GPS定位的误差分析

GPS定位的误差分析

4.1误差的分类

在GPS测量中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类：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。

如果根据误差的性质，上述误差尚可分为系统误差与偶然误差。系统误差主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机种差以及大气折射误差等。为了减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因采取不同的措施，其中包括：引入相应的未知参数，在数据处理中连同其他未知参数一并解算、建立系统误差模型，对观测量加以修正、将不同的观测站对相同的卫星的同步观测值求差，以减弱或者消除系统误差的影响、简单的忽略某些系统误差的影响。

偶然误差主要包括信号的多路径效应引起的误差和观测量等。

4.2 与卫星有关的误差

与GPS卫星有关的误差，主要包括卫星轨道误差和卫星钟的误差。

4.2.1卫星钟差

由于卫星的位置是时间的函数，所以GPS的观测量均以精密测时为依据。而与卫星位置相应的的时间信息是通过卫星信号的编码信息传送给用户的。在GPS测量中，无论是码相位观测或者载波相位

观测，均要求卫星钟与接收机保持严格的同步。实际上，尽管GPS 卫星均设有高精度的原子钟，但是它们与理想的GPS时之间仍然存在着难以避免的偏差或者漂移。这些偏差总量均在1ms以内，由此引起的等效距离误差约可达300km。

4.2.2轨道偏差

卫星的轨道误差是当前利用GPS定位的重要误差来源之一。GPS 卫星距离地面观测站的最大距离约25000km，如果基线测量的允许误差为1cm，则当基线长度不同时，允许的轨道误差大致如表5-2所示，可见，在相对定位中随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。

4.3 卫星信号的传播误差

与卫星信号传播有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应。

4.3.1 电离层折射的影响

GPS卫星信号和其他电磁波信号一样，当通过电离层时将受到这一介质弥散特性的影响，使信号的传播路径产生变化。对于GPS卫星信号来说，在夜间当卫星处于天顶方向时，电离层折射对距离的影响将小于5m，而在日间正午前后，当卫星接近地平线时，其影响可大于150m。

4.3.2对流层折射的影响

由于对流层的介质对GPS信号没有弥散效应，所以其群折射率与相折射率可以认为相等。所以，对流层折射对观测值的影响可分为干分量与湿粉量两部分，干粉量主要与大气的温度与压力有关，而湿粉量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。

当卫星处于天顶方向时，对流层折射对观测值的影响约占流层影响的百分之九十，且这种影响可以应用大地的大气资料计算。若地面平均大气压为1013mbar，则在天顶方向干分量对所测距离的影响约为2.3m，而当高度角为10°时其影响约为20m。湿粉量的影响虽数值不大，但是由于难于可靠的确定信号传播路径上的大气物理参数，所以湿粉量尚无法准确的测定。因此，当要求定位精度较高或者基线较长时（例如大于50km），它将成为误差的主要来源之一。

4.3.3多路径效应影响

所谓多路径效应，即接收机天线除直接收卫星的信号外，尚可能收到经天线周围的地物反射的卫星信号。两种信号叠加将会引起测量参考点（相位中心）位置的变化。而且这种变化随着天线周围反射面的性质而异，难以控制。多路径效应具有周期性的特征，其变化幅度可达数厘米。在同一地点，当所测卫星的分布相似时，多路径效应将会重复出现。

4.4与接收设备有关的误差

与用户接收设备有关的误差主要包括：观测误差、接收机钟差、相位中心误差和载波相位观测的整周不定性误差。

4.4.1观测误差

这类误差除了观测的分辨误差之外，尚包括接收机天线相对测站点的安置误差。根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的百分之一。由此，对GPS码的信号和载波信号的观测精度如表4-4所示。观测误差属于偶然性的误差，适当的增加观测量将会明显消弱其影响。

4.4.2 接收机的钟差

GPS接收机一般设有高精度的石英钟，其稳定度约为11

10 。如果接收机与卫星钟之间的同步差为1us，则由此引起的等效距离差距约为300m。

在定位精度要求较高的时候，可以采用高精度的外接频标（即时间标准），如铯原子时钟或者铷原子钟，以提高接收机的时间标准的精度。在精密相对定位中，还可以利用观测值求差的方法有效的消除接收机钟差的影响。

4.4.3载波相位观测的整周待定值

载波相位观测法师当前普遍采用的精密的观测方法，它可能精确

地测定卫星至观测站的距离。但是，由于接收机只能测定载波相位差非整周的小数部分和从某一起始历元至观测历元载波相位变化的整周数，而无法直接测定载波相位相应该起始历元在传播路径上的变化的整周数。因而，在测相伪距观测值中，将存在整周待定值的影响。这是载波相位观测法的主要缺点。

另外，在已知载波相位观测除了存在上述整周待定值之外，在观测过程中还可能整周变跳问题。当用户接收机收到卫星信号并且进行实时跟踪（锁定）后，载波信号的整周数便可由接收机自动计数。但是在中途，如果卫星的信号被干扰或者中断，则接收机的跟踪便可能中断。而当卫星信号被重新锁定后，被测载波相位的小数部分将仍然和未发生中断的情况一样，是连续的，可这时整周数却不再是连续的。这种情况称为整周变跳或者周跳。周跳现象在载波相位测量中是经常发生的。它对距离观测的影响和整周待定值的影响相似，在精密定位的数据处理中，都是一个非常重要的问题。

4.4.4 天线的相位中心位置偏差

在GPS测量中，无论是测码伪距或者测相伪距，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，而天线的相位中心与其几何中心，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，即观测时相位中心的瞬间位置（一般称视相位中心）与理论上的相位中心将有所不同。天线相位中心的偏差对相对定位来说，这种影响也是不容忽视的。而如何减小相位中心的偏移