GPS衛(wèi)星定位誤差來(lái)源-

1、GPS 衛(wèi)星定位的誤差來(lái)源分析GPS是一個(gè)龐大的系統(tǒng)(由GPS衛(wèi)星、用戶(hù)和地面的監(jiān)控站三部分組成 ,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)。誤差的組成也很復(fù)雜:根據(jù)不同的研究方向和研究重點(diǎn), 誤差的分類(lèi)各有不同。通常是按誤差的性質(zhì)將其分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩類(lèi);而從誤差的來(lái)源又可以將其分為與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與GPS衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差和與GPS信號(hào)接收機(jī)有關(guān)的誤差。此篇文章主要論述除鐘差、電離層、對(duì)流層、多路徑效應(yīng)以外的GPS衛(wèi)星定位的誤差來(lái)源。在高精度的GPS測(cè)量中,還應(yīng)注意

2、到與地球整體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的地球潮汐、負(fù)荷潮及相對(duì)論效應(yīng)等影響。1、與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差(1衛(wèi)星星歷誤差由星歷所給出的衛(wèi)星在空間的位置與實(shí)際位置之差稱(chēng)為衛(wèi)星星歷誤差。衛(wèi)星星歷分為廣播星歷和精密星歷。廣播星歷是通過(guò)GPS衛(wèi)星發(fā)送的一種預(yù)報(bào)星歷。因?yàn)槲覀儾荒艹浞至私庑l(wèi)星上存在的各種攝動(dòng)因素,所以預(yù)報(bào)星歷鐘存在較大的誤差。精密星歷是根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行擬合處理而得出的。它需要在一些已知精密位置的點(diǎn)上跟蹤衛(wèi)星來(lái)計(jì)算觀測(cè)瞬間的衛(wèi)星真是位置,從而獲得準(zhǔn)確可靠的精密星歷。(2相對(duì)論效應(yīng)相對(duì)論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)(運(yùn)動(dòng)速度和重力位不同而引起衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘誤差的現(xiàn)象。在廣義和狹義相對(duì)論的

3、綜合影響下,鐘安放在衛(wèi)星上比安放在地面上要快,為消除這一影響,一般將衛(wèi)星鐘的標(biāo)準(zhǔn)頻率減小 4.5×10-3Hz。(3美國(guó)的SA 政策和AS 政策美國(guó)軍方為限制非特許用戶(hù)利用GPS 進(jìn)行高精度定位, 采用了降低系統(tǒng)精度的政策: SA ( Select iv e Availability 政策和AS( Anti - Spoofing 政策。SA 政策即選擇可用性技術(shù), 通過(guò)( dither 和( epsilon 兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)。技術(shù)是通過(guò)人為干擾衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù), 降低GPS 數(shù)據(jù)傳播的軌道參數(shù)精度, 從而達(dá)到降低利用C / A碼進(jìn)行實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位精度的目的; 技術(shù)則是對(duì)GPS 衛(wèi)星的基準(zhǔn)信號(hào)人

4、為地引入一個(gè)高頻抖動(dòng)信號(hào), 使GPS 衛(wèi)星頻率10. 23 MHz 加以改變, 導(dǎo)致定位產(chǎn)生干擾誤差。采取上述措施后未經(jīng)授權(quán)的用戶(hù)使用全球定位系統(tǒng)的定位精度被降低為平面位±100 m, 高程±156 m, 速度±0. 3 m/ s, 時(shí)間±340ns。上述誤差置信度為95% 。美國(guó)政府已宣布于2005 年5 月1 日子夜取消SA 政策。AS 政策即反電子欺騙技術(shù), 其目的是為了在和平時(shí)期保護(hù)其P 碼, 戰(zhàn)時(shí)防止敵方對(duì)精密導(dǎo)航定位作用的P 碼進(jìn)行電子干擾。由于SA對(duì)每個(gè)衛(wèi)星附加的偏差不同, 而且同一衛(wèi)星的不同時(shí)段偏差的值也不同, 因此SA 偏差對(duì)測(cè)量結(jié)果的

5、影響很大。2、與GPS衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差(1周跳接收機(jī)由于某種原因( 如衛(wèi)星信號(hào)被擋住 對(duì)衛(wèi)星短時(shí)間失去跟蹤, 致使相位變化無(wú)法測(cè)出,稱(chēng)為失周或失鎖,也稱(chēng)為周跳產(chǎn)生周跳的原因有:衛(wèi)星信號(hào)被天線附近的地形地物短時(shí)間遮擋;多路徑誤差、電離層活動(dòng)加劇、對(duì)流層延遲影響;動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí), 由于載體運(yùn)動(dòng)速度太快或天線傾斜使信號(hào)丟失;GPS 接收機(jī)質(zhì)量不佳等。(2太陽(yáng)光壓太陽(yáng)光壓對(duì)GPS 衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)加速度。太陽(yáng)光壓對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)以影響衛(wèi)星的軌道, 它是精密定位的主要誤差源。目前太陽(yáng)光壓改正模型有: 標(biāo)準(zhǔn)光壓模型、多項(xiàng)式光壓模型和ROCK4 光壓攝動(dòng)模型。3、GPS信號(hào)接收機(jī)有關(guān)的誤差(1噪聲誤差噪聲誤差是

6、由PRN( 偽隨機(jī)噪聲碼, Pseudo Ran2domNoise 的噪聲誤差和接收機(jī)噪聲誤差構(gòu)成。接收機(jī)噪聲主要由天線噪聲、傳輸線噪聲、接收機(jī)內(nèi)部噪聲三部分組成。GPS 測(cè)量的主要觀測(cè)量是衛(wèi)星信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)的時(shí)間延遲, 為了測(cè)量時(shí)間延遲, 要在接收機(jī)內(nèi)復(fù)制測(cè)距碼信號(hào), 并通過(guò)接收機(jī)的時(shí)間延遲器進(jìn)行相移, 使復(fù)制的碼信號(hào)與接收到的相應(yīng)碼信號(hào)達(dá)到最大相關(guān), 其必須的相移量, 便是衛(wèi)星發(fā)射的碼信號(hào)到達(dá)接收機(jī)天線的傳播時(shí)間。衛(wèi)星發(fā)射碼與接收機(jī)內(nèi)復(fù)制的相應(yīng)測(cè)距碼之間的相位差, 通常其大小約為碼元寬度的1% 。根據(jù)相位差與碼元寬度的這種關(guān)系, 我們可初步估計(jì)各種波長(zhǎng)的信號(hào)的觀測(cè)精度。對(duì)C/A 碼而言

7、, 碼元寬度為293m, 所以其觀測(cè)精度約為2. 9m;P碼的碼元寬度為29. 3m, 其觀測(cè)精度約為0. 29m。由于載波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于碼的波長(zhǎng), 因此在分辨率相同的情況下, 載波相位的觀測(cè)精度比碼相位的觀測(cè)精度要高得多。對(duì)L1 載波( 波長(zhǎng)為19.03cm 而言觀測(cè), 誤差約為2.0mm; L2 載波( 波長(zhǎng)為24.42cm 的觀測(cè)誤差約為2.5mm。因此P碼和載波相位的觀測(cè)精度比C/A碼要高得多, 雙頻接收機(jī)的觀測(cè)精度要高于單頻接收機(jī)的觀測(cè)精度。同時(shí),由于不同的接收設(shè)備, 其接收機(jī)噪聲誤差也不盡相同, 主要是由于它們的天線噪聲、傳輸線噪聲、接收機(jī)內(nèi)部噪聲各不相同。因此接收設(shè)備的性能也是影響

8、觀測(cè)精度的一個(gè)方面。(2衛(wèi)星軌道偏差該偏差指衛(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)星星歷是GPS 定位的主要數(shù)據(jù)依據(jù), 衛(wèi)星在運(yùn)行中要受到多種攝動(dòng)力的影響, 而地面監(jiān)測(cè)站及主控站又難以精確測(cè)定其對(duì)每一個(gè)衛(wèi)星的作用力, 因此主控站( 和監(jiān)控站 不能精確測(cè)定并給出每一個(gè)衛(wèi)星的瞬時(shí)軌道信息, 由此形成衛(wèi)星軌道偏差。目前有效的方法是采用由美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局(NGS 提供的精密星歷, 同時(shí)采用不斷改進(jìn)的定軌技術(shù)及攝動(dòng)力模型和同步觀測(cè)值求差來(lái)降低或消除這一誤差。(3接收機(jī)位置誤差接收機(jī)天線相位中心與標(biāo)石中心位置的誤差叫接收機(jī)位置誤差。包括天線的整平對(duì)中誤差、天線高誤差。在精密定位時(shí),要仔

9、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。為減少這種誤差,此項(xiàng)誤差可通過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)校對(duì)天線的對(duì)中整平設(shè)備、采取適當(dāng)?shù)姆里L(fēng)措施等。(4天線相位中心位置偏差在GPS測(cè)量中,觀測(cè)值都是以接收機(jī)天線相位中心位置為準(zhǔn)的,天線的相位中心與其幾何中心在理論上保持一致。實(shí)際上天線的相位中心隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同有所變化,即觀測(cè)時(shí)相位中心的瞬時(shí)位置與理論上的相位中心有所不同,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(lèi)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)

10、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,使之根據(jù)羅盤(pán)指向磁北極。同時(shí)使用性能好的天線,(如扼流圈天線,以求盡可能的減少相位中心位置偏差帶來(lái)的誤差。接收機(jī)天線的幾何中心相對(duì)于測(cè)站標(biāo)石中心的位置偏差即為接收機(jī)位置誤差,主要指天線的整平和對(duì)中誤差及天線高量取誤差。此項(xiàng)誤差可通過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)校對(duì)天線的對(duì)中整平設(shè)備、采取適當(dāng)?shù)姆里L(fēng)措施等。4、其它誤差(1地球自轉(zhuǎn)的影響及修正算法地球自轉(zhuǎn)的影響。GPS采用的是協(xié)議地球系,若某一時(shí)刻衛(wèi)星從瞬時(shí)空間位置向地面發(fā)射信號(hào), 當(dāng)?shù)孛娼邮諜C(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào)時(shí), 與地球固連的協(xié)議坐標(biāo)系相對(duì)于衛(wèi)星發(fā)生瞬間位置已發(fā)生了旋轉(zhuǎn)( 繞Z軸旋轉(zhuǎn)。

11、這樣接收到的信號(hào)會(huì)有時(shí)間延遲,延遲大小與地球自轉(zhuǎn)速度有關(guān)。GPS信號(hào)的空間傳播時(shí)間約為0.067s左右,由于地球的自轉(zhuǎn)造成的,GPS信號(hào)發(fā)送時(shí)與到達(dá)接收機(jī)時(shí)衛(wèi)星軌道差為:式中是地球自轉(zhuǎn)角速度,位置偏差導(dǎo)致的站星距離差為:(2地球潮汐的誤差地球潮汐的影響,地球并非剛體, 在太陽(yáng)和月球的萬(wàn)有引力作用下, 固體地球會(huì)產(chǎn)生周期性形變, 這種現(xiàn)象被稱(chēng)為地球固體潮。地球固體潮可使地面點(diǎn)在垂直方向上的位移達(dá)在高精度單點(diǎn)定位和中長(zhǎng)距離相對(duì)定位中不可忽略此項(xiàng)影響。(3人為誤差誤差大多與人為因素有關(guān), 由于它對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響很大, 所以我們應(yīng)時(shí)刻注意避免此類(lèi)誤差出現(xiàn)。用戶(hù)的人為誤差, 包括大地基準(zhǔn)點(diǎn)的選取及對(duì)儀器

12、的操作規(guī)程的掌握程度( 儀器安置誤差, 對(duì)中、整平、天線方位的定向等 , 量測(cè)天線高度的誤差等。接收機(jī)軟件和硬件引起的誤差, 要求出測(cè)前要檢校儀器。主控站和監(jiān)控站由于人為的或計(jì)算機(jī)錯(cuò)誤引起的誤差, 由這類(lèi)誤差( 或者稱(chēng)為錯(cuò)誤 引起的誤差可以由1m到幾百公里, 其嚴(yán)重后果可想而知。美國(guó)隨時(shí)可能啟用的AS ( 反電子欺騙, AntiSpoofing 技術(shù)。AS 技術(shù)是P 碼經(jīng)過(guò)譯密技術(shù)處理變?yōu)閅碼, 由P碼與高度機(jī)密的W碼模2和形成Y碼。AS 和SA 是兩個(gè)獨(dú)立的干擾GPS 測(cè)量精度的技術(shù)。其它電磁波的影響包括接收機(jī)天線附近地區(qū)的電磁波的干擾( 高壓電線, 發(fā)射臺(tái)等等 。(4衛(wèi)星的空間位置和能見(jiàn)度

13、所引起的誤差衛(wèi)星的空間位置和能見(jiàn)度也是影響觀測(cè)精度的一個(gè)重要方面。衛(wèi)星的空間位置, 我們用PDOP( 空間位置精度因子, Position Dilution of Precision 來(lái)表示, 但通常都用幾何精度因子GDOP(Geometric Dilution of Precision 來(lái)描述空間位置精度因子PDOP和時(shí)間誤差TDOP( 接收機(jī)鐘差精度因子, Time Dilution of Precision 的綜合影響的精度因子。計(jì)算方法是:GDOP= ( PDOP 2+ (TDOP 2 1/ 2GPS 絕對(duì)定位的誤差與精度因子(DOP 的大小成正比。既然精度因子的數(shù)值與所測(cè)衛(wèi)星的幾何分

14、布圖形有關(guān), 那么何種分布的圖形比較適宜, 就成了人們研究的中心問(wèn)題。經(jīng)分析研究表明: 當(dāng)觀測(cè)站與4顆觀測(cè)衛(wèi)星所構(gòu)成的六面體體積越大時(shí), 所測(cè)衛(wèi)星在空間的分布范圍也越大, 而這時(shí)的GDOP 值越小,觀測(cè)的精度也越好; 但是為了降低大氣折射對(duì)觀測(cè)精度的影響, 通常都要先限制觀測(cè)衛(wèi)星的高度角( 上述大氣折射對(duì)觀測(cè)精度的影響 。當(dāng)所測(cè)衛(wèi)星在空間的分布范圍越大, GDOP 值越小;當(dāng)所測(cè)衛(wèi)星在空間的分布范圍越小, 則GDOP 值越大。當(dāng)GDOP值越小,則觀測(cè)效果就越顯著。因此可參照GDOP值的大小, 決定觀測(cè)效果的好壞, 同時(shí)決定是否采用此點(diǎn)位或此觀測(cè)值。但是光有好的GDOP(GDOP值較小而沒(méi)有好的能見(jiàn)度, 也是沒(méi)有用的。因此觀測(cè)站周?chē)琳衔锏母叨冉菓?yīng)小于15b。5、結(jié)束語(yǔ)GPS 定位是采用空間測(cè)距后方交會(huì)原理來(lái)定位的。定位過(guò)程中由于各種誤差的影響, 所以在實(shí)際工作中必須嚴(yán)格按照測(cè)量規(guī)程要求進(jìn)行操作, 盡量減小和降低各項(xiàng)誤差, 提高定位精度。在GPS 接收機(jī)滿(mǎn)足精度要求的前提下, 定位主要誤差源是多路徑效應(yīng)、周跳和點(diǎn)位的對(duì)中誤差。電離層延遲和對(duì)流層延遲主要對(duì)基線測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的高差產(chǎn)生影響, 兩點(diǎn)間高差愈大影響也愈大。在深刻理解GPS 定位誤差的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)合理