPS
Errores relevantes Incluye principalmente errores de órbita del satélite y errores del reloj del satélite
1 Errores del reloj del satélite
Dado que la posición del satélite es una función del tiempo, todas las observaciones del GPS se basan en datos precisos. medición del tiempo, y la información correspondiente a la posición del satélite se transmite al receptor a través de la información codificada de la señal del satélite. En el posicionamiento GPS, ya sea que se trate de observación de fase de código o observación de fase de portadora, se requiere que el reloj del satélite y el reloj del receptor mantengan una sincronización estricta. De hecho, aunque los satélites GPS están equipados con relojes atómicos de alta precisión (relojes de rubidio y relojes de cesio), todavía existen desviaciones y derivas inevitables entre ellos y la hora ideal del GPS. La cantidad total de esta desviación es aproximadamente de 1 ms.
Esta desviación del reloj del satélite generalmente puede ser determinada por la estación de control principal del satélite mediante el monitoreo continuo del estado operativo del reloj del satélite, y proporcionada al receptor a través del mensaje de navegación del satélite. Una vez corregida la diferencia de reloj, la diferencia de sincronización entre satélites se puede mantener dentro de los 20 ns.
En el posicionamiento relativo, el error del reloj del satélite se puede eliminar calculando la diferencia (o diferencia) entre observaciones.
2. Desviación de la órbita de los satélites
Es difícil estimar y procesar la desviación de la órbita de los satélites. La razón principal es que los satélites están sujetos a efectos complejos de múltiples perturbaciones durante su funcionamiento. Es difícil para las estaciones de monitoreo terrestres medir de manera completa y confiable estas fuerzas y comprender sus leyes de acción. Actualmente, la información de la órbita de los satélites se obtiene a través de mensajes de navegación.
Cabe decir que el error de órbita de los satélites es una de las principales fuentes de errores en las mediciones GPS actuales. Cuanto mayor sea la longitud de la línea base de la medición, mayor será el impacto de este error.
En las mediciones de posicionamiento GPS, existen los siguientes métodos directos para abordar los errores de órbita de los satélites:
1) Ignorar los errores de órbita
Este método se basa en ? mensajes de navegación La información de la órbita del satélite obtenida se basa en el error real de la órbita del satélite, por lo que se utiliza ampliamente en trabajos de posicionamiento de un solo punto en tiempo real con baja precisión.
2) Utilice el método de mejora de la órbita para procesar datos de observación.
Este método introduce parámetros de corrección que caracterizan las desviaciones de la órbita de los satélites en el procesamiento de datos y supone que estos parámetros son constantes, resuélvalos juntos. con otros números requeridos.
3) Diferencia de valores de observación sincrónica
Este método consiste en utilizar dos o más estaciones de observación para encontrar la diferencia de valores de observación sincrónica del mismo satélite. para reducir el impacto de los errores orbitales de los satélites. Dado que la influencia del error de posición del mismo satélite en las observaciones sincrónicas de diferentes estaciones de observación tiene la naturaleza de un error sistemático, el método de diferencia anterior puede debilitar significativamente la influencia del error de órbita del satélite, especialmente cuando la línea de base es corta, su La eficacia es aún menos obvia.
Este método es extremadamente importante para un posicionamiento relativo preciso.
2. Errores relacionados con la propagación de señales de satélite
Los errores relacionados con las señales de satélite incluyen principalmente errores de refracción atmosférica y efectos multitrayecto
1. Refracción ionosférica La influencia del GPS Las señales de satélite, al igual que otras señales de ondas electromagnéticas, se verán afectadas por las características de dispersión de este medio al pasar por la ionosfera, provocando que cambie la ruta de propagación de la señal. Cuando el satélite GPS está en dirección cenital, la refracción ionosférica tiene el menor impacto en la ruta de propagación de la señal, y cuando el satélite está cerca del horizonte, el impacto es mayor.
Para debilitar la influencia de la ionosfera, se suelen adoptar las siguientes medidas en el posicionamiento GPS
(1) Utilizar observación de doble frecuencia
Dado que el La influencia de la ionosfera es la señal A en función de la frecuencia, por lo que para la observación se utilizan señales de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias. Esto nos permitirá determinar más de su impacto y corregir las cantidades observadas.
Por lo tanto, los receptores GPS con frecuencias duales se utilizan ampliamente en mediciones de posicionamiento de precisión. Sin embargo, cabe señalar claramente que las observaciones deben evitarse en la medida de lo posible durante el mediodía de radiación solar o durante períodos anormales de actividad de las manchas solares. Especialmente en mediciones de posicionamiento de precisión.
(2) Utilice el modelo ionosférico para corregirlo
Para receptores GPS de frecuencia única, para reducir el impacto de la señal de radio, se utiliza el modelo ionosférico proporcionado por la navegación. Generalmente se utiliza el mensaje, o Otros modelos ionosféricos adecuados corrigen las observaciones, pero este modelo aún se está mejorando y la eficacia actual de la corrección del modelo es de aproximadamente el 75%.
(3) Utilice observaciones sincrónicas para encontrar la diferencia.
Este método utiliza dos o más receptores para encontrar la diferencia entre observaciones sincrónicas del mismo satélite para debilitar la ionosfera. refracción, especialmente cuando la distancia entre las estaciones de observación es relativamente cercana (<20 km). Dado que los caminos que siguen las señales de los satélites para llegar a cada estación de observación son similares y las condiciones de los medios por los que pasan son similares, las observaciones sincrónicas del mismo satélite. señal a través de cada estación de observación Al encontrar la diferencia, la influencia de la refracción ionosférica se puede debilitar significativamente y el residual no excederá 0,000001. Para los receptores GPS de frecuencia única, la importancia de este método es particularmente obvia.
2. La influencia de la refracción troposférica
La influencia de la refracción troposférica en los valores observados se puede dividir en componente seco y componente húmedo. El componente seco está relacionado principalmente con la humedad y la presión de la atmósfera, mientras que el componente húmedo está relacionado principalmente con la humedad atmosférica en la ruta de propagación de la señal. El impacto del componente seco se puede calcular a partir de datos atmosféricos terrestres; el componente húmedo aún no se puede medir con precisión. Para el transporte de líneas de base cortas (<50 km), el impacto del componente húmedo es menor.
En cuanto al impacto de la refracción troposférica, generalmente existen varios métodos de tratamiento:
(1) Cuando no se requiere precisión de posicionamiento, es posible que no se considere su impacto.
(2) Utilizar el modelo troposférico para realizar correcciones.
(3) Utilizar el método de diferencias observacionales. De manera similar a la influencia de la ionosfera, cuando la distancia entre las estaciones de observación no es muy grande (<20 km), dado que la trayectoria de la señal a través de la troposfera es similar y las propiedades físicas de la troposfera son similares, la diferencia entre las observaciones sincrónicas de la misma El satélite puede verse significativamente debilitado por los efectos de la refracción troposférica.
3. Efecto multitrayecto
El efecto multitrayecto, también conocido como error multitrayecto, significa que además de recibir directamente la señal transmitida por el satélite, la antena del receptor también puede recibir la señal. transmitida por el satélite La señal del satélite se refleja una o varias veces por los objetos alrededor de la antena. La superposición de la señal hará que la posición del punto de referencia de medición (punto central de fase) cambie, provocando así un error en la observación. , este error varía según la naturaleza de la superficie reflectante alrededor de la antena, difícil de controlar. Según datos experimentales, en un entorno de reflexión general, el impacto de los efectos de trayectorias múltiples en el pseudorango de medición del código puede alcanzar el nivel del metro, y el impacto en el pseudorango de medición de fase puede alcanzar el nivel del centímetro. En un entorno altamente reflectante, su impacto no sólo aumentará significativamente, sino que también hará que la señal del satélite recibida pierda el bloqueo y provocará deslizamientos de ciclo en las observaciones de la fase portadora. Por lo tanto, en la navegación y medición GPS de precisión, no se puede ignorar el impacto de los efectos de trayectorias múltiples.
Las medidas actuales para reducir el impacto de los efectos de trayectorias múltiples son:
(1) El entorno donde se coloca la antena del receptor debe evitar superficies reflectantes fuertes, como la superficie del agua = plana y suelo liso y superficies de construcción planas, etc.
(2) Elija una antena con forma adecuada y buen blindaje.
(3) Ampliar adecuadamente el tiempo de observación para debilitar el impacto periódico de los efectos multitrayectoria.
(4) Mejorar el diseño del circuito del receptor GPS para reducir el impacto de los efectos multitrayectoria.
3. Errores relacionados con el equipo receptor
? Los errores relacionados con el equipo receptor GPS incluyen principalmente errores de observación, errores del reloj del receptor, errores del centro de fase de la antena y errores de observación de la fase de la portadora. semana.
1. Error de observación
El error de observación incluye el error de resolución de la observación y el error de ubicación de la antena del receptor con respecto al sitio de medición.
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Según la experiencia, generalmente se cree que el error de resolución de observación es aproximadamente el 1% de la longitud de onda de la señal. Por lo tanto, se sabe que el error de resolución de la fase de la portadora no es menor que el de la fase del código. Dado que este error es un error accidental, la cantidad de observación se puede aumentar apropiadamente, lo que debilitará significativamente su influencia.
El error de colocación de la antena del receptor con respecto al centro de la estación de observación es principalmente el error de desalineación y centrado de la antena y el error de medición de la altura de la antena, en trabajos de posicionamiento de precisión, debe. debe operarse con cuidado para garantizar Minimizar el impacto de este error.
2. Error del reloj del receptor
Aunque el receptor GPS tiene un reloj de cuarzo de alta precisión y su estabilidad de frecuencia diaria puede alcanzar 10-11 cuadrados, la observación de la fase portadora no puede ser impactada. ser ignorado.
? Una forma más eficaz de abordar las diferencias en los relojes del receptor es considerar las diferencias en los relojes del receptor en cada momento de observación como relacionadas, estableciendo así un modelo de diferencia de reloj y expresándolo en forma de polinomio de tiempo, y luego resolverlo uniformemente en el cálculo de ajuste de las cantidades observadas para obtener los coeficientes del polinomio, y así obtener también la corrección del error de reloj del receptor.
3. Incógnitas enteras de la observación de la fase de la portadora
El método de observación más preciso que se utiliza actualmente en la observación de la fase de la portadora, porque el receptor solo puede medir fracciones no enteras de la parte de la fase de la portadora. , y es imposible medir directamente el número de ciclos enteros de la fase de onda abierta, por lo que existe el problema de la incertidumbre entera.
Además, durante el proceso de observación se produce el fenómeno de deslizamiento del ciclo debido a la pérdida de bloqueo de la señal del satélite. Desde el momento en que la señal del satélite pierde el bloqueo hasta que la señal se vuelve a bloquear, no hay ningún impacto en la parte fraccionaria del ciclo no entero de la fase de la portadora, que sigue siendo la misma que antes de la pérdida del bloqueo. Los ciclos enteros se interrumpen y ya no son continuos, por lo que el impacto de los deslizamientos de ciclo en las observaciones. De manera similar al impacto de las incógnitas de ciclo completo, en el procesamiento de datos de posicionamiento preciso, las incógnitas de ciclo completo y los deslizamientos de ciclo son cuestiones críticas.
4. Desviación de la posición del centro de fase de la antena
En el posicionamiento GPS, el valor de observación se basa en la posición del centro de fase de la antena del receptor, por lo que El centro de fase de la antena es teóricamente consistente con su centro geométrico. Sin embargo, de hecho, la posición del centro de fase de la antena cambia con la intensidad y dirección de la entrada de la señal, es decir, la posición instantánea del centro de fase durante la observación (llamada centro de fase aparente) será diferente de la posición central teórica. de la unidad. , El impacto de la desviación del centro de fase de la antena en los resultados de posicionamiento relativo puede variar desde varios milímetros hasta varios centímetros, dependiendo del rendimiento de la antena. Por lo tanto, para un posicionamiento relativo preciso, este efecto no se puede ignorar.
En el trabajo real, si se utiliza el mismo tipo de antena para observar simultáneamente el mismo grupo de satélites en dos o más estaciones de observación no muy alejadas, entonces la diferencia en los valores de observación se puede calcular para debilitar el efecto del cambio de centro de fase. Cabe mencionar que al instalar las antenas de cada estación de observación, se deben orientar según la marca de acimut adherida a la antena para que apunte al polo norte magnético según la brújula.