GPS系統誤差來源分析論文

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摘要：gps系統的定位誤差直接影響著GPS定位精度，按其產生的來源、性質及對系統的影響等進行了介紹和初步分析,提出了相應的措施以便消除或削弱它們對測量結果的影響。

關鍵詞：GPS誤差精度衛星星歷電離層對流層

一、GPS定位技術

GPS全球衛星定位系統是美國國防部為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設施進行高精度導航和定位的要求而建立的。該系統具有全球性、全天候、連續性等三維導航和定位能力,并具有良好的抗干擾性和保密性。它已成為美國導航技術現代化的最重要標志,并被視為20世紀美國繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的又一重大科技成就。在航空、航天、軍事、交通、運輸、資源勘探、通信、氣象等幾乎所有的領域中,它都被作為一項非常重要的技術手段，用于導航、定時、定位和進行大氣物理研究等。GPS的主要特點有：

（1）全球覆蓋連續導航定位:由于GPS有24顆衛星,且分布合理,軌道高達20200km,所以在地球上和近地空間任何一點,均可連續同步地觀測4顆以上衛星,實現全球、全天候連續導航定位。

（2）高精度三維定位:GPS能連續地為各類用戶提供三維位置、三維速度和精確時間信息。GPS提供的測量信息多,既可通過偽碼測定偽距,又可測定載波多普勒頻移、載波相位。

（3）抗干擾性能好、保密性強;GPS采用數字通訊的特殊編碼技術,即偽噪聲碼技術,因而具有良好的抗干擾性和保密性。

二、GPS定位的誤差來源分析

GPS測量是通過地面接收設備接收衛星傳送來的信息，計算同一時刻地面接收設備到多顆衛星之間的偽距離，采用空間距離后方交會方法，來確定地面點的三維坐標。因此，對于GPS衛星、衛星信號傳播過程和地面接收設備都會對GPS測量產生誤差。主要誤差來源可分為:與GPS衛星有關的誤差;與信號傳播有關的誤差;與接收設備有關的誤差。

1．與衛星有關的誤差

（1）衛星星歷誤差

衛星星歷誤差是指衛星星歷給出的衛星空間位置與衛星實際位置間的偏差,由于衛星空間位置是由地面監控系統根據衛星測軌結果計算求得的,所以又稱為衛星軌道誤差。它是一種起始數據誤差,其大小取決于衛星跟蹤站的數量及空間分布、觀測值的數量及精度、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等。星歷誤差是GPS測量的重要誤差來源.

（2）衛星鐘差

衛星鐘差是指GPS衛星時鐘與GPS標準時間的差別。為了保證時鐘的精度，GPS衛星均采用高精度的原子鐘，但它們與GPS標準時之間的偏差和漂移和漂移總量仍在1ms～0.1ms以內，由此引起的等效誤差將達到300km～30km。這是一個系統誤差必須加于修正。

（3）SA干擾誤差

SA誤差是美國軍方為了限制非特許用戶利用GPS進行高精度點定位而采用的降低系統精度的政策，簡稱SA政策，它包括降低廣播星歷精度的ε技術和在衛星基本頻率上附加一隨機抖動的δ技術。實施SA技術后，SA誤差已經成為影響GPS定位誤差的最主要因素。雖然美國在2000年5月1日取消了SA，但是戰時或必要時，美國可能恢復或采用類似的干擾技術。

（4）相對論效應的影響

這是由于衛星鐘和接收機所處的狀態(運動速度和重力位)不同引起的衛星鐘和接收機鐘之間的相對誤差。

2．與傳播途徑有關的誤差

（1）電離層折射

在地球上空距地面50～100km之間的電離層中,氣體分子受到太陽等天體各種射線輻射產生強烈電離,形成大量的自由電子和正離子。當GPS信號通過電離層時,與其他電磁波一樣,信號的路徑要發生彎曲,傳播速度也會發生變化,從而使測量的距離發生偏差,這種影響稱為電離層折射。對于電離層折射可用3種方法來減弱它的影響:①利用雙頻觀測值,利用不同頻率的觀測值組合來對電離層的延尺進行改正。②利用電離層模型加以改正。③利用同步觀測值求差,這種方法對于短基線的效果尤為明顯。

（2）對流層折射

對流層的高度為40km以下的大氣底層,其大氣密度比電離層更大,大氣狀態也更復雜。對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能,其溫度隨高度的增加而降低。GPS信號通過對流層時,也使傳播的路徑發生彎曲,從而使測量距離產生偏差,這種現象稱為對流層折射。減弱對流層折射的影響主要有3種措施:①采用對流層模型加以改正,其氣象參數在測站直接測定。②引入描述對流層影響的附加待估參數,在數據處理中一并求得。③利用同步觀測量求差。

（3）多路徑效應

測站周圍的反射物所反射的衛星信號(反射波)進入接收機天線,將和直接來自衛星的信號(直接波)產生干涉,從而使觀測值偏離,產生所謂的“多路徑誤差”。這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應被稱作多路徑效應。減弱多路徑誤差的方法主要有:①選擇合適的站址。測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中,應離開高層建筑物。②選擇較好的接收機天線,在天線中設置徑板,抑制極化特性不同的反射信號。轉3．與GPS接收機有關的誤差

（1）接收機鐘差

GPS接收機一般采用高精度的石英鐘,接收機的鐘面時與GPS標準時之間的差異稱為接收機鐘差。把每個觀測時刻的接收機鐘差當作一個獨立的未知數,并認為各觀測時刻的接收機鐘差間是相關的,在數據處理中與觀測站的位置參數一并求解，可減弱接收機鐘差的影響。

（2）接收機的位置誤差

接收機天線相位中心相對測站標石中心位置的誤差,叫接收機位置誤差。其中包括天線置平和對中誤差,量取天線高誤差。在精密定位時,要仔細操作,來盡量減少這種誤差影響。在變形監測中,應采用有強制對中裝置的觀測墩。相位中心隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化,這種差別叫天線相位中心的位置偏差。這種偏差的影響可達數毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設計中的一個重要問題。在實際工作中若使用同一類天線,在相距不遠的兩個或多個測站同步觀測同一組衛星,可通過觀測值求差來減弱相位偏移的影響。但這時各測站的天線均應按天線附有的方位標進行定向,使之根據羅盤指向磁北極。

（3）接收機天線相位中心偏差

在GPS測量時,觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準的,而天線的相位中心與其幾何中心,在理論上應保持一致。但是觀測時天線的相位中心隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化,這種差別叫天線相位中心的位置偏差。這種偏差的影響可達數毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設計中的一個重要問題。

三、GPS的最新發展與改進

面對導航市場的迅速發展和強大的競爭壓力，美國政府不得不作出反映，計劃在未來10年內對GPS做一系列的調整和改進。對GPS的改進將對GPS系統的3個部分進行，其中對星座部分的改進最大。

1．GPS星座的改進

(1)改善星座的分布(2)增強衛星的自主導航能力(3)取消SA政策(4)增加民用頻率(5)頻率復用(6)增強衛星發射信號的功率

2．地面監控部分的改進

衛星位置的精度直接影響到用戶的定位精度，而地面監控站的數量和分布部分地決定了GPS衛星定軌的質量。目前GPS共有5個監控站，衛星位置的精度為1m～2m。美國軍方正計劃將國家制圖局（NIMA）的7個GPS監控站納入目前的控制網，使將來的監控站的分布更加均勻、密度更大，為了計算衛星的位置提供更多的、更及時的高質量觀測數據。預計在未來10年，衛星星歷的精度將達到亞米級，甚至達到厘米級，同時，向衛星上傳數據的頻率也將更高。

3．用戶接受部分的改進

由于用戶的用途不同，用戶接受機的改進也是多樣化的。接收機的硬件部分正朝多樣化、小型化、模塊化、集成化、操作簡單等方向發展，例如出現了一些新的接收機可根據用戶的需求用軟件設定單頻GPS、雙頻GPS等模式。接收機的面板上只有一、兩個按鈕和若干個顯示燈組成，可完成接收機的基本操作。GPS的數據解算軟件將基于數據庫，朝著圖形化、智能化等方向發展。這些發展的最終的目的是讓一般用戶更方便的使用GPS。

參考文獻

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[2]張守信等．GPS技術與應用.國防工業出版社．2004.1．

[3]張小紅等．GPS定位技術在不同領域的應用[J]．武漢:測繪信息與工程．2001,1．