GPS系统的误差来源分析

GPS 系统的误差来源分析系统的误差来源分析 来源 中国论文下载中心 07 01 10 14 58 00 作者 刘明俊 李帆 编辑 studa20 摘 要 GPS 系统的定位误差直接影响着 GPS 定位精度 按其产生的来源 性质及对系统 的影响等进行了介绍和初步分析 提出了相应的措施以便消除或削弱它们对测量结果的影响 关键词 GPS 误差 精度 卫星星历 电离层 对流层 一 GPS 定位技术 GPS 全球卫星定位系统是美国国防部为满足军事部门对海上 陆地和空中设施进行高精度 导航和定位的要求而建立的 该系统具有全球性 全天候 连续性等三维导航和定位能力 并具有良好的抗干扰性和保密性 它已成为美国导航技术现代化的最重要标志 并被视为 20 世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就 在航空 航天 军 事 交通 运输 资源勘探 通信 气象等几乎所有的领域中 它都被作为一项非常重要的 技术手段 用于导航 定时 定位和进行大气物理研究等 GPS 的主要特点有 1 全球覆盖连续导航定位 由于 GPS 有 24 颗卫星 且分布合理 轨道高达 20200km 所以 在地球上和近地空间任何一点 均可连续同步地观测 4 颗以上卫星 实现全球 全天候连续导 航定位 2 高精度三维定位 GPS 能连续地为各类用户提供三维位置 三维速度和精确时间信息 GPS 提供的测量信息多 既可通过伪码测定伪距 又可测定载波多普勒频移 载波相位 3 抗干扰性能好 保密性强 GPS 采用数字通讯的特殊编码技术 即伪噪声码技术 因而 具有良好的抗干扰性和保密性 二 GPS 定位的误差来源分析 GPS 测量是通过地面接收设备接收卫星传送来的信息 计算同一时刻地面接收设备到多颗 卫星之间的伪距离 采用空间距离后方交会方法 来确定地面点的三维坐标 因此 对于 GPS 卫星 卫星信号传播过程和地面接收设备都会对 GPS 测量产生误差 主要误差来源 可分为 与 GPS 卫星有关的误差 与信号传播有关的误差 与接收设备有关的误差 1 与卫星有关的误差 1 卫星星历误差 卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差 由于卫星空间位 置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的 所以又称为卫星轨道误差 它是一种起 始数据误差 其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布 观测值的数量及精度 轨道计算 时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等 星历误差是 GPS 测量的重要误差来源 2 卫星钟差 卫星钟差是指 GPS 卫星时钟与 GPS 标准时间的差别 为了保证时钟的精度 GPS 卫星均 采用高精度的原子钟 但它们与 GPS 标准时之间的偏差和漂移和漂移总量仍在 1ms 0 1ms 以内 由此引起的等效误差将达到 300km 30km 这是一个系统误差必须加 于修正 3 SA 干扰误差 SA 误差是美国军方为了限制非特许用户利用 GPS 进行高精度点定位而采用的降低系统精 度的政策 简称 SA 政策 它包括降低广播星历精度的 技术和在卫星基本频率上附加一 随机抖动的 技术 实施 SA 技术后 SA 误差已经成为影响 GPS 定位误差的最主要因素 虽然美国在 2000 年 5 月 1 日取消了 SA 但是战时或必要时 美国可能恢复或采用类似的 干扰技术 4 相对论效应的影响 这是由于卫星钟和接收机所处的状态 运动速度和重力位 不同引起的卫星钟和接收机钟之 间的相对误差 2 与传播途径有关的误差 1 电离层折射 在地球上空距地面 50 100 km 之间的电离层中 气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产 生强烈电离 形成大量的自由电子和正离子 当 GPS 信号通过电离层时 与其他电磁波一样 信号的路径要发生弯曲 传播速度也会发生变化 从而使测量的距离发生偏差 这种影响称为 电离层折射 对于电离层折射可用 3 种方法来减弱它的影响 利用双频观测值 利用不同 频率的观测值组合来对电离层的延尺进行改正 利用电离层模型加以改正 利用同步 观测值求差 这种方法对于短基线的效果尤为明显 2 对流层折射 对流层的高度为 40km 以下的大气底层 其大气密度比电离层更大 大气状态也更复杂 对流 层与地面接触并从地面得到辐射热能 其温度随高度的增加而降低 GPS 信号通过对流层 时 也使传播的路径发生弯曲 从而使测量距离产生偏差 这种现象称为对流层折射 减弱对 流层折射的影响主要有 3 种措施 采用对流层模型加以改正 其气象参数在测站直接测定 引入描述对流层影响的附加待估参数 在数据处理中一并求得 利用同步观测量求差 3 多路径效应 测站周围的反射物所反射的卫星信号 反射波 进入接收机天线 将和直接来自卫星的信号 直 接波 产生干涉 从而使观测值偏离 产生所谓的 多路径误差 这种由于多路径的信号传播 所引起的干涉时延效应被称作多路径效应 减弱多路径误差的方法主要有 选择合适的站 址 测站不宜选择在山坡 山谷和盆地中 应离开高层建筑物 选择较好的接收机天线 在 天线中设置径板 抑制极化特性不同的反射信号 转 3 与 GPS 接收机有关的误差 1 接收机钟差 GPS 接收机一般采用高精度的石英钟 接收机的钟面时与 GPS 标准时之间的差异称为接收 机钟差 把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数 并认为各观测时刻的接收机 钟差间是相关的 在数据处理中与观测站的位置参数一并求解 可减弱接收机钟差的影响 2 接收机的位置误差 接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差 叫接收机位置误差 其中包括天线置平 和对中误差 量取天线高误差 在精密定位时 要仔细操作 来尽量减少这种误差影响 在变 形监测中 应采用有强制对中装置的观测墩 相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有 所变化 这种差别叫天线相位中心的位置偏差 这种偏差的影响可达数毫米至厘米 而如何 减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题 在实际工作中若使用同一类天线 在相 距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星 可通过观测值求差来减弱相位偏移的影响 但这时各测站的天线均应按天线附有的方位标进行定向 使之根据罗盘指向磁北极 3 接收机天线相位中心偏差 在 GPS 测量时 观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的 而天线的相位中心与其几 何中心 在理论上应保持一致 但是观测时天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同 而有所变化 这种差别叫天线相位中心的位置偏差 这种偏差的影响可达数毫米至厘米 而 如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题 三 GPS 的最新发展与改进 面对导航市场的迅速发展和强大的竞争压力 美国政府不得不作出反映 计划在未来 10 年 内对 GPS 做一系列的调整和改进 对 GPS 的改进将对 GPS 系统的 3 个部分进行 其中对 星座部分的改进最大 1 GPS 星座的改进 1 改善星座的分布 2 增强卫星的自主导航能力 3 取消 SA 政策 4 增加民用频率 5 频率复 用 6 增强卫星发射信号的功率 2 地面监控部分的改进 卫星位置的精度直接影响到用户的定位精度 而地面监控站的数量和分布部分地决定了 GPS 卫星定轨的质量 目前 GPS 共有 5 个监控站 卫星位置的精度为 1m 2m 美国军方 正计划将国家制图局 NIMA 的 7 个 GPS 监控站纳入目前的控制网 使将来的监控站的 分布更加均匀 密度更大 为了计算卫星的位置提供更多的 更及时的高质量观测数据 预计在未来 10 年 卫星星历的精度将达到亚米级 甚至达到厘米级 同时 向卫星上传数 据的频率也将更高 3 用户接受部分的改进 由于用户的用途不同 用户接受机的改进也是多样化的 接收机的硬件部分正朝多样化 小型化 模块化 集成化 操作简单等方向发展 例如出现了一些新的接收机可根据用户 的需求用软件设定单频 GPS 双频 GPS 等模式 接收机的面板上只有一 两个按钮和若干 个显示灯组成 可完成接收机的基本操作 GPS 的数据解