基于对GPS系统定位误差的分析

基于对GPS系统定位误差的分析
摘要:GPS系统的定位误差直接影响着测量的精度,本文对系统本身和外在因
素的影响进行了初步的分析,并提出了有效的措施削弱甚至消除这些因
素对测量结果的影响。

关键词:GPS误差相位接收机精度卫星星历电离层对流层
一、GPS 定位技术
“卫星测时测距导航/全球定位系统”,简称GPS系统。

它是以卫星为基础的无线电导航定位系统。

能为各类用户提供精密的三维位置、三维速度、导航数据,精确的卫星时间基准等等信息。

GPS测量通过接收卫星发射的信号并进行数据处理,从而求定测量点的空间位置。

由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

二、GPS 定位的误差分析
GPS 测量是通过地面接收设备接收卫星传送来的信息,计算同一时刻地面接收设备到多颗卫星之间的伪距离,采用空间距离后方交会方法,来确定地面点的三维坐标。

因此,对于GPS卫星、传播途径和地面接收设备以及人为因素都会对测量的结果产生误差。

1、与GPS卫星有关的因素
(1)卫星星历误差
在进行GPS定位时,计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的,但不论采用哪种类型的星历,所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异,这就是所谓的星历误差。

星历误差是GPS 测量的重要误差来源.
(2)卫星钟差
卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。

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0.1ms～1ms以内,由此引起的等效误差将达到30km～300km 。

这是一个系统误差必须加于修正。

(3)天线相位中心偏差
卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

2.与传播途径有关的因素
(1)电离层延迟
由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,这种变化称为电离层延迟。

对于电离层延迟可用3 种方法来减弱它的影响: ①利用双频观测值,利用不同频率的观测值组合来对电离层的延尺进行改正。

②利用电离层模型加以改正。

③利用同步观测值求差,这种方法对于短基线的效果尤为明显。

(2)对流层延迟
由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,这种变化称为对流层延迟。

减弱对流层折射的影响主要有 3 种措施: ①采用对流层模型加以改正,其气象参数在测站直接测定。

②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。

③利用同步观测量求差。

(3)多路径效应
由于接收机周围环境的影响,使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响,这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。

减弱多路径误差的方法主要有: ①选择较好的接收机天线,在天线中设置径板,抑制极化特性不同的反射信号。

②选择合适的站址。

测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中,应离开高层建筑物。

3.与接收机有关的因素
(1) 接收机钟差
接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。

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)接收机天线相位中心偏差
接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异,如何减少相位中心的偏移还有待天线的改进。

(3)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。

三、GPS的最新发展与改进
面对导航市场的迅速发展和强大的竞争压力,美国政府不得不做出反映,计划在未来10年内对GPS做一系列的调整和改进。

对GPS的改进将对GPS系统的3个部分进行,其中对星座部分的改进最大。

1.GPS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
卫星位置的精度直接影响到用户的定位精度,而地面监控站的数量和分布部分地决定了GPS卫星定轨的质量。

目前GPS共有5个监控站,卫星位置的精度为1m～2m。

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。

预计在未来10年,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,例如出现了一些新的接收机可根据用户的需求用软件设定单频GPS、双频GPS等模式。

接收机的面板上只有一、两个按钮和若干个显示灯组成,可完成接收机的基本操作。

GPS 的数据解算软件将基于数据库,朝着图形化、智能化等方向发展。

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] 袁安存.全球定位系统(GPS)原理与应用[M].大连海事大学出版.1999
[2] 王惠南.GPS导航原理与应用/研究生教学用书[M]. 科学出版社.2003
[3] 李明峰.GPS定位技术及其应用[M]. 国防工业出版社.2006
[4] 李天文.GPS原理及应用[M].科学出版社.2007
[5] 王勇智.GPS测量技术[M].中国电力出版社.2007。