GPS 定位的誤差來源分析

GPS 定位的誤差來源分析

GPS測量通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號并進行數(shù)據(jù)處理，從而求定測量點的空間位置，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。現(xiàn)已成功應(yīng)用于工程測量、航空攝影測量、工程變形測量、資源調(diào)查等諸多領(lǐng)域。

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1ms～0.1ms以內(nèi)，由此引起的等效誤差將達到300km～30km。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ε技術(shù)和在衛(wèi)星基本頻率上附加一隨機抖動的δ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(fù)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50～100 km 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: ①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。②利用電離層模型加以改正。③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(fù)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: ①采用對流層模型加以改正,其氣象參數(shù)在測站直接測定。②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。③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: ①選擇合適的站址。測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中,應(yīng)離開高層建筑驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量儀| 光度計| 電壓計| 電流計| 物。②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。