三 GPS定位中的誤差源

GPS定位中的誤差源GPS測量的主要誤差分類：1)與衛(wèi)星有關誤差衛(wèi)星星歷誤差即軌道偏差，衛(wèi)星鐘差，相對論效應。2)信號傳播誤差電離層延時，對流層延時，多路徑效應。3)觀測及接收設備誤差接收機鐘差，接收機噪聲，天線相位中心誤差，天線安置誤差。4)其它誤差地球固體潮，地球海潮，美國SA政策。與衛(wèi)星有關的誤差1.衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差主要是衛(wèi)星軌道偏差。估計與處理衛(wèi)星的軌道偏差較為困難，其主要原因是，衛(wèi)星在運行中要受到多種攝動力的復雜影響，而通過地面監(jiān)測站，以難以充分可靠的測定這作用力，并掌握它們的作用規(guī)律，目前，衛(wèi)星軌道信息是通過導航電文等到的。應該說，衛(wèi)星軌道誤差是當前GPS測量的主要誤差來源之一。測量的基線長度越長，此項誤差的影響就越大。與衛(wèi)星有關的誤差在GPS定位測量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下幾種方法:1)忽略軌道誤差廣泛的用于精度較低的實時單點定位工作中。2)建立自己的衛(wèi)星跟蹤網獨立定軌。3)采用軌道改進法處理觀測數(shù)據這種方法是在數(shù)據處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設在短時間內這些參數(shù)為常量，將其與其它求知數(shù)一并求解。4)同步觀測值求差這一方法是利用在兩個或多個觀測站一同，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。這種方法對于精度相對定位，具有極其重要的意義。與衛(wèi)星有關的誤差2.衛(wèi)星鐘的鐘誤差盡管GPS衛(wèi)星均設有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是它們與理想的GPS時之間，仍存在著難以避免的偏差和漂移。這種偏差的總量約在1ms以內。對于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過對衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測確定，并通過衛(wèi)星的導航電文提供給接收機。經鐘差改正后，各衛(wèi)星之間的同步差，即可保持在20ns以內。在相對定位中，衛(wèi)星鐘差可通過觀測量求差（或差分）的方法消除。與衛(wèi)星有關的誤差3.相對論效應由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)（運動速度和重力位）不同而引起衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產生相對鐘誤差的現(xiàn)象即相對論效應。如果我們把地球看做是一個圓球，吧衛(wèi)星軌道近似看成是半徑為a得圓軌道，將R=6378km，a=26560km，u=398600.5km3/s2，c=299792.458km/s代入后得Δf=4.45X10-10·f，說明相對論效應的綜合影響為常數(shù)Δf，解決這個問題最為簡單而有效的方法是在地面上生產原子鐘時將鐘得頻率降低Δf，例如：衛(wèi)星鐘得實際標稱頻率為10.23MHz，因此在生產時應將其頻率調整為：f’=（1-4.45X10-10）X10.23MHz=10.22999999545MHz與衛(wèi)星有關的誤差4.相對論效應的嚴格公式衛(wèi)星軌道的偏心率很小，但是不為零，在精度要求較高的精密定位中，往往需要加第二項改正：由于衛(wèi)星鐘的頻率誤差Δf’而引起的衛(wèi)星信號傳播時間誤差及測距誤差為：相應的測距誤差為：當衛(wèi)星的軌道偏心率為E=0.01時，Δt為22.9ns，Δρ為6.864m，于是，在單點定位的時候，上述誤差不得不考慮。在采用雙差觀測值進行相對定位時，該誤差可以自己消去，則不用考慮。與接收機有關的誤差

1．觀測誤差觀測誤差包括觀測的分辨誤差及接收機天線相對于測站點的安置誤差等。一般認為觀測的分辨誤差約為信號波長的1%。接收機天線相對于觀測站中心的安置誤差，主要是天線的安置對中誤差以及量取天線高的誤差，在精密定位工作中，必須認真，仔細操作，以盡量減小這種誤差的影響。與接收機有關的誤差

2．接收機的鐘差盡管GPS接收機裝有高精度的石英鐘，其日頻率穩(wěn)定度可以達到10的-11方，但對載波相位觀測的影響仍是不可忽視的。處理接收機鐘差較為有效的方法：將每個時刻的接收機鐘差作為未知參數(shù)參與平差；是將各觀測時刻的接收機鐘差間看成是相關的，由此建立一個鐘差模型，并表示為一個時間多項式的形式，然后在觀測量的平差計算中統(tǒng)一求解，得到多項式的系數(shù)，因而也得到接收機的鐘差改正；通過星歷一次差分可消除接收機鐘差的影響。與接收機有關的誤差3．天線的相位中心位置偏差在GPS定位中，實際上天線的相位中心位置隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，即觀測時相位中心的瞬時位置（稱為視相位中心）與理論上的本單位中心位置將有所不同，天線相位中心的偏差對相對定位結果的影響，根據天線性能的優(yōu)劣，可達數(shù)毫米至數(shù)厘米。所以對于精密相對定位，這種影響是不容忽視的。在實際工作中，如果使用同一類型的天線，在相距不遠的兩個或多個觀測站上，同步觀測同一組衛(wèi)星，那么便可通過觀測值求差，以削弱相位中心偏移的影響。需要提及的是，安置各觀測站的天線時，均按天線附有的方位標進行定向，使之根據羅盤指向磁北極。與信號傳播有關的誤差電離層折射的影響GPS衛(wèi)星信號的其它電磁波信號一樣，當其通過電離層時，將受到這一介質彌散特性的影響，便其信號的傳播路徑發(fā)生變化。當GPS衛(wèi)星處于天頂方向時，電離層折射對信號傳播路徑的影響最小，而當衛(wèi)星接近地平線時，則影響最大。與信號傳播有關的誤差為了減弱電離層的影響，在GPS定位中通常采用下面措施：1)利用雙頻觀測由于電離層的影響是信號頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號進行觀測。便能多確定其影響，而對觀測量加以修正。與信號傳播有關的誤差為了減弱電離層的影響，在GPS定位中通常采用下面措施：(2)利用電離層模型加以修正對于單頻GPS接收機，為了減弱電離層的影響，一般是采用導航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對觀測量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率約為75％。與信號傳播有關的誤差為了減弱電離層的影響，在GPS定位中通常采用下面措施：

(3)利用同步觀測值求差這一方法是利用兩臺或多臺接收機，對同一衛(wèi)星的同步觀測求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當觀測站間的距離較近時（<20km），由于衛(wèi)星信號到達各觀測站的路徑相近，所經過的介質狀況相似，因此通過各觀測站對相同衛(wèi)星信號的同步觀測值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響，其殘差將不會超過1ppm。對于單頻GPS接收機而言，這種方法的重要意義尤為明顯。與信號傳播有關的誤差對流層折射的影響對流層折射對觀測值的影響，可分為干分量與濕分量。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度有關。對于干分量的影響，可通過地面的大氣資料計算；濕分量目前尚無法準確測定。對于較短的基線(<50km)，濕分量的影響較小。與信號傳播有關的誤差關于對流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法：1)

定位精度要求不高時，可不考慮其影響。2)

采用對流層模型進行改正，如：霍普菲爾德（Hopfield）模型；勃蘭克模型（Black）模型；3)

采用觀測量求差的方法。與電離層的影響相類似，當觀測站間相距不遠(<20km)時，由于信號通過對流層的路徑相近，對流層的物理特性相近，所以對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯的減弱對流層折射的影響。與信號傳播有關的誤差多路徑效應多路徑效應亦稱多路徑誤差，是指接收機天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還可能收到經天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號，信號疊加將會引起測量參考點（相位中心點)位置的變化，從而便觀測量產生誤差，而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質而異，難以控制。與信號傳播有關的誤差多路徑效應影響根據實驗資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應對測碼偽距的影響可達到米級，對測相偽距的影響可達到厘米級。而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導致接收的衛(wèi)星信號失鎖和使載波相位觀測量產生周跳。因此，在精密GPS導航和測量中，多路徑效應的影響是不可忽視的。與信號傳播有關的誤差目前減弱多路徑效應影響的措施有：（1）安置接收機天線的環(huán)境，應避開較強的反射面，如水面、平坦光滑的地面以