1、GPS 衛星定位的誤差來源分析GPS是一個龐大的系統(由GPS衛星、用戶和地面的監控站三部分組成 ,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,采用空間距離后方交會方法,來確定地面點的三維坐標。誤差的組成也很復雜:根據不同的研究方向和研究重點, 誤差的分類各有不同。通常是按誤差的性質將其分為系統誤差和偶然誤差兩類;而從誤差的來源又可以將其分為與GPS衛星有關的誤差、與GPS衛星信號傳播有關的誤差和與GPS信號接收機有關的誤差。此篇文章主要論述除鐘差、電離層、對流層、多路徑效應以外的GPS衛星定位的誤差來源。在高精度的GPS測量中,還應注意

2、到與地球整體運動有關的地球潮汐、負荷潮及相對論效應等影響。1、與GPS衛星有關的誤差(1衛星星歷誤差由星歷所給出的衛星在空間的位置與實際位置之差稱為衛星星歷誤差。衛星星歷分為廣播星歷和精密星歷。廣播星歷是通過GPS衛星發送的一種預報星歷。因為我們不能充分了解衛星上存在的各種攝動因素,所以預報星歷鐘存在較大的誤差。精密星歷是根據實測資料進行擬合處理而得出的。它需要在一些已知精密位置的點上跟蹤衛星來計算觀測瞬間的衛星真是位置,從而獲得準確可靠的精密星歷。(2相對論效應相對論效應是由于衛星鐘和接收機鐘所處的狀態(運動速度和重力位不同而引起衛星鐘和接收機鐘之間產生相對鐘誤差的現象。在廣義和狹義相對論的

3、綜合影響下,鐘安放在衛星上比安放在地面上要快,為消除這一影響,一般將衛星鐘的標準頻率減小 4.5×10-3Hz。(3美國的SA 政策和AS 政策美國軍方為限制非特許用戶利用GPS 進行高精度定位, 采用了降低系統精度的政策: SA ( Select iv e Availability 政策和AS( Anti - Spoofing 政策。SA 政策即選擇可用性技術, 通過( dither 和( epsilon 兩種技術實現。技術是通過人為干擾衛星星歷數據, 降低GPS 數據傳播的軌道參數精度, 從而達到降低利用C / A碼進行實時單點定位精度的目的; 技術則是對GPS 衛星的基準信號人

4、為地引入一個高頻抖動信號, 使GPS 衛星頻率10. 23 MHz 加以改變, 導致定位產生干擾誤差。采取上述措施后未經授權的用戶使用全球定位系統的定位精度被降低為平面位±100 m, 高程±156 m, 速度±0. 3 m/ s, 時間±340ns。上述誤差置信度為95% 。美國政府已宣布于2005 年5 月1 日子夜取消SA 政策。AS 政策即反電子欺騙技術, 其目的是為了在和平時期保護其P 碼, 戰時防止敵方對精密導航定位作用的P 碼進行電子干擾。由于SA對每個衛星附加的偏差不同, 而且同一衛星的不同時段偏差的值也不同, 因此SA 偏差對測量結果的

5、影響很大。2、與GPS衛星信號傳播有關的誤差(1周跳接收機由于某種原因( 如衛星信號被擋住 對衛星短時間失去跟蹤, 致使相位變化無法測出,稱為失周或失鎖,也稱為周跳產生周跳的原因有:衛星信號被天線附近的地形地物短時間遮擋;多路徑誤差、電離層活動加劇、對流層延遲影響;動態測量時, 由于載體運動速度太快或天線傾斜使信號丟失;GPS 接收機質量不佳等。(2太陽光壓太陽光壓對GPS 衛星產生攝動加速度。太陽光壓對衛星產生攝動以影響衛星的軌道, 它是精密定位的主要誤差源。目前太陽光壓改正模型有: 標準光壓模型、多項式光壓模型和ROCK4 光壓攝動模型。3、GPS信號接收機有關的誤差(1噪聲誤差噪聲誤差是

6、由PRN( 偽隨機噪聲碼, Pseudo Ran2domNoise 的噪聲誤差和接收機噪聲誤差構成。接收機噪聲主要由天線噪聲、傳輸線噪聲、接收機內部噪聲三部分組成。GPS 測量的主要觀測量是衛星信號從衛星到接收機的時間延遲, 為了測量時間延遲, 要在接收機內復制測距碼信號, 并通過接收機的時間延遲器進行相移, 使復制的碼信號與接收到的相應碼信號達到最大相關, 其必須的相移量, 便是衛星發射的碼信號到達接收機天線的傳播時間。衛星發射碼與接收機內復制的相應測距碼之間的相位差, 通常其大小約為碼元寬度的1% 。根據相位差與碼元寬度的這種關系, 我們可初步估計各種波長的信號的觀測精度。對C/A 碼而言

7、, 碼元寬度為293m, 所以其觀測精度約為2. 9m;P碼的碼元寬度為29. 3m, 其觀測精度約為0. 29m。由于載波的波長遠小于碼的波長, 因此在分辨率相同的情況下, 載波相位的觀測精度比碼相位的觀測精度要高得多。對L1 載波( 波長為19.03cm 而言觀測, 誤差約為2.0mm; L2 載波( 波長為24.42cm 的觀測誤差約為2.5mm。因此P碼和載波相位的觀測精度比C/A碼要高得多, 雙頻接收機的觀測精度要高于單頻接收機的觀測精度。同時,由于不同的接收設備, 其接收機噪聲誤差也不盡相同, 主要是由于它們的天線噪聲、傳輸線噪聲、接收機內部噪聲各不相同。因此接收設備的性能也是影響

8、觀測精度的一個方面。(2衛星軌道偏差該偏差指衛星星歷給出的衛星空間位置與衛星實際位置間的偏差。由于衛星星歷是GPS 定位的主要數據依據, 衛星在運行中要受到多種攝動力的影響, 而地面監測站及主控站又難以精確測定其對每一個衛星的作用力, 因此主控站( 和監控站 不能精確測定并給出每一個衛星的瞬時軌道信息, 由此形成衛星軌道偏差。目前有效的方法是采用由美國國家大地測量局(NGS 提供的精密星歷, 同時采用不斷改進的定軌技術及攝動力模型和同步觀測值求差來降低或消除這一誤差。(3接收機位置誤差接收機天線相位中心與標石中心位置的誤差叫接收機位置誤差。包括天線的整平對中誤差、天線高誤差。在精密定位時,要仔

9、細操作,來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測墩。為減少這種誤差,此項誤差可通過嚴格檢驗校對天線的對中整平設備、采取適當的防風措施等。(4天線相位中心位置偏差在GPS測量中,觀測值都是以接收機天線相位中心位置為準的,天線的相位中心與其幾何中心在理論上保持一致。實際上天線的相位中心隨著信號輸入的強度和方向不同有所變化,即觀測時相位中心的瞬時位置與理論上的相位中心有所不同,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

10、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。同時使用性能好的天線,(如扼流圈天線,以求盡可能的減少相位中心位置偏差帶來的誤差。接收機天線的幾何中心相對于測站標石中心的位置偏差即為接收機位置誤差,主要指天線的整平和對中誤差及天線高量取誤差。此項誤差可通過嚴格檢驗校對天線的對中整平設備、采取適當的防風措施等。4、其它誤差(1地球自轉的影響及修正算法地球自轉的影響。GPS采用的是協議地球系,若某一時刻衛星從瞬時空間位置向地面發射信號, 當地面接收機接收到衛星信號時, 與地球固連的協議坐標系相對于衛星發生瞬間位置已發生了旋轉( 繞Z軸旋轉。

11、這樣接收到的信號會有時間延遲,延遲大小與地球自轉速度有關。GPS信號的空間傳播時間約為0.067s左右,由于地球的自轉造成的,GPS信號發送時與到達接收機時衛星軌道差為:式中是地球自轉角速度,位置偏差導致的站星距離差為:(2地球潮汐的誤差地球潮汐的影響,地球并非剛體, 在太陽和月球的萬有引力作用下, 固體地球會產生周期性形變, 這種現象被稱為地球固體潮。地球固體潮可使地面點在垂直方向上的位移達在高精度單點定位和中長距離相對定位中不可忽略此項影響。(3人為誤差誤差大多與人為因素有關, 由于它對觀測結果的影響很大, 所以我們應時刻注意避免此類誤差出現。用戶的人為誤差, 包括大地基準點的選取及對儀器

12、的操作規程的掌握程度( 儀器安置誤差, 對中、整平、天線方位的定向等 , 量測天線高度的誤差等。接收機軟件和硬件引起的誤差, 要求出測前要檢校儀器。主控站和監控站由于人為的或計算機錯誤引起的誤差, 由這類誤差( 或者稱為錯誤 引起的誤差可以由1m到幾百公里, 其嚴重后果可想而知。美國隨時可能啟用的AS ( 反電子欺騙, AntiSpoofing 技術。AS 技術是P 碼經過譯密技術處理變為Y碼, 由P碼與高度機密的W碼模2和形成Y碼。AS 和SA 是兩個獨立的干擾GPS 測量精度的技術。其它電磁波的影響包括接收機天線附近地區的電磁波的干擾( 高壓電線, 發射臺等等 。(4衛星的空間位置和能見度

13、所引起的誤差衛星的空間位置和能見度也是影響觀測精度的一個重要方面。衛星的空間位置, 我們用PDOP( 空間位置精度因子, Position Dilution of Precision 來表示, 但通常都用幾何精度因子GDOP(Geometric Dilution of Precision 來描述空間位置精度因子PDOP和時間誤差TDOP( 接收機鐘差精度因子, Time Dilution of Precision 的綜合影響的精度因子。計算方法是:GDOP= ( PDOP 2+ (TDOP 2 1/ 2GPS 絕對定位的誤差與精度因子(DOP 的大小成正比。既然精度因子的數值與所測衛星的幾何分

14、布圖形有關, 那么何種分布的圖形比較適宜, 就成了人們研究的中心問題。經分析研究表明: 當觀測站與4顆觀測衛星所構成的六面體體積越大時, 所測衛星在空間的分布范圍也越大, 而這時的GDOP 值越小,觀測的精度也越好; 但是為了降低大氣折射對觀測精度的影響, 通常都要先限制觀測衛星的高度角( 上述大氣折射對觀測精度的影響 。當所測衛星在空間的分布范圍越大, GDOP 值越小;當所測衛星在空間的分布范圍越小, 則GDOP 值越大。當GDOP值越小,則觀測效果就越顯著。因此可參照GDOP值的大小, 決定觀測效果的好壞, 同時決定是否采用此點位或此觀測值。但是光有好的GDOP(GDOP值較小而沒有好的能見度, 也是沒有用的。因此觀測站周圍屏障物的高度角應小于15b。5、結束語GPS 定位是采用空間測距后方交會原理來定位的。定位過程中由于各種誤差的影響, 所以在實際工作中必須嚴格按照測量規程要求進行操作, 盡量減小和降低各項誤差, 提高定位精度。在GPS 接收機滿足精度要求的前提下, 定位主要誤差源是多路徑效應、周跳和點位的對中誤差。電離層延遲和對流層延遲主要對基線測量兩點間的高差產生影響, 兩點間高差愈大影響也愈大。在深刻理解GPS 定位誤差的基礎上, 設計合理