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GPS通信系统误差分析摘要：本文简要介绍了GPS通信系统的组成及GPS的定位原理，并从三个方面分析了影响GPS卫星测量精度的原因。分别是与GPS卫星有关的误差；与卫星信号传播有关的误差；接收设备有关的误差。其中粗略测量中只需考虑大气层延迟，多径及卫星钟差等主要影响，精密测量则需综合考虑多方面的影响。第一章 GPS系统组成GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用。1.GPS通信系统GPS通信系统由3个独立部分组成：空间部分（space segment），地面控制系统（control segment），用户设备部分（user segment）。空间部分（space segment）： 21颗工作卫星，3颗备用卫星，运行高度为20200km，分布在6个倾角为55的轨道面上，每个轨道面4颗，偏心率约为0，运行周期约为12h。卫星的这种分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星（因为伪距测量至少需要四颗星），能在卫星中预存导航信息。2.地面控制系统（control segment）地面控制系统由监测站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado. Springfield）。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。3.用户设备部分（user segment）用户设备部分即GPS信号接收机。接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成定位（location）、导航（navigation）、跟踪（tracking）、测绘（mapping）和定时（timing）工作，精度可达米以内。由于用户接收机无源工作（只做接收），GPS可以向无限数目的用户提供服务。 第二章GPS定位原理GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距）当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。当用户接收到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，便可获得用户在大地坐标系中的位置速度等信息。定位需要三颗星，再加上另一颗星用来修正误差，一共四颗星。距离表达式如下：式子中 表示用户的位置，表示卫星的位置，c是电磁波的传播速度，表示时间的偏移量。第三章 GPS误差分析在GPS测量中，影响观测精度的主要误差可分为以下三类：与GPS卫星有关的误差、与卫星信号传播有关的误差、接收设备有关的误差。一、与GPS卫星有关的误差与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差1. 卫星钟差由于卫星的位置是时间的函数，实际上，尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。这种偏差的总量约在1ms以内。对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。2. 卫星轨道偏差估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，以难以充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作用规律，目前，卫星轨道信息是通过导航电文得到的。应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。在GPS定位测量中，处理卫星轨道误差有以下几种方法:1） 忽略轨道误差用于精度较低的实时单点定位工作中。2） 采用轨道改进法处理观测数据在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它求知数一并求解。3） 同步观测值求差利用两个或多个观测站一同对同一卫星的同步观测值求差，减弱卫星轨道误差的影响。二、与卫星信号传播有关的误差与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应1. 电离层折射的影响GPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传播路径发生变化。当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采用下面措施（1）利用双频观测由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频率的电磁波信号进行观测能更多确定其影响，而对观测量加以修正。因此，在精密定位中测量中使用双频GPS接收机。不过应当明确指出，在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期，应尽量避免观测。尤其是精密定位测量。（2）利用电离层模型加以修正对于单频GPS接收机，为了减弱电离层的影响，一般是采用导航电文提供的电离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率约为75。（3）利用同步观测值求差利用两台或多台接收机，对同一卫星的同步观测的求差，以减弱电离层折射的影响。 2. 对流层折射的影响对流层折射对观测值的影响，可分为干分量与湿分量。干分量主要与大气的湿度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度有关。对于干分量的影响，可通过地面的大气资料计算；湿分量目前尚无法准确测定。对于输送短的基线（50km），湿分量的影响较小。关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法：（1）定位精度要求不高时，可不考虑其影响。（2）采用对流层模型进行改正；（3）采用观测量求差的方法。3. 多路径效应影响多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参考点（相位中心点）位置的变化，从而使观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。目前减弱多路径效应影响的措施有：（1）安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。（2）选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。（3）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。（4）改善GPS接收机的电路设计，减弱多路径效应的影响。三、接收设备有关的误差与GPS接收机设备有关的误差主要包括观测误差，接收机钟差，天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。1. 观测误差观测误差包括观测的分辨误差及接收机天线相对于测站点的安置误差等。根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1。故知道载波相位的分辨误差比码相位小，由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。接收机天线相对于观测站中心的安置误差，主要是天线置平与对中误差以及量取天线高误差，在精密定位工作中，必须认真，仔细操作，以尽量减小这种误差的影响。2. 接收机的钟差尽管GPS接收机高有高精度的石英钟，其日频率稳定度可以达到10的-11方，但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差间看成是相关的，由此建立一个钟差模型，并表示为一个时间多项式的形式，然后在观测量的平差计算中统一求解，得到多项式的系数，因而也得到接收机的钟差改正。3. 载波相位观测的整周未知数载波相位观测上当前普遍采用的最精密的观测方法，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部份，而无法直接测定开波相位整周数，因而存在整周不定性问题。此外，在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生的周跳现象。从卫星信号失锁到信号重新锁定，对载波相位非整周的小数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。4. 天线的相位中心位置偏差在GPS定位中，观测值是以接收机天线相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置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时位置（称为视相位中心）与理论上的本单位中心位置将有所不同，天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测同一组卫星，那么便可通过观测值求差，以削弱相位中心偏移的影