通信學論文-GPS系統(tǒng)的誤差來源分析 .doc

通信學論文-GPS系統(tǒng)的誤差來源分析摘要：GPS系統(tǒng)的定位誤差直接影響著GPS定位精度，按其產(chǎn)生的來源、性質(zhì)及對系統(tǒng)的影響等進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測量結(jié)果的影響。關(guān)鍵詞：GPS誤差精度衛(wèi)星星歷電離層對流層一、GPS定位技術(shù)GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國國防部為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進行高精度導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(shù)現(xiàn)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(lǐng)域中,它都被作為一項非常重要的技術(shù)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(xù)導航定位:由于GPS有24顆衛(wèi)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(xù)同步地觀測4顆以上衛(wèi)星,實現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導航定位。（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(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(shè)備接收衛(wèi)星傳送來的信息，計算同一時刻地面接收設(shè)備到多顆衛(wèi)星之間的偽距離，采用空間距離后方交會方法，來確定地面點的三維坐標。因此，對于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號傳播過程和地面接收設(shè)備都會對GPS測量產(chǎn)生誤差。主要誤差來源可分為:與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差；與信號傳播有關(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)星測軌結(jié)果計算求得的,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)量及空間分布、觀測值的數(shù)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(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差是指GPS衛(wèi)星時鐘與GPS標準時間的差別。為了保證時鐘的精度，GPS衛(wèi)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1ms0.1ms以內(nèi)，由此引起的等效誤差將達到300km30km。這是一個系統(tǒng)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(tǒng)精度的政策，簡稱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抖動的技術(shù)。實施SA技術(shù)后，SA誤差已經(jīng)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(zhàn)時或必要時，美國可能恢復或采用類似的干擾技術(shù)。（4）相對論效應(yīng)的影響這是由于衛(wèi)星鐘和接收機所處的狀態(tài)(運動速度和重力位)不同引起的衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間的相對誤差。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50100km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(chǎn)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(fā)生彎曲,傳播速度也會發(fā)生變化,從而使測量的距離發(fā)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: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。利用電離層模型加以改正。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(tài)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(fā)生彎曲,從而使測量距離產(chǎn)生偏差,這種現(xiàn)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:采用對流層模型加以改正,其氣象參數(shù)在測站直接測定。引入描述對流層影響的附加待估參數(shù),在數(shù)據(jù)處理中一并求得。利用同步觀測量求差。（3）多路徑效應(yīng)測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(反射波)進入接收機天線,將和直接來自衛(wèi)星的信號(直接波)產(chǎn)生干涉,從而使觀測值偏離,產(chǎn)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(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。測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中,應(yīng)離開高層建筑物。選擇較好的接收機天線,在天線中設(shè)置徑板,抑制極化特性不同的反射信號。3與GPS接收機有關(guān)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(shù),并認為各觀測時刻的接收機鐘差間是相關(guān)的,在數(shù)據(jù)處理中與觀測站的位置參數(shù)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(jiān)測中,應(yīng)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(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)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(wèi)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(yīng)按天線附有的方位標進行定向,使之根據(jù)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(yīng)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(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計中的一個重要問題。三、GPS的最新發(fā)展與改進面對導航市場的迅速發(fā)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(nèi)對GPS做一系列的調(diào)整和改進。對GPS的改進將對GPS系統(tǒng)的3個部分進行，其中對星座部分的改進最大。1GPS星座的改進(1)改善星座的分布(2)增強衛(wèi)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(wèi)星發(fā)射信號的功率2地面監(jiān)控部分的改進衛(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個監(jiān)控站，衛(wèi)星位置的精度為1m2m。美國軍方正計劃將國家制圖局（NIMA）的7個GPS監(jiān)控站納入目前的控制網(wǎng)，使將來的監(jiān)控站的分布更加均勻、密度更大，為了計算衛(wèi)星的位置提供更多的、更及時的高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)。預(yù)計在未來10年，衛(wèi)星星歷的精度將達到亞米級，甚至達到厘米級，同時，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(fā)展，例如出現(xiàn)了一些新的接收機可根據(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