谈GPS定位误差来源_谈gps定位误差来源

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谈GPS定位误差来源

姓名:：__刘毅__ 学号：__201111830107_ ________ 1轨道误差

卫星的轨道误差是当前利用与 GPS定位的重要误差来源之一。根据不同要求，处理卫星导航误差的方法原则上有三种。(1)忽略轨道误差。这种方法广泛地应用于单点实时定位，但定位精度非常有限。(2)采用轨道改进法处理观测数据。在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时 间内这些参数为常量，将其作为待估量与其他未知参数一并求解。(3)同步观测值求差。这种方法是利用两个或多个测站上，对同一卫星的同步观测值求差，以减弱卫星 轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差对于不同观测站同步观测的影响具有系统性，所以通过上述求差 的方法可以明显地减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时其有效性更为明显。有关部门提供一定精度的卫星轨道，以广播星历形式发播给用户使用，从而已知观测瞬间所观测卫星的位置，因而卫星轨道误差与星历误差是一个含义。卫星星历误差又等效为伪距误差。由于卫星轨道受地球和日、月引力场、太阳光压、潮汐等摄动力及大气阻力的影响，而其中有的是随机影响，而不能精密确定，使卫星轨道产生误差。目前，GPS[]卫星轨道误差的等效伪距误差(使用的卫星广播星历)为4.2m。美国的SA政策和AS政策人为地使导航定位的精度降低，点位误差有时达到100m。

控制网的静态GPS测量是利用载波相位测量，一般是由一个点设为已知点与一个待定点位同步观测GPS卫星，取得载波相位观测值，从而得出待定点位的坐标或两点间的坐标值，称为基线测量，短基线测量可以消除SA影响。动态测量解决SA影响的途径是实时差分定位(称Real-time DGPS),即在已知坐标点上布设基准点，通过基准站取得误差校正值，通过数据链实时传给导航定位的移动站，从而消除SA影响及两站的各种共同的误差，提高了移动站的导航定位精度。加滤波等处理的导航软件以及组合导航系统，已使导航定位精度差分距离在100km左右时达到亚米级，差分距离远于1500km时达到米级。2卫星星历误差

卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位 置 间的偏差，由于卫 星空 间位置是由地面监控 系统根据卫星测轨结果 计算求得的，所以又称为卫星轨道误差 它是一种起始数据误差，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 星历误差是 GPS 测量的重要误差来源．卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差，由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的，所以又称为卫星轨道误差。它是一种起始数据误差，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。星历误差是 GPS 测量的重要误差来源。卫星钟差是指 GPS 卫星时钟与 GPS 标准时间的差别。为了保证时钟的精度，GPS 卫星均采用高精度的原子钟，但它们 与 GPS 标准时之间的偏差和漂移和漂移总量仍在 1ms~0。1ms 以内，由此引起的等效误差将达到 300~30km。这是一个系统 误差必须加于修正。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，简称 SA 政策，它包括降低广播星历精度的 ε 技术和在卫星基本频率上附加一随机抖动的 δ 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。虽然美国在 2000 年 5 月 1 日取消了 SA，但是战时或必要时，美国可能恢复或采用类似 的干扰技术。这是由于卫星钟和接收机所处的状态(运动速度 和重力位)不同引起的卫星钟和接收机钟之间的相对误差。由星历所给出的卫星在空间位置与实 际位置之差称为卫星星历误差。由于卫 星在运动中受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以充分可靠地测定 这 些作用力并掌握它们 的作用规律，因 此在星历预报时会产生较大的误差。在 一 个观测时间段内星历误差属于系统误差 特性，是一种起算数据误差。它将严重 影响单点定位的精度，也是精度相对定 位 中的重要误差源。解决星历误差 的方法有 以下几种措 施 ：(1)建立自己的卫星跟踪网独立轨道。建立GPs卫星跟踪网，进行独立定轨。这不 仅使我国用户摆脱美国政府使用 “s^”和 “^s”有意降低调制在c／^码上的卫星星历 精度的影响，且使提供的卫星星历进一步 提高。这将为提高精密定位的精度起显著 影响 ；也 可 以为 实时定位提供 预报星 历。(2)同步观测值求差。利用两个或多 个观测站上，对同一卫星的同步观测值求 差，以减弱卫星星历误差的影响。由于同 一 卫星的位置误差对不同的观测站同步观 测量的影响具有系统性质，所以通过同步 观测值求差方法，可以把两站共同误差消 除。美国的SA技术与AS影响

SA技术是选择可用性(Selective Availability)的简称，它是由两种技术使用户的定位精度降低，即δ（dither）技术和ε(epsilon)技术。δ技术是人为地施加周期为几分钟的呈随机特征的高频抖动信号，使GPS[]卫星频率10.23MHz加以改变，最后导致定位产生干扰误差，ε技术是降低卫星星历精度，呈无规则的随机变化，使得卫星的真实位置增加了人为的误差。

AS技术(Anti-Spoofing)叫反电子欺骗技术，其目的是为了在和平时期保护其P码，不让非授权用户使用；战时防止敌方对精密导航定位作用的P码进行电子干扰。AS技术使得用C/A码工作的用户无法再和P码相位测量联合解算进行双频电离层精密测距修正，实际降低了用户定位精度。4 与接收设备有关的误差

与接收设备有关的误差主要有观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。其中，观测误差包括观测的分辨误差、接收机天线相对测站点的安置误差和接收机天线相对测站中心的对中误差。在精密定位工作中必须仔细操作，以尽量减小对中误差。观测误差属偶然误差，适当增加观测量 会明显地减弱其影响。GPS接收机一般设有高精度的石英钟，其日频率稳定度约为 10-11。如果接收机与卫星 钟之间的同步差为 1s，则由此引起的等效距离误差约为 300m。处理接收机钟差的有效办法是在每一个观 测站上进入一个钟差参数，作为未知数，在数据处理中一并求解。载波相位观测法是目前普遍采用的最精密的观测方法，它可能精确地测量卫星至观测站的距离。但是，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部分，和从某一期始历元至观测历元间载波相位变化的整周数，而无法直接测定载波相位应该起始历元在传播路径上的整周数。因而在测相伪距观测值中，存在整周未知数 的影响。这是载波相位观测法的主要缺点。确定整周未知数的方法有: 经典静态相对定位法、交换接收天线 法、P码双频技术等。在 GPS定位中，无论是测码伪距或测相伪距，观测值都是以接收机天线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。但实际上，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。天线的相位中心的偏差对定位结果的影响根据天线性能的好坏，可达毫米至数厘米。所以对于精 密相对定位来说，这种影响也是不可忽视的。在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测了同一组卫星，可以通过这类观测值的求差来消弱相位中心偏移的影响。在 GP8测量中，观测都是以接收机天线的相位中心的位置为准的，而其天线的相位中心和其几何中心，在理论上应保持一致。可是实际上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，即观测时相位的瞬时位置(一般称相位中心)与理论上的相位中心有所不同，这种差别 q天线相位中心的位置偏差。如何减少相位中心的偏移是天线设计的一个问题。接收机天线相位中心相对测站标石 中 心位置的误差，q接收机位置误差。这里 包括天线的置平和对中误差，量取天线高 误差。如当天线高度为 I．6m时，置平误差 为0．I度时，可能会产生对中误差3mm。因 此，对于减弱这种误差的有效措施，是在 精密定位 时，必须仔细造作，尽量减少 这种误差 的影响。接收机误差包括接收机钟误差、接收机安装误差、天线相位中心位置 误差及几何图形强度误差。接收机采用的振荡器不同（如石 英晶体、恒温晶体），接收机钟的误 差不同。将每个测站时刻的接收机钟 差当做一个独立未知数，在数据处理 中与测站的位置参数一并解决。应注 意个观测站时刻接收机钟差是相关的，将其表示为时间多项式，并引入平差 模型中求解系数。还可以通过卫星求 一次差消除接收机的钟差。接收机在安装过程中，接收机天线 相位中心相对于测站标识中心位置的偏 差就是接收机安装误差。可以对这种误 差进行GPS变形监测，采用有强制对中 装置的观测蹲进行校正。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 中包括天线餐平和对中误差，量取天线高误差。在精密定位 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 23-3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。太阳光压对GPS卫星产生摄动加速度

太阳光压对卫星产生摄动影响卫星的轨道，它是精密定轨的最主要误差源。太阳光压对卫星产生的摄动加速度受太阳与地球间距离的变化(地球轨道偏心距)而引起太阳辐射压力的变化，也与太阳光强度、卫星受到的照射面程和照射面积与太阳的几何关系及照射面的反射和吸收特性有关，由于卫星表面材料的老化、卫星姿态控制的误差等也使太阳光压发生变化。

已有的太阳光压改正模型有：标准光压模型、多项式光压模型和ROCK4光压摄动模型，这几种光压模型精度基本上相当，可以满足1m定轨的要求。最近有人提出，用附加随机过程参数的方法或者对较长的轨道用一阶三角多项式逼近非模型化的长期项影响，可得到更理想的结果，甚至可以满足0.1～0.2m精度的定轨要求。周跳对点位坐标的影响

在GPS[]相位测量中，观测数据中大于10周的周跳，在数据预处理时不难发现，可予以消除。然而，小于10周的周跳，特别是1～5周的周跳，以及半周跳和1/4周跳，不易发现，而对含有周跳的观测值周跳的影响视为观测的偶然误差，因而严重影响坐标的精度。

据拉查佩利的统计，一个周跳对经度、纬度、高程的影响为

ΔＬ＝0.03～0.06m

ΔB＝0.10～0.18m

Δh＝0.14～0.16m

可见，即使只有一个卫星存在一个周跳，也会对所测点产生几厘米的误差。由于一个点位坐标是由4个以上卫星所确定的，故周跳对点位坐标的影响取决于以下因素：

1.所测卫星的数量；

2.所测卫星组成的几何图形；

3.周跳影响各分量的大小和周跳次数。

然而，即使只有一个卫星残存有一个周跳，也会使该次定位点位坐标有几毫米至几厘米的误差。由此可见，凡精度要求达到厘米级或分米级的GPS[]定位测量，都必须清除观测数据中的全部周跳。

周跳的探测和修复

周跳的处理可分为2步：从观测数据中探测出全部周跳及将探测出的周跳加以全部修复。

周跳的探测和修复都应在观测数据的预处理阶段进行。GPS[]相对定位中的失周处理是非常麻烦复杂的问题，因而应尽量避免周跳的发生。为此，对于仪器本身应通过仪器检定，在测定其质量确定可靠时才能用于测量作业，在测量作业中尤其应防止多路径的影响，避免失周的现象发生。

对于周跳的探测和修复已有许多软件处理方法。如文献［2］，也可以用组成单差、双差、3差和4差，根据组成高阶差数后，周跳被成倍放大，阶数越高，放大倍数越大的特性，能够快速有效地探测出周跳。先进的GPS[]接收机内装有“专用算法器”，可探测出大部分周跳，供处理数据时使用。避免和正确处理周跳，是提高GPS[]测量精度的关键。

总结：

GPS定位中出现的各种误差有几十个。从误差源来讲大体可分为下列三类：

1．与卫星有关的误差，包括卫星星历误差； 卫星钟的钟误差(如钟差、频漂等偏差)，相对论效应是以卫星钟的钟误差的形式出现的，所以也将其归入与卫星有关的误差中。

2．与信号传播有关的误差 3．与接收机有关的误差。