GPS卫星导航系统

1、2.1 GPS定位系统组成GPS采用多星、高轨、测时、测距”体制，实现了全球覆盖、全天候、高精度、实时连续导航定位。GPS全球定位系统主要由三大部分构成：空间部分-GPS卫星星座、控制部分-地面监控系统、用户设备部分-GPS信号接收机。2.1.1 空间部分GPS空间卫星星座由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星均匀分布在6个轨道平面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。轨道倾角约为55°,各轨道平面升交点的赤经相差60。，在相邻轨道上卫星的开交距角相差30。，轨道平均高度约为20200km,运行周期为11小时58分。GPS卫星星座的分布使得同一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，保证

2、了在地球表面和近地空间任一点、任何时刻至少可以同时观测到4颗GPS卫星，最多可同时观测到11颗。GPS卫星在空间的分布情况如图2-1所示。图2-1GPS卫星星座Figure2-1GPSsatelliteconstellationGPS卫星的基本功能：(1)提供精密的时间基准。(2)向用户发送导航和定位信息。(3)卫星上设有微处理机，可以进行部分必要的数据处理工作。(4)在地面监控站指令下，调整卫星姿态和启用备用卫星。(5)接收并存储地面监控站发出的导航信息，并执行监控站的控制指令。2.1.2 地面监控系统GPS地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括1个主控站、3个注入站和5个监测站

3、。主控站位于美国科罗拉多的的联合空间执行中心；3个注入站分别设在大西洋的阿松森群岛、印度洋的迭各加西亚和太平洋的卡瓦加兰；5个监控站分别设在主控站、3个注入站和夏威夷岛。GPS地面监控系统各站的分布如图2-2所示。*主控站AttAtt监站图2-2GPS地面监控站Figure2-2GPScontrolstation主控站是地面监控系统的中心，它作为整个地面系统的数据的采集、计算、处理、诊断和传输中枢，采集5个监控站提供的卫星和气象数据。其主要任务是：(1)协调和管理地面监控系统。(2)提供全球定位系统的时间基准。(3)计算各卫星的星历、大气层的修正参数、时钟修正参数，并按一定格式编辑成导航电文。

4、(4)对地面监控系统和卫星工作状况进行故障诊断，及时进行卫星调度，启用备用卫星取代失效的工作卫星。(5)将计算、处理和编辑的卫星导航电文传输到三个注入站。注入站的主要功能是在主控站的控制下，将主控站编制推算的导航电文、卫星星历、卫星时钟钟差等参数和其他控制指令定时注入到各个卫星。监测站是在主控站的控制下进行数据采集、处理和发送站。每个监测站都配有GPS接收机，对空间每个GPS卫星进行连续不断地跟踪、观测、采集数据和监测卫星的工作状况，在一定时间问隔进行一次伪距测量和多普勒频移进行测量；另外，每个监测站都配备环境大气数据测量仪，定时采集当地气象数据；即时提供每个监测站自身工作状态的数据等。将所有

5、观测数据进行处理，并传递给主控站。2.1.3用户设备部分用户设备部分是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星信号的无线电设备，是实现GPS导航定位的用户终端，例如车载设备、手持设备、航空和航海设备等（如图2-3所示）。用户设备一般包括GPS接收天线、用户接收处理机、GPS数据处理软件和控制显示设备等部分。核心部分是接收处理机，简称GPS接收机。图2-3GPS设备终端Figure2-3GPSterminalequipmentGPS接收机的主要任务是捕获到以一定卫星高度角截止角所选择的导航卫星信号，并跟踪、锁定卫星的运行；接收GPS卫星发射无线电信号，获得必要的信息和观测量，进行数据处理，实现导

6、航定位、测速和定时。2.2卫星相关信息解算在利用GPS信号进行导航定位时，卫星的瞬时坐标可以根据导航电文中所提供的卫星星历数据按照公式计算出来，通常可将卫星坐标看作已知值，利用GPS接收机所测得的伪距或者载波相位为观测4量来解算地面或空间点的坐标位置。在GPS姿态测量系统中，卫星的位置参数是从可见星中选取最佳导航星座、载波相位测量中基星和卫星视线矢量解算的数据基础，在姿态结算中具有非常重要的意义。但是一般情况下用户接收机输出的是卫星的星历数据，并不会直接输出所跟踪导航卫星在WGS-84坐标系下的位置参数，需要由用户通过解算求得。所以GPS姿态测量系统要求在接收机获得卫星信号之后，从中获取卫星星

7、历参数，然后利用相应的公式解算出卫星瞬时位置。通过对卫星星历的解码计算，可以从星历数据中得到该卫星的各种参数，其中用于解算卫星坐标的一些轨道参数见表2-1:表2-1GPS星历参数定义Table2-1ThedefinitionofGPSephemerisdata参数表达火说明星历数据的参考时刻此参考时刻的平近点角An卫星平均由速度的修正项卫星椭圜轨道的偏心率石卫星椭圆轨道长半轴的平方根卫星轨道升交点赤经。I参考时刻R用轨道平面相对地球轨道面的倾角里星轨道近地点用距6卫星轨道升交点赤经变化率idat卫星轨道平面倾角变化率根据上述卫星轨道参数，计算观测时刻t卫星在WGS-84坐标系下瞬时位置的步骤如

8、下：(1)计算归一化时间tktk=t-t0e(2.1)因为由卫星的星历数据解算出来的GPS卫星各轨道参数是基准参考时刻t0e时的取值，为求出在测量时刻的各参数，必须求出观测时刻t相对于轨道参考时刻t0e的时差tk,即归一化。tk的单位是秒，并且将tk的绝对值控制在一个星期之内，即如果tk>302400s时，tk=tk-604800s;如果tk<-302400s时,tk=tk+604800so(2)计算卫星轨道长半轴aa=2(2.2)(3)计算卫星运行的平均角速度nn=n0+?n=?n(2.3)其中：仙=3.9860051014m3s2,为WGS-84坐标系中的地球引力常数。(4)计

9、算卫星在tk时刻的平近点角MkMk=M0+ntk(2.4)(5)计算卫星在tk时刻的偏近点角EkEk=Mk+essinEk(2.5)升交角距的正、余弦调和修正项CnX|卫星地心向件的正、余弦调和修正项卫星轨道倾角的一,余弦调和修正项该方程是超越方程，一般用迭代法求解，初始值可进似取Ek=Mk,再依次带入上式(即Ek=Mk+essinMk),直至两次迭代将结果之差6叼、于某一给定微小量为止。对于GPS卫星而言，由于e很小，十次左右迭代就足够精度了，一般取6E<£=-K2o(6)计算卫星的地心向径rkrk=a(1-essinEk)(2.6)(7)计算卫星在tk时刻的真近点角fkfk

10、=arctanks(2.7)或利用半角公式得到fktanfkE=k22(2.8)在Ek=180时发散，需要特殊处理。(8)计算升交点角距Ik小k=fk+(9)计算摄动修正项6卬k6rk6ik交点角距修正项：6ak=Cuccos2小k+Cussin2小k卫星地心向径修正项：6rk=Crccos2小k+Crssin2小k卫星轨道倾角修正项：6ik=Ciccos2小k+Cissin2小k(10)计算经摄动矫正后升交点角距uk、卫星地心向径rk、卫星轨道倾角ikuk=小k+6nkrk=rk+6rkik=i0+idot*tk+6ik(2.14)(2.15)(11)计算卫星在椭圆轨道直角坐标系中的位置坐标

11、在以地心为原点，椭圆长轴为X轴的椭圆直角坐标系里，卫星的位置坐标为：?xk?rkcosuk?y?=?rsinu?k?k?k?zk?0?(2.16)(12)计算卫星椭圆轨道在tk时刻的开交点赤经Qk-)*-tQk=Qe+(Qiekie0e(2.17)其中：ie地球的自转角速率，wie=7.292115146710-5rad3(13)计算卫星在协议地球坐标系中的空间直角坐标将卫星在轨道直角坐标系内的坐标经旋转变换到WGS-84坐标系下，则有：?xs?xk?xkcosQ-ykcosiksin?Qk?y?=R-QR-i?x?=?xsinQ+ycosisir?Qz(k)x(k)?k?kkkk?s?k?y

12、ksinik?zs?0?(2.18)在姿态测量解算时，为提高测量需要对定位卫星星座进行优化选择，这就要求知道卫星的高度角。卫星的高度角与用户的当前位置有关，为此要将卫星在WGS-84坐标系下的坐标转换到以用户观测站为中心的站心坐标。观测站站心空间坐标系的定义：以用户观测站U为原点，Z轴与为原点U的椭球法线指向相重合，指向大；Y轴垂直于Z轴并指向椭球的短轴；而X轴垂直于XDZ平面指向东，构成右手直角坐标系，即通常的东北大ENU坐标系。U点的坐标(x,y,z)可以表示为：T?x?x?x?y?=R?y?-?y?z?S?z?U?z?(2.19)其中：xyzS为上述计算得到的卫星WGS-84坐标系下的坐

13、标；xyzU为用户观测站在WGS-84坐标系下的坐标。T而坐标变换矩阵R:cosL0?-sinL?R=?-sinBcosL-sinBsinLcosB?cosBsinLsinB?cosBcosL?(2.20)其中:L为观测站的地理经度；B为观测站的地理纬度。在实际应用中，为了更直观方便地表示卫星相对观测站的位置，通常用站心极坐标下卫星的方位角外高度角B和卫星到用户观测站的距离Rsu表示。站心极坐标系定义：以观测站为原点，以Y轴为极轴，测站所在位置的地球椭球面的切平面为基准面。根据用户站心极坐标和站心直角坐标之间的关系式：?x?cosBsi?oy?=R?cos0cOS民su?z?sin国？(2.2

14、1)根据上式可以得到测站极坐标表示：Rsu=(2.22)(2.23)a=arctanxyB=(2.24)根据上述公式可以求得的卫星在某时刻到观测站U的距离、方位角和高度角。在GPS姿态测量计算中，就可以依据高度角对定位星座进行最佳优化选择，提高测量精度。2.3载波相位测量原理理论上，载波相位观测量是接收机在接收到GPS信号时刻的瞬时载波相位值，但由于GPS卫星发播的信号是一种调制了伪随机码和导航电文的信号，实际上是无法直接测量出卫星信号的瞬时载波相位值，测量接收到的是具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。欲利用调制的伪随机码和导航电文的载波信号进行相位测量，则接收机在

15、接收到信号后，首先进行伪随机码的延时锁定，即实现对卫星信号的跟踪。一旦跟踪成功，接收机的本地伪随机码就与卫星的伪随机码严格对齐，给出伪距观测量。之后利用锁相环实现相位的锁定，锁相后接收机本地参考信号相位等于GPS载波信号相位，此时接收机本地参考信号相位与初始相位的差即为载波相位观测量。相心|次+y2图2-4载波相位测量示意图Figure2-4sketchmapofcarrierphasemeasuring通过解调获取纯净载波之后，GPS接收机就可以进行相位测量。其测量原理如图2-4所示，本地参考信号的频率接近于卫星的载波标称频率(由于多普勒频移效应，接收机所接收到的载波频率与本地参考频率是有差

16、别的)，则进行载波相位测量是测定GPS接收机所接收的卫星信号与接收机振荡器所产生的参考信号之间的相位差。s当卫星被锁定后，在初始观测历元t0,测量的载波相位差u(t0)为：su(t0)=小u(t0)s(t0)+Nus(t0?2几=21(t0)+N(t0)2九susu(2.(25) 式中，小u(t0为在t0时刻接收机u的本振参考信号的载波相位值；小s(tM接收机u在t0时刻所接收到的卫星s的载波信号相位值；6小us(t0)示不足一整周的小数部分相位值；Nus(t0)为初始观测历元t0的载波整周数，它是一个待定的未知数，称为初始整周模糊度。一旦卫星被锁定，在其以后的任一观测历元t,载波相位变化的整

17、周数Nus(t-t0)都会被接收机自动记下来。所以对任一观测历元t,卫星s到接收机u的总相位差可以表示为：sssuN-t+N(t)=60us(t)*t0)?u0u?2九(2.(26) 式中：6小us内对应某一初始历元t0,t时刻不足一整周的小数部分相位值；Nus(t-t0)表示从初始观测历元t0至历元t之间载波相位变化的整周数，可由接收机自动的连续计数给出，是一个已知值，又称为整周计数。图2-5载波相位测量原理示意图Figure2-5Sketchmapoftheprincipleofcarrierphasemeasuring上述载波相位测量观测的几何意义如图2-5所示，如果取符号：则总相位差：

18、su(t尸|us(t)+Nus?t0)7T小us(t)=6小us(t-+NTusO(2.27)(2.28这里小us(的载波相位观测的实际观测量。对同一个观测站u和同一个卫星s而言，所以在整个观测过程中，Nus(t0)只与初始观测历元t0有关，只要跟踪的卫星不发生中断或失锁，Nus(t0)就保持为一个常值。(2.(27) 测方程载波相位测量是指GPS信号在接收机接收瞬时相对卫星发射瞬时，载波信号在星站距离上的相位差值。利用GPS卫星发射的载波信号为测距信号，通过测量载波信号从发射时刻到接收时刻的相位变化量，从而可以来确定星站之间的距离，又称为测相伪距测量。由于载波的波长(入L1=19cm,入L2

19、=24cm)测距码码元宽度要小得多，因此应用载波相位测量，可以得到较高的测量定位精度。对GPS载波信号进行解调之后，可以得到如图2-3所示的载波信号。图2-6GPS信号载波示意图Figure2-6sketchmapofGPSsignal(假设GPS卫星s在t时刻发出信号，载波相位为小s(t)经过一段传输延迟?t后，被接收机u接收，此时接收机本地信号的载波相位为(|)u(t+?t)则在？t时段内对应的相位差小us(?t)dus(?t)=du(t+?t)s(t)(2.29)此时，卫星到接收机的距离为：spus=?X小us(?t)2?小u(t+?t)小(t?兀(2.30成中，入为GPS载波信号的波长

20、。)是否重复？由于观测环境的差异，实际上在得到卫星到接收机之间的距离之后，还需要对其进行电离层折射和对流层折射的校正，特别是对卫星钟差和接收机钟差的补偿。以理想GPS系统时间为标准，卫星s在历元Tj发出的载波信号的相位为(I)s(Tj)接收机u在历元Ti接收到来自卫星的载波信号的相位也为小刘)，而接收机u在该历元所产生的参考信号的相位为(|)u(Ti)于是两信号的总相位差可以表小为：su=小u(Ti力s(Tj)(2.31)对于卫星和接收机的时钟，其振荡频率稳定良好，所以信号的相位变化与频率的关系可以表示为：小(t+?t)=小研式中，f表小频率，小以周2九为单位。考虑到卫星发射的载波信号频率和接

21、收机振荡器的固定参考频率相同，设为f,则有：u(Ti)=6s(Tj)+E将式(2.33)带入式(2.31),可得：su=小u(Ti力s(Tj)=f?r(2.34)其中，？P=TiTj,是接收机钟和卫星钟在同步情况下卫星信号的传播延迟时间。考虑到接收机时钟和卫星时钟相对GPS系统时之间的钟差6tift6ts有：tu=Ti-6tu(2.35)(2.36)ts=Tj-6ts式中，tu和ts分别为卫星时钟和接收机时钟的钟面时刻。根据式(2.35)和式(2.36),式(2.34)可以改写为：su=f(tuts)+f8-ftLEts两边同时乘人可以得到：s人u=tu-ts)+c?(5tu5ts)在整周模糊

22、度值固定的条件下，任一观测历元t的总相位差为实际上为：su(t)=小us(t)+Nus(t0)(2.(37) 式中，小us(的载波相位测量的实际观测量。它除了包括接收机测定的不足一整周的小数部分相位值之外，还包括卫星在初始历元t0至观测历元t之间的载波相位整周变化数。再考虑电离层、对流层折射和多径效应等对卫星载波信号传播路径的影响，结合式(2.38)和(2.39)可以得到测相伪距观测方程形式为：入小us(t)=pu?(t)+ctuEts)入Nus(t0)+6pion+6ptro+6pmp+eus(2.40)根据式(2.40),可以得到GPS信号接收机的载波相位观测方程的最终形式：sdus(t)

23、=(p(t)+6p入su1ion+2ptro+6pmp)+右段Nus(t0)+£us(2.41)其中：pu(的观测历元t时刻接收机u到卫星s的几何距离；6Pion观测历元t时电离层折射对卫星载波信号的传播路径的影响；6pt的观测历元t时对流层折射对卫星载波信号的传播路径的影响；6pm询观测历元t时多径效应对卫星载波信号的传播路径的影响；eu的接收机的观测噪声、相对论效应以及其他误差。；2.5载波相位差分方程对于GSP定姿来讲，关键的问题是确定天线之间相对位置，即基线矢量。考虑到载波相位测量中的误差来源，为了求解的方便，对GPS观测方程进行线性组合，这种组合方法称之为差分法。由于在两个

24、观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星钟差、接收机钟差、电离层和对流层的折射误差、卫星的轨道误差等对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同组合，进行相对定位，便可有效地消除或减弱上述误差的影响，从而提高相对定位的精度。在实际载波相位信号进行相对位置测量中，常用的组合形式有单差法、双差法和三差法。2.5.1 单差相对位置测量单差相对位置测量(又称为站间差分)，如图2-7所示，以观测站间差分相位为观测量，即不同的观测站1和观测站2在同一历元t时刻同步观测同一颗卫星sj,取得载波相位观测值后，求差得到单差观测值，然后根据单差观测值进行相对位置测量。接收机I/接收机2图2-7

25、载波相位单差示意图Figure2-7Sketchmapofcarrierphasesingle-difference根据式(2.41)可以得到载波相位测量的观测方程：小1j(t)=(p(t)+6P入j11ion1+6ptro1+6pmp!f)+f-tN1tj1(t0)+e1j(2.42)小2j(t)=(p(t)+6P入j21ion2+6ptro2+6pmp2)+f-tN22：t0)+e2j(2.43)将式(2.42)减去式(2.43),得到测站1和测站2相对于卫星j的单差观测方程:j?小12(t)=小虫里j(t)=jjjj?p-tpt+f-曲Nt-N()()()()(t0)?1212102?入

26、1(2.44)+?6pion1+6ptro1+-(加丽2+6ptro2+?+d仙/四底1j令：？p12(t尸p-j(t)2j(t)?t12=6t-15t2j?N12=N1j(t0)-N2j(t0)?pion12=6p-力ion2?ptro12=6p-tro。tro2?pmp12=6pmp1pmp2j?e12=21j2j则上式可以改写为：j?612(t)=jj?p-tpt+f?4?N()()121212?1+?pion12+?ptro12+?prflp+122?入1j12(2.45)对于GPS姿态测量系统，接收机天线之间的距离远小于卫星到接收机间的距离，从而在很大程度上消除了大气折射和多径效应等

27、造成的误差影响。忽略这些影响，那么单差观测方程可以简化为：j?小12(t)=jjj?p-tpt+f?-?N+?e()()12121212?R1(2.46)由此可见，用单差观测量求取相对位置的优点是消除了卫星钟差17的影响。虽未消除两个观测站接收机1,2之间的相对钟差，但是对于同一历元两接收机同步观测的所有单差，其影响不变，差值为常数。同时，可以明显地消弱大气折射误差等系统性误差的影响，尤其当基线较短时，这种有效性将更为显著。2.5.2 双差相对位置测量双差观测量是由不同的观测站1和观测站2在同一历元t同步观测一组卫星sj和sk所得单差观测量之差构成。求得双差之后，根据双差观测量进行相对定位(如

28、图2-8)。、I接收机2%_L_图2-8载波相位三差示意图Figure2-8Sketchmapofcarrierphasedouble-difference对于卫星sk,有类似于式(2.46)单差观测方程：k?小12(t)=kkkk?p-tpt+f?t?N+?e()()12121212?冶1(2.47)忽略大气折射误差和多径效应误差的影响，将式(2.46)和(2.47)相减，可以得到不同测站与不同卫星之间的双差观测方程：jkjjk?(|)12(t)=?小12?t)12(t)jjkkjkjk?=?p-tp-tpt+-?t?N+?£()()()()2121212R11(2.48)jkjk

29、其中：？N12为双差整周模糊度；=?N12-?N12jkjk为接收机测量噪声等误差的双差。？£12=?eT2e12由上式可见，GPS载波相位测量值经过双差后，不但消除了卫星钟差，而且还消除了两观测站之间GPS接收机的钟差。在进行双差载波相位解算时，一般的双差观测量按下述方式组成：选用一颗高度角较大的GPS卫星作为求差的参考卫星，其他卫星的载波相位测量观测值，都与该参考卫星的载波相位测量观测值进行求差，从而获得所需要的载波相位双差观测量值。鉴于双差解法相对于单差法含有的未知参数个数较少，解算过程比较简明，应用载波相位双差观测量进行相对位置解算较为广泛。2.5.3 三差相对位置测量三差观

30、测量是历元之间进行差分，即由两个相邻观测历元t1和t2同步观测同一组卫星所得到的双差观测量之差(如图2-9所示)。图2-9载波相位三差示意图Figure2-9Sketchmapofcarrierphasethree-difference由式(2.48)可得t1和t2时刻双差观测方程：jk?小12(t1)=jjkkjkjk?p-tp-tpt+-?N+?e()()()()(t1)(2.49)112111211212?入1jk?小12(t2)=jjkkjkjk?p-tp-tpt+-?N+?e()()()()(t2)(2.50)122212221212?1式(2.49)和式(2.50)相减得三差观测方

31、程：jkjk?112(t1-)?(|)12(t2)=?P?入11(t1)-p2j(t1)p1k(t1)+p2&t?)jjkk(2.51)?-?p-1p-tpt+pt()()()()1222122?jkjk+?e12(tt?e12(t2)由上式可见，载波相位测量值经过三差消除了初始整周模糊度的影响。但是，三差观测模型使观测方程的数目明显减少，从而减少了观测信息，这会对未知参数的解算产生不利的影响。实践结果表明，用三差观测值求得的结果精度不是很高，但它不存在整周模糊度的问题，因而通常被用来作为初次解，以协助解决整周未知数和整周跳变问题。总之，GPS载波相位双差能在每一观测历元提供一组高精度

32、的相对位置观测量，只要能快速解算出初始整周模糊度，就可进行精确相对定位。在GPS姿态测量系统中采用GPS载波相位双差观测量。2.6载波相位测量误差分析在实际应用中由于各种测量误差的存在，GPS载波相位测量值中不可避免的存在误差。这些误差按其来源不同大体可分为三种类型：(1)与GSP卫星有关的误差；(2)与GPS信号传播有关的误差；(3)与接收机有关的误差。卫星计算位置星钟误差卫星真实位置星历误差离几对流层误差待消除误差图2-10GPS系统误差示意图Figure2-10SketchmapofGPSsystemerrors2.6.1 GPS卫星有关的误差与GPS卫星有关的误差主要包括卫星钟差、卫星

33、星历误差、地球自转的影响和相对论效应的影响等等。其中地球自转和相对论效应的影响较小，只有在高精度定位中才予以考虑。2.6.1.1 卫星钟差卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPS系统时间之间的差值。在GPS测量中，无论是载波相位测量还是码相位测量，都要求卫星时钟和与理性的GPS系统时严格保持同步。实际上，尽管在GPS卫星上都设有高精度的原子时钟，但它们与理想的GPS系统时之间仍然存在着难以避免的偏差和漂移，并且随着时间推移而变化，卫星钟差使21测电离层误差何距量距离载波相位测量产生误差。对于卫星时钟的误差，一般通过GPS系统的地面监控站对卫星进行连续监控和测量，经主控站确定时钟修正参数，通过注入站注

34、入到卫星，并以导航电文的形式向外广播，接收机在接收到星历信息后，利用二阶多项式进行修正。?t=af0+af1(t-toe)+af2(t-toe)2式中，toe为卫星钟差修正的参考历元；af0为相对于GPS系统时的时间偏差(钟差)；af1为相对于实际频率的偏差系数(频差)；af2为卫星时钟的频率漂移系数；t为GPS观测历元。经过上述卫星钟差模型修正后，各卫星时钟之间的同步误差可以保持在20ns以内，其等效距离不会超过6米。另外，对同一颗卫星进行相对定位时，该项误差相关性强，可以通过对观测值作差的方法予以消除。2.6.1.2 卫星星历误差卫星星历误差是指卫星星历表示的卫星轨道与真实轨道之间的差值，

35、即由导航电文中的广播星历计算卫星定点坐标带来的误差。广播星历轨道根据GPS系统监控站采集的伪距数据计算的拟合轨道外推得到，因此该误差主要取决于GPS卫星轨道摄动的不稳定性和复杂性、地面监控系统跟踪网的规模、跟踪站的分布、跟踪方法以及轨道计算的数学模型等因素。一般来说，由广播星历计算得到卫星轨道，精度大约为2030米。另外，可以从IGS中心局或其所属的各数据分析中心免费得到精密星历，目前的精密星历的精度一般优于5厘22米，但该星历不具备实时特性，无法应用于实时观测。在GPS定位中，根据需求不同，处理星历误差方法原则上有4种：(1)忽略计算误差，即在定位过程中不进行星历轨道误差消除，常用于对测量精

36、度要求不高的定位中；(2)采用轨道松弛法，采用该方法处理观测数据，通过平差解算得到卫星轨道；(3)采用精密星历定轨，利用IGS提供的精密星历进行定轨，以减少星历误差；(4)采用同步观测差分法，不同接收机进行同步观测，将测量值求差，减少星历误差的影响。利用不同接收机观测同一组卫星，卫星轨道误差具有很强的相关性，理论分析和实践经验表明，在相对定位和差分定位中，当两接收机之间的距离远小于接收机到卫星的距离时，可以极大地减少星历误差的影响。2.6.2 GPS信号传播误差GPS卫星位于距地球表面20200km的轨道上，具信号在传播过程中受到大气层和地表建筑物的影响，与信号传播有关的误差主要有：电离层折射

37、误差、对流层折射误差和多径效应误差。2.6.2.1 电离层折射误差从折射角度而言，电离层泛指大约地面以上50km1000km之间的大气层区域。受太阳辐射作用，电离层中的中性气体分子被电离，以正离子和自由电子的形式存在。电磁波的入射使带电粒子向不同的23方向运动，从而产生附加的辐射波，并叠加在入射波上，形成对电磁波的折射作用。当GPS信号在通过电离层时，受到这一介质弥散特性的影响，不仅导致GPS信号传播路径发生弯曲，还会引起GPS信号传播速度发生变化，产生附加延迟。对于载波相位测量而言，载波信号在通过电离层后其相位将比真空中传播滞后，致使测量结果产生偏差。减少电离层折射影响的主要措施有55:利用双频观测进行改正、利用电离层改正模型进行修正、利用两个(或多个)测站的同步测量值求差进行修正、半和改正法。2.6.2.2 对流层折射误差对流层折射泛指距离地面向上高度50km以下的非电离大气层区域。由于折射的80%发生在对流层，所以称作对流层折射。对流层对于GPS信号频率呈中性，当GPS信号通过对流层时将产生折射，使信号传播路径比几何路径长，从而使信号传播产生非色散延迟，引起测量误差。对流层折射的大小主要