GPS定位精度误差的分析研究

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第l2卷 第6期 电子元 嚣件主用 V0l_l2No．6

20lO年6月 ElectronicComponent&DeviceApplications June．20lO

doi：10．3969j／．issn．1563-4795．2010．06．025

GPS定位精度误差的分析研究

朱文华

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西 西安 710071)

摘 要 ：首先对GPS定位精度的定义进行 了阐述，然后对影响GPS定位的几种误差来源、方

式、特点等进行了分析，并针对不同误差，给出了其提高精度的方法，同时分析了这些误差

源在数据处理和实际测量中对GPS定位精度的影响。

关键词 ：GPS；定位精度；误差分析

0 引言 子。其计算方法是：

GDOP=(PDOP)2+CooP)
GPS可为用户提供全天候 、全球实时定位 、 GPS绝对定位的误差与精度因子 fDOP)的大

导航和授时等服务，但定位精度不高是限制它应 小成正 比。经分析研究表明：当观测站与4颗观

用的一个瓶颈。GPS定位工作原理是通过卫星发 测卫星所构成的六面体体积越大时．所测卫星在

射不问断的电波信号．由地面装置接收这些信号 空间的分布范围也越大，而这时的GDOP值越小，

后 ，计算出接收装置的经纬度、大地高度 以及相 观测的精度也越好。但是，为了降低大气折射对

对速度等 ，从而达到定位和导航的 目的。在利用 观测精度的影响．通常都要先限制观测卫星的高

GPS进行定位时，GPS定位结果的精度受到诸多 度角 (大气折射对观测精度的影响)。所测卫星在

因素 的影响，如所用的观测量类型、定位方式、 空间的分布范围越大，GDOP值越小；所测卫星

卫星的几何分布、数据处理方法、美国政府政策 在空间的分布范 围越小 ，则GDOP值越大 。而

的限制等。主要误差来源有与GPS卫星有关的误 GDOP值越小，则观测效果就越显著。因此，可

差、与信号传播有关的误差、与接收设备有关的 以参照GDOP值的大小来决定观测效果的好坏，

误差等。研究误差的意义就在于：正确认识误差的 同时决定是否采用此点位或此观测值 。

性质 ，分析误差产生 的原 因，以消除或减少误

差：正确处理测量和实验数据，合理计算所得结 2 GPS误差分析

果 。以便在一定条件下得到更接近于真值的数
2．1 与卫星有关的误差
据

(1)星历误差
1 GPS精度
星历误差主要是由于卫星在运行中受到多种

外力的交叉影响造成的，而通过地面监测站又难
GPs的测量精度主要有两种重要因素 ：测量
以充分可靠地测定这些相互作用力并掌握它们之
误差和卫星与用户的几何位置 f我们用空间位置
间的规律，因此，在星历预报时会产生较大的误
精度因子PDOP (PositionDilutionofPrecision)来
表示，但通常都用几何精度因子GDOP fGeometri 差 。卫星电文发布的广播星历与真实的卫星位置

有误差。故其定位方程为：
DilutionofPrecision)来描述空间位置精度因子
PDOP和时间误差TDOPf接收机钟差精度因子 =【 2+ 2+ )2】’c·at~+c(At一△

TimeDilutionofPrecision)的综合影响的精度因 其中，伪距 测量的就是用户和真实卫星位

置之间的伪距，它与计算时用的广播星历 (‰，

收稿 日期 ：2009—12—10 ， z 是有误差的，这样，代入方程计算必然产

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June．2010

生定位误差 。在一个观测时间段 内，星历误差属 式 中，e是 电子 电荷 ，m是 电子质量 ， 是

系统误差特性 ，是一种起始数据误差 。其误差大 积分电子浓度 。

小取决于卫星追踪站的数量及空间分布、观测值 若将两式相减，则有：

的数量及精度等。星历误差是测量GPS的重要误 旁一舞= 警

差来源。
(2)卫星钟差 即 ：

卫星钟差是GPS卫星所安装 的原子钟的钟面 △1=茜= 一1)72．12-

时与GPS标准间的误差 。它包括 由钟差 、频偏 、
得到△丁。后，即可用来校正 电波在 电离层中
频漂等产生的误差。一般可用二阶多项式拟合减
产生 的附加延时，因为Az。是当时当地的实测数
弱它的影响。卫星钟差和改

正后的残余误差，都
据 ，它反映了电离层真实的附加延时。
需在接收设备之间采用一次差等方法来进一步消
对流层折射误差是高度为40千米 以下的大气
除。
底层的折射误差 。由于大气密度 比电离层更大，
2．2 与信号传播有关的误差 大气状态也更复杂 。同时对流层与地面接触并从

GPS信号的传播误差主要包括 电离层折射、 地面得到辐射热能，其温度随高度 的增加而降

对流层折射以及多路径传播 。电离层误差是由于 低。因此，GPS信号通过对流层时，也会使传播

电离层效应 引起的观测值的误差。当GPS信号通 的路径发生弯曲。从而使测量距离产生偏差 ，这

过电离层时，与其他 电磁波一样，GPS信号的路 种现象称为对流层折射 。减弱对流层折射的影响

径也要发生弯曲，传播速度也会发生变化，若忽 主要有三种措施 ：一是采用对流层模型加 以改

略折射率计算中的高次项 ，载波相位测距码在电 正，其气象参数在测站可直接测定 ：二是引入描

离层中的速度 (相速 ，群速)可表示为： 述对流层影响的附加待估参数，并在数据处理中
V=C／(1-40．3NJf1) 一 并求得；三是利用 同步观测求差的方法。

VG=C／(I+40．3 多路径误差是 由于反射信号进入接收设备天

式中， ， 。分别表示相速和群速 ，C为真 线而引起的观测值误差 。当天线附近有较大的反

空速度，厂为载波频率。从以上两式可知，载波 射面时，多径误差 的影响较大 。在极端情况下，

在电离层 中的传播速度要比在真空中快 ．从而使 对测距 的影响可达l5米或更大。因此 ，无论是基

测量的距离发生偏差 ，这种影响称为 电离层折 地站或移动站 ，都要特别注意天线位置的选择。

射。电离层折射可用3种方法来减弱其影响：一 为 了削弱多径误差 。观测点周 围不应有大的水

是利用 电离层模型加 以改正 ：二是利用同步观测 域，或对电磁波反射较为强烈的物体。天线安置

值求差，这种方法对于短基线的效果尤为明显； 点应远离大功率的无线 电发生器和高压输电线 ．

三是利用双频观测值，即通过不同频率的观测值 以避免周围磁场对信号的干扰。

组合来对 电离层的

延迟进行改正 。由于电离层延 在实际测试 中，数据处理也是提高精度的一

迟与信号的频率成反比，因此 。利用双频信号可 个非常重要的环节 。用精密星历代替广播星历，

求得两信号电离层延迟的差值 。GPS卫星采用两 授权用户可以从网上及时下载精密星历提供的相

个载波频率，其中￡。的频率 为1575．42MHz，L2 关软件和数据 ，以减小与星历有关 的误差 。用不
频 为1227．60MHz，分别测量 电波的传播 少于观测30分钟的单位点定位结果做起算数据 ．

延时r．1和 ，则有 ： 其精度可以达到米级 。

L+ l= +
r．1=
C c Yl。 2．3 与接收设备有关的误差

q'2----上 一+△ 一+罢 接收设备时钟差是接收设备时与GPS标准时
c c H
之间的差异，称为接收设备钟差 。把每个观测时
其中： 一． 刻 的接收设备钟差当作一个独立的未知数 。认为

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各观测时刻的接收设备钟差间是相关的。并在数 户的标准定位服务的定位精度的限制所采取的人

据处理中与观测站的位置参数一并求解 。则可减 为干扰1政策影响。其次是采用适当的起算数

弱接收设备钟差的影响。 据 ，这可从三种可行方案人手 ：首先是与国家

接收设备的位置误差是接收设备天线相位 中 GPS网A、B级控制点或其他高级GPS网控制点连

心相对标识 中心位置存在的误差 ，包括天线的置 测 ，精度可达米级 ；然后是将原有 国家级已知点

平和对 中误差及量取天线高的误差等。因此，在 的坐标转换到WGS一84坐标系中，精度在几米级 ；

精密测量中，必须仔细操作 ，以尽量减少这种误 最后，如果没有条件与其他控制点连测，也可用

差的影响。在变形监测中，应采用有强制对 中装 不少于观~t]30分钟的单点定位结果做起算数据，

置的观测墩。 其精度为10～l5米 。而在载波相位测量 中采用适

接收设备天线相位 中心偏差是

接收设备天线 当的线性组合 ，如分别在接收设备 、卫星、历元

的相位 中心与几何 中心之间的偏差 。在短基线 间求一次差 ，也可分别消除卫星钟误差 、接收设

上 ，采用同一类型的天线 ，可以通过求差来减弱 备钟误差和整周模糊度 。在接收设备、卫星间求

它的影响．但各个观测站的天线应按天线附有的 二次差可 同时消除卫星钟误差和接收设备钟误

方位标进行定向。 差

接收设备软件和硬件造成 的误差是在进行
GPS定位时，定位结果受到 (诸如处理与控制) 4 结束语

软件和硬件等的影响。采用差分GPSfDGPS1技
GPS定位往往存在上述多种误差 ，深刻理解
术，一般可使定位精度在局部区域内提高1O倍 以
这些误差可在设计技术方案时采取相应的措施消

、

除或消弱这些影响。同时，在实际作业中，要严

GPS定位误差性能的改进 格按照测量规范进行操作。在作业过程中，测量

的主要误差是多路径误差和点位的对 中误差 ，作

首先是用精密星历代替或部分代替广播星 业时应尽量避免并减少这些误差 。从而提高结果

历 。授权用户可 由Intemet随时下载精密星历提供 的可靠性和精确性 。只有深刻理解这些误差 ，也

给解算软件 。可减小与星历有关误差影响和SA 才能设计合理的GPS接收设备硬件和软件系统，

fSA是由美 国国防部对非美 国军事和政府特许用 从而促进GPS精确定位的进一步发展 。

(上接第71页)

计 的双馈点圆极化天线结构的Js小于一10dB时的

带宽为30％ (1．46～1．94GHz)，增益>5dB时的带宽

为62．2％ (1．25~2．37GHz)。显然 ，相对于普通介

质基板的圆极化天线，新天线的带宽已有了很大

的提高。

4 结束语
图4 馈 电网络 两端 口的相 位 比较

从图3所示的S参数曲线和 图4所示 的相位 比 本文用左手微带线和传统的右手微带线分别

较 图可以明显发现 ．加入CRLH-TLs结构后 ，两 级联在Wilkinson功分器上 ，并将其作为宽带天线

端 口的传输特

性仍能达到要求 ．而且在1．28～2．53 的馈 电网络：从而设计 了一种新型宽带圆极化贴

GHz范围内的端 口相位差满足90。±5。，这是普通 片天线 ，该天线在各项性能指标上均表现突出，

微带线根本无法 比拟的。 各项指标较传统双馈电型圆极化天线均具有显著

根据未加入馈电网络时软件仿真结果 。本设 提高。

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