GPS卫星定位的误差来源分析
GPS是一个庞大的系统（由GPS卫星、用户和地面的监控站三部分组成 ，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。误差的 组成也很复杂 : 根据不同的研究方向和研究重点 , 误差的分类各有不同。通常是按 误差的性质将其分为系统误差和偶然误差两类；而从误差的来源又可以将其分为与
GPS卫星有关的误差、与GPS卫星信号传播有关的误差和与 GPS信号接收机有关的 误差。此篇文章主要论述除钟差、电离层、对流层、多路径效应以外的
GPS卫星定
位的误差来源。在高精度的 GPS测量中,还应注意到与地球整体运动有关的地球潮 汐、负荷潮及相对论效应等影响。 1、与GPS卫星有关的误差 1）卫星星历误差
由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差。卫星星历分 为广播星历和精密星历。广播星历是通过 GPS 卫星发送的一种预报星历。因为我们 不能充分了解卫星上存在的各种摄动因素 , 所以预报星历钟存在较大的误差。精密 星历是根据实测资料进行拟合处理而得出的。它需要在一些已知精密位置的点上跟 踪卫星来计算观测瞬间的卫星真是位置 ,从而获得准确可靠的精密星历。 2）相对论效应
相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态 （ 运动速度和重力位不同而引 起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。在广义和狭义相对论的综合影响 下, 钟安放在卫星上比安放在地面上要快 , 为消除这一影响 , 一般将卫星钟的标准频 率减小 4.5 X10-3HZ。
3）美国的 SA 政策和 AS 政策
美国军方为限制非特许用户利用 GPS进行高精度定位,采用了降低系统精度 的政策: SA ( Select iv e Availability SA政策即选择可用性技术,通过&
政策和 AS( Anti - Spoofing 政策。
(dither 和S ( epsilon
两种技术实现。￡
技术是通过人为干扰卫星星历数据 ,
降低GPS数据传播的轨道参数精度，从而达
到降低利用C / A码进行实时单点定位精度的目的；S技术则是对GPS卫星的基 准信号人为地引入一个高频抖动信号,使GPS卫星频率10. 23 MHz加以改变,
导致定位产生干扰误差。采取上述措施后未经授权的用户使用全球定位系统的定 位精度被降低为平面位± 100 m,高程±56 m,速度±). 3 m/ s, 时间± 340ns。
上述误差置信度为 95% 。美国政府已宣布于 2005 年 5 月 1 日子夜取消 SA 政 策。AS政策即反电子欺骗技术，其目的是为了在和平时期保护其 P码，战时防止 敌方对精密导航定位作用的P码进行电子干扰。由于SA对每个卫星附加的偏差不 同, 而且同一卫星的不同时段偏差的值也不同 , 因此 SA 偏差对测量结果的影响很 大。 2、与GPS卫星信号传播有关的误差
1 )周跳 接收机由于某种原因 ( 如卫星信号被挡住 对卫星短时间失去跟踪 , 致使相位变化 无法测出 , 称为失周或失锁 , 也称为周跳产生周跳的原因有 : 卫星信号被天线附近的 地形地物短时间遮挡；多路径误差、电离层活动加剧、对流层延迟影响；动态测量
时，由于载体运动速度太快或天线倾斜使信号丢失； GPS接收机质量不佳等。
2) 太阳光压
太阳光压对GPS卫星产生摄动加速度。太阳光压对卫星产生摄动以影响卫星的轨 道, 它是精密定位的主要误差源。目前太阳光压改正模型有 : 标准光压模型、多 项式光压模型和ROCK毬压摄动模型。
3、GPS言号接收机有关的误差 1)噪声误差
噪声误差是由 PRN( 伪随机噪声码 , Pseudo Ran2domNoise 的噪声误差和接收 机噪声误差构成。接收机噪声主要由天线噪声、传输线噪声、接收机内部 噪声三部分组成。GPS测量的主要观测量是卫星信号从卫星到接收机的时间延迟 为了测量时间延迟 , 要在接收机内复制测距码信号 , 并通过接收机的时间延迟器 进行相移 , 使复制的码信号与接收到的相应码信号达到最大相关 , 其必须的相移 量, 便是卫星发射的码信号到达接收机天线的传播时间。卫星发射码与接收机内 复制的相应测距码之间的相位差 , 通常其大小约为码元宽度的 1% 。根据相位差 与码元宽度的这种关系 , 我们可初步估计各种波长的信号的观测精度。对 C/A 码 而言，码元宽度为293m,所以其观测精度约为2. 9m ； P码的码元宽度为29.
3m,其观测精度约为0. 29m。由于载波的波长远小于码的波长，因此在分辨率
相同的情况下 , 载波相位的观测精度比码相位的观测精度要高得多。对 L1 载波
( 波长为 19.03cm 而言观测, 误差约为 2.0mm; L2 载波( 波长为 24.42cm
的观测误差约为2.5mm因此P码和载波相位的观测精度比 C/A码要高得多，双 频接收机的观测精度要高于单频接收机的观测精度。同时 ,由于不同的接收设备 , 其接收机噪声误差也不尽相同 , 主要是由于它们的天线噪声、传输线噪声、接收 机内部噪声各不相同。因此接收设备的性能也是影响观测精度的一个方面。 2)卫星轨道偏差
该偏差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。由于卫星星历是 GPS定位的主要数据依据，卫星在运行中要受到多种摄动力的影响，而地面监测站 及主控站又难以精确测定其对每一个卫星的作用力 , 因此主控站 ( 和监控站 不能 精确测定并给出每一个卫星的瞬时轨道信息 , 由此形成卫星轨道偏差。目前有效的 方法是采用由美国国家大地测量局 （NGS 提供的精密星历 , 同时采用不断改进的定 轨技术及摄动力模型和同步观测值求差来降低或消除这一误差。 3）接收机位置误差
接收机天线相位中心与标石中心位置的误差叫接收机位置误差。包括天线的整 平对中误差、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。为减少这种误差 ,此项误差可通过 严格检验校对天线的对中整平设备、采取适当的防风措施等。 4）天线相位中心位置偏差
在GPS测量中,观测值都是以接收机天线相位中心位置为准的,天线的相位中心与 其几何中心在理论上保持一致。实际上天线的相位中心随着信号输入的强度和方向 不同有所变化 , 即观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心有所不同 , 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。同时使用性能好的天线 ,（ 如扼流圈天线 , 以求尽可能的减少相位中心 位置偏差带来的误差。接收机天线的几何中心相对于测站标石中心的位置偏差即为 接收机位置误差，主要指天线的整平和对中误差及天线高量取误差。此项误差可通 过严格检验校对天线的对中整平设备、采取适当的防风措施等。 4、 其它误差
1）地球自转的影响及修正算法
地球自转的影响。GPS采用的是协议地球系，若某一时刻卫星从瞬时空间位置向地 面发射信号，当地面接收机接收到卫星信号时，与地球固连的协议坐标系相对于卫 星发生瞬间位置已发生了旋转(绕Z轴旋转。这样接收到的信号会有时间延迟，延 迟大小与地球自转速度有关。GPS言号的空间传播时间约为0.067s左右，由于地 球的自转造成的，GPS信号发送时与到达接收机时卫星轨道差为
式中3是地球自转角速度, 位置偏差导致的
站星距离差为：
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(2)地球潮汐的误差
地球潮汐的影响，地球并非刚体，在太阳和月球的万有引力作用下，固体地球会产生 周期性形变，这种现象被称为地球固体潮。地球固体潮可使地面点在垂直方向上的 ' on I」习 I StJ cm
在高精度单点定位和中长距离相对定位中不可忽略此项影 位移达
响。 (3)人为误差
误差大多与人为因素有关，由于它对观测结果的影响很大，所以我们应时刻注意避 免此类误差出现。用户的人为误差，包括大地基准点的选取及对仪器的操作规程的 掌握程度
(仪器安置误差，对中、整平、天线方位的定向等，量测天线高度的误 差等。接收机软件和硬件引起的误差，要求出测前要检校仪器。主控站和监控站由 于人为的或计算机错误引起的误差，由这类误差(或者称为错误 引起的误差可以 由1m到几百公里，其严重
后果可想而知。美国随时可能启用的 AS (反电子欺骗,
AntiSpoofing 技术。AS技术是P码经过译密技术处理变为 丫码，由P码与高度 机密的W码模2和形成丫码。AS和SA是两个独立的干扰GPS测量精度的技术。
其它电磁波的影响包括接收机天线附近地区的电磁波的干扰 ( 高压电线 , 发射台等 等。
GPS卫星定位误差来源.
