GPS 定位的誤差來(lái)源分析

GPS測量通過(guò)接收衛星發(fā)射的信號并進(jìn)行數據處理，從而求定測量點(diǎn)的空間位置，它具有全能性、全球性、全天候、連續性和實(shí)時(shí)性的精密三維導航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性�，F已成功應用于工程測量、航空攝影測量、工程變形測量、資源調查等諸多領(lǐng)域。

GPS 測量是通過(guò)地面接收設備接收衛星傳送來(lái)的信息，計算同一時(shí)刻地面接收設備到多顆衛星之間的偽距離，采用空間距離后方交會(huì )方法，來(lái)確定地面點(diǎn)的三維坐標。因此，對于GPS衛星、衛星信號傳播過(guò)程和地面接收設備都會(huì )對GPS 測量產(chǎn)生誤差。主要誤差來(lái)源可分為:與GPS衛星有關(guān)的誤差;與信號傳播有關(guān)的誤差;與接收設備有關(guān)的誤差。 
1．與衛星有關(guān)的誤差
（1）衛星星歷誤差
衛星星歷誤差是指衛星星歷給出的衛星空間位置與衛星實(shí)際位置間的偏差,由于衛星空間位置是由地面監控系統根據衛星測軌結果計算求得的,所以又稱(chēng)為衛星軌道誤差。它是一種起始數據誤差,其大小取決于衛星跟蹤站的數量及空間分布、觀(guān)測值的數量及精度、軌道計算時(shí)所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等。星歷誤差是GPS 測量的重要誤差來(lái)源.
（2）衛星鐘差
衛星鐘差是指GPS衛星時(shí)鐘與GPS標準時(shí)間的差別。為了保證時(shí)鐘的精度，GPS衛星均采用高精度的原子鐘，但它們與GPS標準時(shí)之間的偏差和漂移和漂移總量仍在1ms～0.1ms以?xún)�，由此引起的等效誤差將達到300km～30km。這是一個(gè)系統誤差必須加于修正。
（3）SA干擾誤差
SA誤差是美國軍方為了限制非特許用戶(hù)利用GPS進(jìn)行高精度點(diǎn)定位而采用的降低系統精度的政策，簡(jiǎn)稱(chēng)SA政策，它包括降低廣播星歷精度的ε技術(shù)和在衛星基本頻率上附加一隨機抖動(dòng)的δ技術(shù)。實(shí)施SA技術(shù)后，SA誤差已經(jīng)成為影響GPS定位誤差的最主要因素。雖然美國在2000年5月1日取消了SA，但是戰時(shí)或必要時(shí)，美國可能恢復或采用類(lèi)似的干擾技術(shù)。
（4）相對論效應的影響
這是由于衛星鐘和接收機所處的狀態(tài)(運動(dòng)速度和重力位) 不同引起的衛星鐘和接收機鐘之間的相對誤差。
2．與傳播途徑有關(guān)的誤差
（1）電離層折射
在地球上空距地面50～100 km 之間的電離層中,氣體分子受到太陽(yáng)等天體各種射線(xiàn)輻射產(chǎn)生強烈電離,形成大量的自由電子和正離子。當GPS 信號通過(guò)電離層時(shí),與其他電磁波一樣,信號的路徑要發(fā)生彎曲,傳播速度也會(huì )發(fā)生變化,從而使測量的距離發(fā)生偏差,這種影響稱(chēng)為電離層折射。對于電離層折射可用3 種方法來(lái)減弱它的影響: ①利用雙頻觀(guān)測值,利用不同頻率的觀(guān)測值組合來(lái)對電離層的延尺進(jìn)行改正。②利用電離層模型加以改正。③利用同步觀(guān)測值求差,這種方法對于短基線(xiàn)的效果尤為明顯。
（2）對流層折射
對流層的高度為40km 以下的大氣底層,其大氣密度比電離層更大,大氣狀態(tài)也更復雜。對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能,其溫度隨高度的增加而降低。GPS 信號通過(guò)對流層時(shí),也使傳播的路徑發(fā)生彎曲,從而使測量距離產(chǎn)生偏差,這種現象稱(chēng)為對流層折射。減弱對流層折射的影響主要有3 種措施: ①采用對流層模型加以改正,其氣象參數在測站直接測定。②引入描述對流層影響的附加待估參數,在數據處理中一并求得。③利用同步觀(guān)測量求差。
（3）多路徑效應
測站周?chē)�的反射物所反射的衛星信號(反射波)進(jìn)入接收機天線(xiàn),將和直接來(lái)自衛星的信號(直接波) 產(chǎn)生干涉,從而使觀(guān)測值偏離,產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時(shí)延效應被稱(chēng)作多路徑效應。減弱多路徑誤差的方法主要有: ①選擇合適的站址。測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中,應離開(kāi)高層建筑驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量?jì)x| 光度計| 電壓計| 電流計| 物。②選擇較好的接收機天線(xiàn),在天線(xiàn)中設置徑板,抑制極化特性不同的反射信號。
3．與GPS 接收機有關(guān)的誤差
（1）接收機鐘差
GPS 接收機一般采用高精度的石英鐘,接收機的鐘面時(shí)與GPS 標準時(shí)之間的差異稱(chēng)為接收機鐘差。把每個(gè)觀(guān)測時(shí)刻的接收機鐘差當作一個(gè)獨立的未知數,并認為各觀(guān)測時(shí)刻的接收機鐘差間是相關(guān)的,在數據處理中與觀(guān)測站的位置參數一并求解，可減弱接收機鐘差的影響。
（2）接收機的位置誤差
接收機天線(xiàn)相位中心相對測站標石中心位置的誤差,叫接收機位置誤差。其中包括天線(xiàn)置平和對中誤差,量取天線(xiàn)高誤差。在精密定位時(shí),要仔細操作,來(lái)盡量減少這種誤差影響。在變形監測中,應采用有強制對中裝置的觀(guān)測墩。相位中心隨著(zhù)信號輸入的強度和方向不同而有所變化,這種差別叫天線(xiàn)相位中心的位置偏差。這種偏差的影響可達數毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線(xiàn)設計中的一個(gè)重要問(wèn)題。在實(shí)際工作中若使用同一類(lèi)天線(xiàn),在相距不遠的兩個(gè)或多個(gè)測站同步觀(guān)測同一組衛星,可通過(guò)觀(guān)測值求差來(lái)減弱相位偏移的影響。但這時(shí)各測站的天線(xiàn)均應按天線(xiàn)附有的方位標進(jìn)行定向,使之根據羅盤(pán)指向磁北極。
（3）接收機天線(xiàn)相位中心偏差
在GPS 測量時(shí),觀(guān)測值都是以接收機天線(xiàn)的相位中心位置為準的,而天線(xiàn)的相位中心與其幾何中心,在理論上應保持一致。但是觀(guān)測時(shí)天線(xiàn)的相位中心隨著(zhù)信號輸入的強度和方向不同而有所變化,這種差別叫天線(xiàn)相位中心的位置偏差。這種偏差的影響可達數毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線(xiàn)設計中的一個(gè)重要問(wèn)題。