GPS主要误差源及补偿方法

GPS主要误差源及补偿方法

学院：电子信息工程

专业年级：自动化1306

姓名：熊宇豪

学号：13212054

时间：2016年04月11日

小组：熊峰、熊宇豪、张丹

GPS主要误差源及补偿方法

摘要

GPS测量误差按其生产源可分3大部分：与卫星有关的误差，包括卫星时钟误差、卫星星历误差和相对论效应误差；与信号传播有关的误差，包括电离层折射误差、对流层折射误差和多路径效应误差；与接收机有关的误差，主要包括接收机时钟误差、接收机位置误差、接收机天线相位中心位置误差。

关键词：GPS，误差源。

一、GPS观测中的误差分类

1)与卫星有关的误差：卫星时钟误差、卫星星历误差、相对论效应误差；

2)与信号传播有关的误差：电离层折射误差、对流层折射误差、多路径效应误差；

3)与接收机有关的误差：接收机时钟误差、接收机位置误差、接收机天线相位中心位置误差。

另外在进行高精度GPS测量定位时(进行地球动力学等方面的研究)，通常还应该考虑与地球整体运动有关的误差，如地球自转和地球潮汐的影响等。按误差的性质进行区分，上述各种误差有的属于系统误差、有的属于偶然误差。例如，卫星星历误差、卫星时钟误差、接收机时钟误差和大气折射误差等都属于系统误差，而多路径效应误差等是属于偶然误差。其中系统误差比偶然误差无论是从误差本身的大小或是其对测量定位结果影响程度来讲都要大得多，所以说系统误差应该是进行GPS 测量定位时的主要误差源。

二、消除或消弱上述误差影响的基本方法和措施

1．建立误差改正模型对观测值进行改正,误差改正模型通常有理论模型、经验模型和综合模型。理论模型是通过对误差产生的原因、性质及其对测量定位影响的规律进行研究和分析，并从理论上进行严格的推导而建立起来的误差改正模型。经验模型则是通过对大量的观测数据进行统计分析和研究，并经过拟合而建立起来的误差改正模型。而综合模型则是综合以上两种方法建立起来的误差改正模型。

2．选择较好的硬件和良好的观测条件,在GPS测量定位中，有的误差是无法利用误差改正模型进行改正的。例如，多路径效应误差的影响是比较复杂的，这与观测站周围的环境有很大的关系。要削弱多路径效应误差的影响，一是选择功能完善的接收机天线；二是在选择GPS点位时远离信号源和反射物。

3．利用同步观测的方法，并对相应的同步观测值求差分,研究和分析误差对观测值或平差结果的影响情况，制定合理的观测方案和采取有效的数据处理方法。通过对相应的观测值求差分来消除或削弱一些误差的影响。

4．引入相应的参数,在GPS测量定位中。将某些参数设为未知参数，而将卫星提供的参数值作为未知参数的初始值。在数据处理中与其他未知参数一起进行解算，从而达到削弱误差的影响，提高测量定位结果精度的目的。

三、各种误差对导航和测量定位的影响以及消除措施

3.1与卫星有关的误差

与卫星有关的误差包括卫星时钟误差、卫星星历误差和相对论效应误差。

3.1.1卫星时钟误差

1.卫星时钟误差通常是指卫星时钟的时间读数与GPS标准时间之间的偏差。虽然在每颗GPS 卫星上都装备有原子钟(铯原子钟和铷原子钟)，但是随着时间的积累，这些原子钟与GPS标准时间也会有难以避免的偏差和漂移。通常卫星时钟的偏差总量约在1ms以内(该项误差通常也称为物理同步误差)，由此产生的等效距离误差可达300km左右。对于卫星时钟的这种偏差，GPS系统是利用地面监控系统对卫星时钟运行状态进行连续的监测而精确确定的，并以二阶多项式的形式予以表示，,a0为t0时刻卫星的钟差、a1为t0时刻钟速，a2为钟速的变化率，这些参数是由地面监控系统的主控站测定，并通过卫星的导航电文提供给用户使用。计算卫星时钟读数的改正数并加以改正，改正后通常能保证卫星时钟与GPS标准时间的同步误差在20ns以内(该项误差通常也称为数学同步误差)，由此产生的等效距离误差不会超过6m。要想进一步削弱卫星时钟残差对测量定位的影响，可以在不同的观测站上对同一颗卫

星进行同步观测，并将相应的同步观测值进行求差分处理。

2.在GPS测量中一般可采用下列方法解决钟误差：(])忽略卫星钟的数学同步误差在导航和低精度单点定位中，由于测码伪距观测值的精度本来就较低，对卫星导航定位结果的精度要求也不高，因而在进行数据处理时通常就不顾及卫星钟的数学同步误差，根据卫星导航电义中给出的钟参数，用(3—2)式求得△t值，把它当成是卫星钟的钟差。在这种情况下观测方程中只含4个未知参数：观测瞬间用户的三维坐标及接收机钟的钟差。(2)利用测码伪距单点定位法来确定接收机钟的钟差利用测距码来测定从卫星至接收机的距离，根据卫星导航电文中给出的参数来确定观测瞬间卫星在空间的位置以及卫星钟的钟差，据此即可用单点定位法解得观测瞬间接收机钟的钟差，精度估计可达0．1-0．2ps。利用上述方法确定的接收机钟差在计算卫星在空间的精确位置及各种改正数时被广泛使用。(3)通过其他渠道获取精确的卫星钟差值在某些应用中，例如利用载波相位观测值进行精密单点定位(PPP—Preci，。PointPos山。·nmg)时，观测值的精度很高，对定位结果的精度要求也很高，自然对卫星钟差也会提出很高的要求。。(4)通过观测值相减来消除公共的钟差项利用载波相位观测值进行相对定位时，观测值和定位结果的精度都很高。

3.1.2卫星星历误差

1.卫星星历误差(卫星的轨道误差)是指由卫星星历计算得到的卫星空间位置与卫星在空间的实际位置之差。要估计和处理卫星星历误差一般是比较困难的，主要原因在于，卫星在运行过程中要受到多种摄动力的复杂影响，利用地面监控系统对卫星进行监测，难以可靠地、准确地测定这些作用力，且无法掌握它们的作用规律，所以在星历预报时会产生较大的误差。在一个观测时段内卫星星历误差具有系统误差的特性，应该属于起算数据误差。

2.GPS卫星的广播星历和精密星历

精密星历全球定位系统是美国国防部研制、组建、管理的一个卫星导航定位系统。系统的导航定位精度(含相应的广播星历精度)是根据军方用户的需要来确定的，并非以追求最高的精度为目的。精密星历则是为满足大地测量、地球动力学研究等精密应用领域的需要而研制、生产的一种高精度的事后星历(目前IGS也开始提供精密预报星历，以满足高精度实时定位用户的需要)：目前的GPS精密星历主要有两种：由美国国防制图局(DMA)生产的精密星历以及由国际GPS服务(1GS)生产的精密星历：前者的星历精度约为2m；后者的星历精度则优于5m。

(1)卫星星历误差对单点绝对定位的影响，在观测站上利用接收机接收GPS卫星信号获得伪距观测值，并根据卫星星历提供的卫星位置坐标进行单点绝对定位，卫星的位置误差，对观测站位置坐标和接收机时钟的影响取决于卫星的位置误差的大小，而具体的配赋方式则与卫星至观测站的几何图形有关。卫星星历误差对观测站位置坐标的影响通常可达数米、数十米，有时甚至可达百米左右。