GPS系統(tǒng)的誤差來(lái)源分析

1、 gps系統(tǒng)的誤差來(lái)源分析 摘 要：gps 系統(tǒng)的定位誤差直接影響著gps定位精度，按其產(chǎn)生的來(lái)源、性質(zhì)及對(duì)系統(tǒng)的影響等進(jìn)行了介紹和初步分析,提出了相應(yīng)的措施以便消除或削弱它們對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。關(guān)鍵詞：gps誤差 精度 衛(wèi)星星歷 電離層 對(duì)流層一、gps 定位技術(shù)gps 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國(guó)國(guó)防部為滿足軍事部門對(duì)海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的要求而建立的。該系統(tǒng)具有全球性、全天候、連續(xù)性等三維導(dǎo)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(guó)導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化的最重要標(biāo)志,并被視為20 世紀(jì)美國(guó)繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后的又一重大科技成就。在航空、航天、軍事、交通、運(yùn)

2、輸、資源勘探、通信、氣象等幾乎所有的領(lǐng)域中,它都被作為一項(xiàng)非常重要的技術(shù)手段，用于導(dǎo)航、定時(shí)、定位和進(jìn)行大氣物理研究等。gps 的主要特點(diǎn)有：（1）全球覆蓋連續(xù)導(dǎo)航定位:由于gps 有24 顆衛(wèi)星,且分布合理,軌道高達(dá)20200km,所以在地球上和近地空間任何一點(diǎn),均可連續(xù)同步地觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。（2）高精度三維定位: gps 能連續(xù)地為各類用戶提供三維位置、三維速度和精確時(shí)間信息。gps提供的測(cè)量信息多,既可通過(guò)偽碼測(cè)定偽距,又可測(cè)定載波多普勒頻移、載波相位。（3）抗干擾性能好、保密性強(qiáng); gps 采用數(shù)字通訊的特殊編碼技術(shù),即偽噪聲碼技術(shù),因而具有良好的抗干擾

3、性和保密性。二、gps 定位的誤差來(lái)源分析gps 測(cè)量是通過(guò)地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送來(lái)的信息，計(jì)算同一時(shí)刻地面接收設(shè)備到多顆衛(wèi)星之間的偽距離，采用空間距離后方交會(huì)方法，來(lái)確定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。因此，對(duì)于gps衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程和地面接收設(shè)備都會(huì)對(duì)gps 測(cè)量產(chǎn)生誤差。主要誤差來(lái)源可分為:與gps衛(wèi)星有關(guān)的誤差;與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差;與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。1與衛(wèi)星有關(guān)的誤差（1）衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實(shí)際位置間的偏差,由于衛(wèi)星空間位置是由地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星測(cè)軌結(jié)果計(jì)算求得的,所以又稱為衛(wèi)星軌道誤差。它是一種起始數(shù)據(jù)誤差,其大小取決于衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)量及空

4、間分布、觀測(cè)值的數(shù)量及精度、軌道計(jì)算時(shí)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(cè)量的重要誤差來(lái)源.（2）衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差是指gps衛(wèi)星時(shí)鐘與gps標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差別。為了保證時(shí)鐘的精度，gps衛(wèi)星均采用高精度的原子鐘，但它們與gps標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的偏差和漂移和漂移總量仍在1ms0.1ms以內(nèi)，由此引起的等效誤差將達(dá)到300km30km。這是一個(gè)系統(tǒng)誤差必須加于修正。（3）sa干擾誤差sa誤差是美國(guó)軍方為了限制非特許用戶利用gps進(jìn)行高精度點(diǎn)定位而采用的降低系統(tǒng)精度的政策，簡(jiǎn)稱sa政策，它包括降低廣播星歷精度的技術(shù)和在衛(wèi)星基本頻率上附加一隨機(jī)抖動(dòng)的技術(shù)。實(shí)施sa技術(shù)后，sa誤差已經(jīng)成為影

5、響gps定位誤差的最主要因素。雖然美國(guó)在2000年5月1日取消了sa，但是戰(zhàn)時(shí)或必要時(shí)，美國(guó)可能恢復(fù)或采用類似的干擾技術(shù)。（4）相對(duì)論效應(yīng)的影響這是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)所處的狀態(tài)(運(yùn)動(dòng)速度和重力位) 不同引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間的相對(duì)誤差。2與傳播途徑有關(guān)的誤差（1）電離層折射在地球上空距地面50100 km 之間的電離層中,氣體分子受到太陽(yáng)等天體各種射線輻射產(chǎn)生強(qiáng)烈電離,形成大量的自由電子和正離子。當(dāng)gps 信號(hào)通過(guò)電離層時(shí),與其他電磁波一樣,信號(hào)的路徑要發(fā)生彎曲,傳播速度也會(huì)發(fā)生變化,從而使測(cè)量的距離發(fā)生偏差,這種影響稱為電離層折射。對(duì)于電離層折射可用3 種方法來(lái)減弱它的影響: 利用雙頻觀

6、測(cè)值,利用不同頻率的觀測(cè)值組合來(lái)對(duì)電離層的延尺進(jìn)行改正。利用電離層模型加以改正。利用同步觀測(cè)值求差,這種方法對(duì)于短基線的效果尤為明顯。（2）對(duì)流層折射對(duì)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(tài)也更復(fù)雜。對(duì)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(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí),也使傳播的路徑發(fā)生彎曲,從而使測(cè)量距離產(chǎn)生偏差,這種現(xiàn)象稱為對(duì)流層折射。減弱對(duì)流層折射的影響主要有3 種措施: 采用對(duì)流層模型加以改正,其氣象參數(shù)在測(cè)站直接測(cè)定。引入描述對(duì)流層影響的附加待估參數(shù),在數(shù)據(jù)處理中一并求得。利用同步觀測(cè)量求差。（3）多路徑效應(yīng)測(cè)站周圍的反射物所反射的

7、衛(wèi)星信號(hào)(反射波)進(jìn)入接收機(jī)天線,將和直接來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)(直接波) 產(chǎn)生干涉,從而使觀測(cè)值偏離,產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。這種由于多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)被稱作多路徑效應(yīng)。減弱多路徑誤差的方法主要有: 選擇合適的站址。測(cè)站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中,應(yīng)離開(kāi)高層建筑物。選擇較好的接收機(jī)天線,在天線中設(shè)置徑板,抑制極化特性不同的反射信號(hào)。123與gps 接收機(jī)有關(guān)的誤差（1）接收機(jī)鐘差gps 接收機(jī)一般采用高精度的石英鐘,接收機(jī)的鐘面時(shí)與gps 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異稱為接收機(jī)鐘差。把每個(gè)觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的未知數(shù),并認(rèn)為各觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差間是相關(guān)的,在數(shù)據(jù)處理中與觀測(cè)站

8、的位置參數(shù)一并求解，可減弱接收機(jī)鐘差的影響。（2）接收機(jī)的位置誤差接收機(jī)天線相位中心相對(duì)測(cè)站標(biāo)石中心位置的誤差,叫接收機(jī)位置誤差。其中包括天線置平和對(duì)中誤差,量取天線高誤差。在精密定位時(shí),要仔細(xì)操作,來(lái)盡量減少這種誤差影響。在變形監(jiān)測(cè)中,應(yīng)采用有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)墩。相位中心隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)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(dá)數(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。在實(shí)際工作中若使用同一類天線,在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)測(cè)站同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星,可通過(guò)觀測(cè)值求差來(lái)減弱相位偏移的影響。但這時(shí)各測(cè)站的天線均應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向,使

9、之根據(jù)羅盤指向磁北極。（3）接收機(jī)天線相位中心偏差在gps 測(cè)量時(shí),觀測(cè)值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)的,而天線的相位中心與其幾何中心,在理論上應(yīng)保持一致。但是觀測(cè)時(shí)天線的相位中心隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)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(dá)數(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。三、gps的最新發(fā)展與改進(jìn)面對(duì)導(dǎo)航市場(chǎng)的迅速發(fā)展和強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，美國(guó)政府不得不作出反映，計(jì)劃在未來(lái)10年內(nèi)對(duì)gps做一系列的調(diào)整和改進(jìn)。對(duì)gps的改進(jìn)將對(duì)gps系統(tǒng)的3個(gè)部分進(jìn)行，其中對(duì)星座部分的改進(jìn)最大。1gps星座的改進(jìn)(1)改善星座的分布(2)增強(qiáng)

10、衛(wèi)星的自主導(dǎo)航能力(3)取消sa政策(4)增加民用頻率(5)頻率復(fù)用(6)增強(qiáng)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的功率2地面監(jiān)控部分的改進(jìn)衛(wèi)星位置的精度直接影響到用戶的定位精度，而地面監(jiān)控站的數(shù)量和分布部分地決定了gps衛(wèi)星定軌的質(zhì)量。目前gps共有5個(gè)監(jiān)控站，衛(wèi)星位置的精度為1m2m。美國(guó)軍方正計(jì)劃將國(guó)家制圖局（nima）的7個(gè)gps監(jiān)控站納入目前的控制網(wǎng)，使將來(lái)的監(jiān)控站的分布更加均勻、密度更大，為了計(jì)算衛(wèi)星的位置提供更多的、更及時(shí)的高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)在未來(lái)10年，衛(wèi)星星歷的精度將達(dá)到亞米級(jí)，甚至達(dá)到厘米級(jí)，同時(shí)，向衛(wèi)星上傳數(shù)據(jù)的頻率也將更高。3用戶接受部分的改進(jìn)由于用戶的用途不同，用戶接受機(jī)的改進(jìn)也是多樣化的。接收機(jī)的硬件部分正朝多樣化、小型化、模塊化、集成化、操作簡(jiǎn)單等方向發(fā)展，例如出現(xiàn)了一些新的接收機(jī)可根據(jù)用戶的需求用軟件設(shè)定單頻gps、雙頻gps等模式。接收機(jī)的面板上只有一、兩個(gè)按鈕和若干個(gè)顯示燈組成，可完成接收機(jī)的基本操作。gps的數(shù)