三 GPS定位中的誤差源

GPS定位中的誤差源GPS測(cè)量的主要誤差分類：1)與衛(wèi)星有關(guān)誤差衛(wèi)星星歷誤差即軌道偏差，衛(wèi)星鐘差，相對(duì)論效應(yīng)。2)信號(hào)傳播誤差電離層延時(shí)，對(duì)流層延時(shí)，多路徑效應(yīng)。3)觀測(cè)及接收設(shè)備誤差接收機(jī)鐘差，接收機(jī)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(guān)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(jì)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(yùn)行中要受到多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測(cè)站，以難以充分可靠的測(cè)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(dǎo)航電文等到的。應(yīng)該說，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前GPS測(cè)量的主要誤差來源之一。測(cè)量的基線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，此項(xiàng)誤差的影響就越大。與衛(wèi)星有關(guān)的誤差在GPS定位測(cè)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(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中。2)建立自己的衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立定軌。3)采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù)這種方法是在數(shù)據(jù)處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)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(cè)值求差這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站一同，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。這種方法對(duì)于精度相對(duì)定位，具有極其重要的意義。與衛(wèi)星有關(guān)的誤差2.衛(wèi)星鐘的鐘誤差盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是它們與理想的GPS時(shí)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(nèi)。對(duì)于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過對(duì)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)確定，并通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機(jī)。經(jīng)鐘差改正后，各衛(wèi)星之間的同步差，即可保持在20ns以內(nèi)。在相對(duì)定位中，衛(wèi)星鐘差可通過觀測(cè)量求差（或差分）的方法消除。與衛(wèi)星有關(guān)的誤差3.相對(duì)論效應(yīng)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)象即相對(duì)論效應(yīng)。如果我們把地球看做是一個(gè)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(duì)論效應(yīng)的綜合影響為常數(shù)Δf，解決這個(gè)問題最為簡(jiǎn)單而有效的方法是在地面上生產(chǎn)原子鐘時(shí)將鐘得頻率降低Δf，例如：衛(wèi)星鐘得實(shí)際標(biāo)稱頻率為10.23MHz，因此在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)將其頻率調(diào)整為：f’=（1-4.45X10-10）X10.23MHz=10.22999999545MHz與衛(wèi)星有關(guān)的誤差4.相對(duì)論效應(yīng)的嚴(yán)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(xiàng)改正：由于衛(wèi)星鐘的頻率誤差Δf’而引起的衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間誤差及測(cè)距誤差為：相應(yīng)的測(cè)距誤差為：當(dāng)衛(wèi)星的軌道偏心率為E=0.01時(shí)，Δt為22.9ns，Δρ為6.864m，于是，在單點(diǎn)定位的時(shí)候，上述誤差不得不考慮。在采用雙差觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)，該誤差可以自己消去，則不用考慮。與接收機(jī)有關(guān)的誤差

1．觀測(cè)誤差觀測(cè)誤差包括觀測(cè)的分辨誤差及接收機(jī)天線相對(duì)于測(cè)站點(diǎn)的安置誤差等。一般認(rèn)為觀測(cè)的分辨誤差約為信號(hào)波長(zhǎng)的1%。接收機(jī)天線相對(duì)于觀測(cè)站中心的安置誤差，主要是天線的安置對(duì)中誤差以及量取天線高的誤差，在精密定位工作中，必須認(rèn)真，仔細(xì)操作，以盡量減小這種誤差的影響。與接收機(jī)有關(guān)的誤差

2．接收機(jī)的鐘差盡管GPS接收機(jī)裝有高精度的石英鐘，其日頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10的-11方，但對(duì)載波相位觀測(cè)的影響仍是不可忽視的。處理接收機(jī)鐘差較為有效的方法：將每個(gè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差作為未知參數(shù)參與平差；是將各觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差間看成是相關(guān)的，由此建立一個(gè)鐘差模型，并表示為一個(gè)時(shí)間多項(xiàng)式的形式，然后在觀測(cè)量的平差計(jì)算中統(tǒng)一求解，得到多項(xiàng)式的系數(shù)，因而也得到接收機(jī)的鐘差改正；通過星歷一次差分可消除接收機(jī)鐘差的影響。與接收機(jī)有關(guān)的誤差3．天線的相位中心位置偏差在GPS定位中，實(shí)際上天線的相位中心位置隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，即觀測(cè)時(shí)相位中心的瞬時(shí)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(duì)相對(duì)定位結(jié)果的影響，根據(jù)天線性能的優(yōu)劣，可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米。所以對(duì)于精密相對(duì)定位，這種影響是不容忽視的。在實(shí)際工作中，如果使用同一類型的天線，在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站上，同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，那么便可通過觀測(cè)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(cè)站的天線時(shí)，均按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極。與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差電離層折射的影響GPS衛(wèi)星信號(hào)的其它電磁波信號(hào)一樣，當(dāng)其通過電離層時(shí)，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號(hào)的傳播路徑發(fā)生變化。當(dāng)GPS衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對(duì)信號(hào)傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)，則影響最大。與信號(hào)傳播有關(guān)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(cè)由于電離層的影響是信號(hào)頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。便能多確定其影響，而對(duì)觀測(cè)量加以修正。與信號(hào)傳播有關(guān)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(duì)于單頻GPS接收機(jī)，為了減弱電離層的影響，一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對(duì)觀測(cè)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(hào)傳播有關(guān)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(cè)值求差這一方法是利用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī)，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當(dāng)觀測(cè)站間的距離較近時(shí)（<20km），由于衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)各觀測(cè)站的路徑相近，所經(jīng)過的介質(zhì)狀況相似，因此通過各觀測(cè)站對(duì)相同衛(wèi)星信號(hào)的同步觀測(cè)值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響，其殘差將不會(huì)超過1ppm。對(duì)于單頻GPS接收機(jī)而言，這種方法的重要意義尤為明顯。與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差對(duì)流層折射的影響對(duì)流層折射對(duì)觀測(cè)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(guān)，而濕分量主要與信號(hào)傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對(duì)于干分量的影響，可通過地面的大氣資料計(jì)算；濕分量目前尚無法準(zhǔn)確測(cè)定。對(duì)于較短的基線(<50km)，濕分量的影響較小。與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差關(guān)于對(duì)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(shí)，可不考慮其影響。2)

采用對(duì)流層模型進(jìn)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(cè)量求差的方法。與電離層的影響相類似，當(dāng)觀測(cè)站間相距不遠(yuǎn)(<20km)時(shí)，由于信號(hào)通過對(duì)流層的路徑相近，對(duì)流層的物理特性相近，所以對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，可以明顯的減弱對(duì)流層折射的影響。與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng)亦稱多路徑誤差，是指接收機(jī)天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，還可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào)，信號(hào)疊加將會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)（相位中心點(diǎn))位置的變化，從而便觀測(cè)量產(chǎn)生誤差，而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差多路徑效應(yīng)影響根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)碼偽距的影響可達(dá)到米級(jí)，對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)。而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號(hào)失鎖和使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生周跳。因此，在精密GPS導(dǎo)航和測(cè)量中，多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的。與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差目前減弱多路徑效應(yīng)影響的措施有：（1）安置接收機(jī)天線的環(huán)境，應(yīng)避開較強(qiáng)的反射面，如水面、平坦光滑的地面以