GPS测量的误差来源分析与应对措施.doc

1、GPS 测量的误差来源分析与应对措施摘要：GPS 测量的误差直接影响着 GPS 定位精度，本文按其产生的来源、性质及对 GPS 系统的影响等进行了介绍和初步分析,提出了相应的措施以便消除或削弱它们对测量成果的影响。 关键词：GPS 误差；来源定位；精度；应对措施 中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号： 一、概述 GPS（GlobalPositioningSystem)是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的全球卫星定位系统。该系统具有全球性、全天候、连续性等三维导航和定位能力,并具有良好的抗干扰性和保密性。 1GPS 系统的组成 GPS 全

2、球卫星定位系统由空间卫星群、地面监控系统和用户使用的GPS 卫星接收设备三大部分组成。 2GPS 的主要特点 （1）全球覆盖连续导航定位:由于 GPS 有 24 颗卫星,且分布合理,轨道高达 20200km,所以在地球上和近地空间任何一点,均可连续同步地观测4 颗以上卫星,实现全球、全天候连续导航定位。 （2）高精度三维定位:GPS 能连续地为各类用户提供三维位置、三维速度和精确时间信息。GPS 提供的测量信息多,既可通过伪码测定伪距,又可测定载波多普勒频移、载波相位。 （3）抗干扰性能好、保密性强;GPS 采用数字通讯的特殊编码技术,即伪噪声码技术,因而具有良好的抗干扰性和保密性。 二、GP

3、S 测量的误差来源分析 GPS 测量的主要误差来源可分为:与 GPS 卫星有关的误差。与信号传播有关的误差。与接收设备有关的误差。 1与卫星有关的误差 （1）卫星星历误差 由于卫星星历所给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称卫星星历误差。它属于一种起算数据的误差，其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等，其对单点定位有严重的影响，在精密相对定位中也是一个重要的误差来源。削弱此误差的主要措施有：建立自己的卫星跟踪网独立定轨。轨道松弛法。相对定位。 （2）卫星钟的误差 卫星钟的误差是指 GPS 卫星上的原子钟的误差，它包括系统

4、性的误差和随机性的误差，系统性的误差比随机性的误差大，但前者可通过模型加以改正，因而随机性误差就成为衡量卫星钟的重要指标。美国实行了 SA 技术后，卫星钟的误差又加入了人为的信号抖动。解决此项误差的方法有：通过数字模型进行改正。在接收机间求一次差。 （3）SA 干扰误差 SA 误差是美国军方为了限制非特许用户利用 GPS 进行高精度点定位而采用的降低系统精度的政策，它包括降低广播星历精度的 技术和在卫星基本频率上附加一随机抖动的 技术。实施 SA 技术后，SA 误差已经成为影响 GPS 定位误差的最主要因素。 （4）时钟相对论效应的影响 时钟相对论效应包括广义相对论效应和狭义相对论效应。广义相

5、对论效应产生的机制是卫星所处的重力位 Ws 与地面上重力位 Wr 不一致所引起的。它的影响使卫星钟变快。狭义相对论效应是由于卫星相对于地球的运动速度 Vs，它的影响使卫星钟变慢。 目前此项误差的主要解决方法是：制造厂家预先把卫星钟的频率降低。采用适当的数学模型进行模型改正。 2与信号传播有关的误差 （1）电离层折射误差 电离层即指高度位于距地面 60900km 之间的大气层。由于太阳的强辐射，电离层中的部分气体分子被电离成大量的自由电子和正离子。当 GPS 信号穿过电离层时,信号的路径会产生弯曲,传播速度也会发生变化,所以用信号的传播时间乘上真空中的光速而得到的距离就不等于卫星至接收机的几何距

6、离而产生误差，即电离层折射误差。此项误差必须予以改正，否则将严重损害测高精度。 目前，已知电离层折射改正的关键在于求电子密度，而电子密度的源动力来自太阳。资料表明：白天观测电离层中的 GPS 信号时，所产生的偏差比夜间观测的要差一个比例因子。同一年内 7 月与 11 月大气中电子含量可差 4 倍。1989 年开始的太阳黑子活动新高峰年电离层所带来的偏差是平年期的 4 倍。来自地平方向的 GPS 信号其电离层折射产生的偏差是天顶方向的 3 倍。 对于电离层折射误差的影响可以通过数学模型改正和求一次差来削弱，采用双频接收机更能有效地削弱其影响。 （2）对流层折射误差 对流层指高度为 40km 以下

7、的大气层。由于接近地面，所以大气密度比电离层大,且对流层成分也更复杂，而且在大气状态随着地面的气候变化而变化，因而对流层折射更为复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的增加而降低。GPS 信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种现象称为对流层折射。减弱对流层折射的影响主要有 3 种措施:采用对流层模型加以改正,其气象参数在测站直接测定。引入描述对流层影响的附加待估参数,在数据处理中一并求得。利用同步观测量求差。 （3）GPS 信号多路径误差 GPS 信号多路径误差指测站附近的反射物所反射的卫星信号产生干涉，从而使观测值偏离真值产生的误差。由于测量

8、值偏离真值，GPS 三维向量dx,dy,dz 有误差，因而对平差转换后的地平坐标和大地高也产生影响。GPS 信号多路径误差也是 GPS 测量中的一个重要误差来源。 3与 GPS 接收机有关的误差 （1）接收机钟差 GPS 接收机一般采用高精度的石英钟,接收机的钟面时与 GPS 标准时之间的差异称为接收机钟差。把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数,并认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的,在数据处理中与观测站的位置参数一并求解，可减弱接收机钟差的影响。 （2）接收机的位置误差 接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差,叫接收机位置误差。其中包括天线置平和对中误差,量取天线高误差。在精

9、密定位时,要仔细操作,来尽量减少这种误差影响。在变形监测中,应采用有强制对中装置的观测墩。相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,这种差别叫天线相位中心的位置偏差。这种偏差的影响可达数毫米至厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。在实际工作中若使用同一类天线,在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星,可通过观测值求差来减弱相位偏移的影响。但这时各测站的天线均应按天线附有的方位标进行定向,使之根据罗盘指向磁北极。 （3）接收机天线相位中心偏差 在 GPS 测量时,观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的,而天线的相位中心与其几何中心,在理论上应保持一致。但是观测时

10、天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,这种差别叫天线相位中心的位置偏差。这种偏差的影响可达数毫米至厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。 三、GPS 的最新发展与改进 1GPS 星座的改进：(1)改善星座的分布(2)增强卫星的自主导航能力(3)取消 SA 政策(4)增加民用频率(5)频率复用(6)增强卫星发射信号的功率 2地面监控部分的改进 目前 GPS 共有 5 个监控站，卫星位置的精度为 1m2m。美国军方正计划将国家制图局（NIMA）的 7 个 GPS 监控站纳入目前的控制网，使将来的监控站的分布更加均匀、密度更大，为了计算卫星的位置提供更多的、更及时的高质量观测数据。预计在不久的将来，卫星星历的精度将达到亚米级，甚至达到厘米级，同时，向卫星上传数据的频率也将更高。3用户接受部分的改进 由于用户的用途不同，用户接受机的改进也是多样化的。接收机的硬件部分正朝多样化、小型化、模块化、集成化、操作简单等方向发展，这些发展的最终的目的是让一般用户更方便的使用 GPS。 参考文献： 1刘大杰，施一民，过静珺。全球定位系统（GPS）的原理和数据处理M。上海：同济大学出版社，1996。 2王广运，郭秉义，李洪涛。差分 GPS 定位技术与应用M。北京：电子工业出版社，1996。