GPS誤差

GPS 測量是通過地面接收設備接收衛星傳送來的信息，計算同一時刻地面接收設備到多顆衛星之間的偽距離，採用空間距離後方交會方法，來確定地麵點的三維坐標。因此，對於GPS衛星、衛星信號傳播過程和地面接收設備都會對GPS 測量產生誤差。主要誤差來源可分為：與GPS衛星有關的誤差；與信號傳播有關的誤差；與接收設備有關的誤差。

基本介紹

• 中文名：GPS誤差
• 來源分析：衛星軌道誤差
• 傳播途徑誤差：電離層折射
• 衛星鐘差：予報的衛星鐘差,包括SA

GPS 定位的誤差來源分析

GPS誤差來源. 在GPS衛星定位測量中，影響觀測量精度的主要誤差來源一般可分為三類：. 與GPS衛星有關的誤差：衛星軌道誤差、衛星時表誤差。

與衛星有關的誤差

（1）衛星星曆誤差

衛星星曆誤差是指衛星星曆給出的衛星空間位置與衛星實際位置間的偏差,由於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,所以又稱為衛星軌道誤差。它是一種起始數據誤差,其大小取決於衛星跟蹤站的數量及空間分布、觀測值的數量及精度、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟體的完善程度等。星曆誤差是GPS 測量的重要誤差來源.

（2）衛星鐘差

衛星鐘差是指GPS衛星時鐘與GPS標準時間的差別。為了保證時鐘的精度，GPS衛星均採用高精度的原子鐘，但它們與GPS標準時之間的偏差和漂移和漂移總量仍在1ms～0.1ms以內，由此引起的等效誤差將達到300km～30km。這是一個系統誤差必須加於修正。

（3）SA干擾誤差

SA誤差是美國軍方為了限制非特許用戶利用GPS進行高精度點定位而採用的降低系統精度的政策，簡稱SA政策，它包括降低廣播星曆精度的ε技術和在衛星基本頻率上附加一隨機抖動的δ技術。實施SA技術後，SA誤差已經成為影響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，但是戰時或必要時，美國可能恢復或採用類似的干擾技術。

(SA技術其主要內容是:1.在廣播星曆中有意地加入誤差,使定位中的已知點(衛星)的位置精度大為降低;2.有意地在衛星鐘的鐘頻信號中加入誤差,使鐘的頻率產生快慢變化,導致測距精度大為降低.)

（4）相對論效應的影響

這是由於衛星鐘和接收機所處的狀態(運動速度和重力位) 不同引起的衛星鐘和接收機鐘之間的相對誤差。

與傳播途徑有關的誤差

（1）電離層折射

在地球上空距地面50～100 km 之間的電離層中,氣體分子受到太陽等天體各種射線輻射產生強烈電離,形成大量的自由電子和正離子。當GPS 信號通過電離層時,與其他電磁波一樣,信號的路徑要發生彎曲,傳播速度也會發生變化,從而使測量的距離發生偏差,這種影響稱為電離層折射。對於電離層折射可用3 種方法來減弱它的影響: ①利用雙頻觀測值,利用不同頻率的觀測值組合來對電離層的延尺進行改正。②利用電離層模型加以改正。③利用同步觀測值求差,這種方法對於短基線的效果尤為明顯。

（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,大氣狀態也更複雜。對流層與地面接觸並從地面得到輻射熱能,其溫度隨高度的增加而降低。GPS 信號通過對流層時,也使傳播的路徑發生彎曲,從而使測量距離產生偏差,這種現象稱為對流層折射。減弱對流層折射的影響主要有3 種措施: ①採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,在數據處理中一併求得。③利用同步觀測量求差。

（3）多路徑效應

測站周圍的反射物所反射的衛星信號(反射波)進入接收機天線,將和直接來自衛星的信號(直接波) 產生干涉,從而使觀測值偏離,產生所謂的“多路徑誤差”。這種由於多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應被稱作多路徑效應。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,應離開高層建築物。②選擇較好的接收機天線,在天線中設定徑板,抑制極化特性不同的反射信號

與GPS 接收機有關的誤差

（1）接收機鐘差

GPS 接收機一般採用高精度的石英鐘,接收機的鐘面時與GPS 標準時之間的差異稱為接收機鐘差。把每個觀測時刻的接收機鐘差當作一個獨立的未知數,並認為各觀測時刻的接收機鐘差間是相關的,在數據處理中與觀測站的位置參數一併求解，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。其中包括天線置平和對中誤差,量取天線高誤差。在精密定位時,要仔細操作,來儘量減少這種誤差影響。在變形監測中,應採用有強制對中裝置的觀測墩。相位中心隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化,這種差別叫天線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設計中的一個重要問題。在實際工作中若使用同一類天線,在相距不遠的兩個或多個測站同步觀測同一組衛星,可通過觀測值求差來減弱相位偏移的影響。但這時各測站的天線均應按天線附有的方位標進行定向,使之根據羅盤指向磁北極。

（3）接收機天線相位中心偏差

在GPS 測量時,觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準的,而天線的相位中心與其幾何中心,在理論上應保持一致。但是觀測時天線的相位中心隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化,這種差別叫天線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設計中的一個重要問題。

差分GPS(DGPS)原理

根據差分GPS基準站傳送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分、偽距差分和相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準站傳送改正數，由用戶站接收並對其測量結果進行改正，以獲得精確的定位結果。所不同的是，傳送改正數的具體內容不一樣，其差分定位精度也不同。

位置差分原理

這是一種最簡單的差分方法，任何一種GPS接收機均可改裝和組成這種差分系統。

安裝在基準站上的GPS接收機觀測4顆衛星後便可進行三維定位，解算出基準站的坐標。由於存在著軌道誤差、時鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應以及其他誤差，解算出的坐標與基準站的已知坐標是不一樣的， 存在誤差。基準站利用數據鏈將此改正數傳送出去，由用戶站接收，並且對其解算的用戶站坐標進行改正。

最後得到的改正後的用戶坐標已消去了基準站和用戶站的共同誤差，例如衛星軌道誤差、 SA影響、大氣影響等，提高了定位精度。以上先決條件是基準站和用戶站觀測同一組衛星的情況。 位置差分法適用於用戶與基準站間距離在100km以內的情況。

偽距差分原理

偽距差分是目前用途最廣的一種技術。幾乎所有的商用差分GPS接收機均採用這種技術。國際海事 無線電委員會推薦的RTCM SC-104也採用了這種技術。

在基準站上的接收機要求得它至可見衛星的距離，並將此計算出的距離與含有誤差的測量值 加以比較。利用一個α-β濾波器將此差值濾波並求出其偏差。然後將所有衛星的測距誤差傳輸 給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最後，用戶利用改正後的偽距來解出本身的位置， 就可消去公共誤差，提高定位精度。

與位置差分相似，偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準站距離的增加又 出現了系統誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準站之間的距離對精度有決定性影響。

載波相位差分原理

測地型接收機利用GPS衛星載波相位進行的靜態基線測量獲得了很高的精度（10-6～10-8）。 但為了可靠地求解出相位模糊度，要求靜止觀測一兩個小時或更長時間。這樣就限制了在工程作業中的套用。於是探求快速測量的方法應運而生。例如，採用整周模糊度快速逼近技術（FARA）使基線觀測 時間縮短到5分鐘，採用準動態（stop and go），往返重複設站（re-occupation）和動態（kinematic） 來提高GPS作業效率。這些技術的套用對推動精密GPS測量起了促進作用。但是，上述這些作業方式都是事後進行數據處理， 不能實時提交成果和實時評定成果質量，很難避免出現事後檢查不合格造成的返工現象。

差分GPS的出現，能實時給定載體的位置，精度為米級，滿足了引航、水下測量等工程的要求。位置差分、偽距差分、 偽距差分相位平滑等技術已成功地用於各種作業中。隨之而來的是更加精密的測量技術 — 載波相位差分技術。

載波相位差分技術又稱為RTK技術（real time kinematic），是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的。它能實時提供觀測點的三維坐標，並達到厘米級的高精度。

與偽距差分原理相同，由基準站通過數據鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛星的載波相位 與來自基準站的載波相位，並組成相位差分觀測值進行實時處理，能實時給出厘米級的定位結果。

實現載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法和差分法。前者與偽距差分相同，基準站將載波相位修正量傳送給用戶站，以改正其載波相位，然後求解坐標。後者將基準站採集的載波相位傳送給 用戶台進行求差解算坐標。前者為準RTK技術，後者為真正的RTK技術。

RTK和在此基礎上發展的VRS在有效範圍內都能達到厘米級的定位精度。

要確知衛星所處的準確位置。首先，要通過深思熟慮，最佳化設計衛星運行軌道，而且，要由監測站通過各種手段，連續不斷監測衛星的運行狀態，適時傳送控制指令，使衛星保持在正確的運行軌道。將正確的運行軌跡編成星曆，注入衛星，且經由衛星傳送給GPS接收機。正確接收每個衛星的星曆，就可確知衛星的準確位置。

這個問題解決了，接下來就要解決準確測定地球上某用戶至衛星的距離。衛星是遠在地球上層空間，又是處在運動之中，我們不可能象在地上量東西那樣用尺子來量，那么又是如何來做的呢？

如何測定衛星至用戶的距離

GPS的6種誤差

GPS導航定位包括下列六種誤差:　.

星曆誤差—予報的衛星位置的誤差;　.

衛星鐘差—予報的衛星鐘差,包括SA;

電離層誤差—由於電離層效應引起的觀測值的誤差;

對流層誤差—由於對流層效應引起的觀測值的誤差;

多徑誤差—由於反射信號進入接收機天線引起的觀測值的誤差;

接收機誤差—由於熱噪聲、軟體和各通道之間的偏差引起的觀測值誤差。