GPS系統(tǒng)誤差來(lái)源的分析

1、GPS系統(tǒng)誤差來(lái)源的分析論文導(dǎo)讀：全球覆蓋連續(xù)導(dǎo)航定位:由于GPS有24顆衛(wèi)星,且分布合理,軌道高達(dá)20200km,所以在地球上和近地空間任何一點(diǎn),均可連續(xù)同步地觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。對(duì)于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程和地面接收設(shè)備都會(huì)對(duì)GPS測(cè)量產(chǎn)生誤差。計(jì)劃在未來(lái)10年內(nèi)對(duì)GPS做一系列的調(diào)整和改進(jìn)。 關(guān)鍵詞：GPS，誤差，應(yīng)用，改進(jìn)一、概述GPS及其應(yīng)用 GPS即全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioning System)是美國(guó)從本世紀(jì) 70年代開(kāi)始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。作為新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年

2、的發(fā)展，已成為在航空、航天、軍事、交通運(yùn)輸、資源勘探、通信氣象等所有的領(lǐng)域中一種被廣泛采用的系統(tǒng)。我國(guó)測(cè)繪部門(mén)最初主要將GPS系統(tǒng)用于高精度大地測(cè)量和控制測(cè)量，建立各種類型和等級(jí)的測(cè)量控制網(wǎng)，現(xiàn)在它除了繼續(xù)在這些領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用外還在測(cè)量領(lǐng)域的其它方面得到充分的應(yīng)用，如用于各種類型的工程測(cè)量、變形觀測(cè)、航空攝影測(cè)量、海洋測(cè)量和地理信息系統(tǒng)中地理數(shù)據(jù)的采集等。GPS以測(cè)量精度高; 操作簡(jiǎn)便，儀器體積小，便于攜帶; 全天候操作;觀測(cè)點(diǎn)之間無(wú)須通視;測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一在WGS84坐標(biāo)下，信息自動(dòng)接收、存儲(chǔ)，減少繁瑣的中間處理環(huán)節(jié)、高效益等顯著特點(diǎn),贏得廣大測(cè)繪工作者的信賴。GPS 的主要特點(diǎn)有： （1）

3、全球覆蓋連續(xù)導(dǎo)航定位:由于GPS 有24 顆衛(wèi)星,且分布合理,軌道高達(dá)20200km,所以在地球上和近地空間任何一點(diǎn),均可連續(xù)同步地觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。 （2）高精度三維定位: GPS 能連續(xù)地為各類用戶提供三維位置、三維速度和精確時(shí)間信息。GPS提供的測(cè)量信息多,既可通過(guò)偽碼測(cè)定偽距,又可測(cè)定載波多普勒頻移、載波相位。 （3）抗干擾性能好、保密性強(qiáng); GPS 采用數(shù)字通訊的特殊編碼技術(shù),即偽噪聲碼技術(shù),因而具有良好的抗干擾性和保密性。 二、GPS 定位的誤差來(lái)源分析 GPS 測(cè)量是通過(guò)地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送來(lái)的信息，計(jì)算同一時(shí)刻地面接收設(shè)備到多顆衛(wèi)星之間的偽距離

4、，采用空間距離后方交會(huì)方法，來(lái)確定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。因此，對(duì)于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程和地面接收設(shè)備都會(huì)對(duì)GPS 測(cè)量產(chǎn)生誤差。主要誤差來(lái)源可分為:與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差;與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差;與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。 1與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 （1）衛(wèi)星星歷誤差 衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實(shí)際位置間的偏差,由于衛(wèi)星空間位置是由地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星測(cè)軌結(jié)果計(jì)算求得的,所以又稱為衛(wèi)星軌道誤差。它是一種起始數(shù)據(jù)誤差,其大小取決于衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)量及空間分布、觀測(cè)值的數(shù)量及精度、軌道計(jì)算時(shí)所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等。星歷誤差是GPS 測(cè)量的重要誤差來(lái)源. （2）衛(wèi)星鐘差 衛(wèi)

5、星鐘差是指GPS衛(wèi)星時(shí)鐘與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差別。為了保證時(shí)鐘的精度，GPS衛(wèi)星均采用高精度的原子鐘，但它們與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的偏差和漂移和漂移總量仍在1ms0.1ms以內(nèi)，由此引起的等效誤差將達(dá)到300km30km。這是一個(gè)系統(tǒng)誤差必須加于修正。 （3）SA干擾誤差 SA誤差是美國(guó)軍方為了限制非特許用戶利用GPS進(jìn)行高精度點(diǎn)定位而采用的降低系統(tǒng)精度的政策，簡(jiǎn)稱SA政策，它包括降低廣播星歷精度的技術(shù)和在衛(wèi)星基本頻率上附加一隨機(jī)抖動(dòng)的技術(shù)。實(shí)施SA技術(shù)后，SA誤差已經(jīng)成為影響GPS定位誤差的最主要因素。雖然美國(guó)在2000年5月1日取消了SA，但是戰(zhàn)時(shí)或必要時(shí)，美國(guó)可能恢復(fù)或采用類似的干擾技術(shù)。 （

6、4）相對(duì)論效應(yīng)的影響 這是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)所處的狀態(tài)(運(yùn)動(dòng)速度和重力位) 不同引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間的相對(duì)誤差。 2與傳播途徑有關(guān)的誤差 （1）電離層折射 在地球上空距地面50100 km 之間的電離層中,氣體分子受到太陽(yáng)等天體各種射線輻射產(chǎn)生強(qiáng)烈電離,形成大量的自由電子和正離子。免費(fèi)論文。當(dāng)GPS 信號(hào)通過(guò)電離層時(shí),與其他電磁波一樣,信號(hào)的路徑要發(fā)生彎曲,傳播速度也會(huì)發(fā)生變化,從而使測(cè)量的距離發(fā)生偏差,這種影響稱為電離層折射。對(duì)于電離層折射可用3 種方法來(lái)減弱它的影響: 利用雙頻觀測(cè)值,利用不同頻率的觀測(cè)值組合來(lái)對(duì)電離層的延尺進(jìn)行改正。利用電離層模型加以改正。利用同步觀測(cè)值求差,這種基

7、線的效果尤為明顯。 （2）對(duì)流層折射 對(duì)流層的高度為40km 以下的大氣底層,其大氣密度比電離層更大,大氣狀態(tài)也更復(fù)雜。對(duì)流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能,其溫度隨高度的增加而降低。GPS 信號(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí),也使傳播的路徑發(fā)生彎曲,從而使測(cè)量距離產(chǎn)生偏差,這種現(xiàn)象稱為對(duì)流層折射。減弱對(duì)流層折射的影響主要有3 種措施: 采用對(duì)流層模型加以改正,其氣象參數(shù)在測(cè)站直接測(cè)定。引入描述對(duì)流層影響的附加待估參數(shù),在數(shù)據(jù)處理中一并求得。利用同步觀測(cè)量求差。 （3）多路徑效應(yīng) 測(cè)站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(hào)(反射波)進(jìn)入接收機(jī)天線,將和直接來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)(直接波) 產(chǎn)生干涉,從而使觀測(cè)值偏離,產(chǎn)生所謂的“

8、多路徑誤差”。這種由于多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)被稱作多路徑效應(yīng)。減弱多路徑誤差的方法主要有: 選擇合適的站址。測(cè)站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中,應(yīng)離開(kāi)高層建筑物。選擇較好的接收機(jī)天線,在天線中設(shè)置徑板,抑制極化特性不同的反射信號(hào)。 3與GPS 接收機(jī)有關(guān)的誤差 （1）接收機(jī)鐘差 GPS 接收機(jī)一般采用高精度的石英鐘,接收機(jī)的鐘面時(shí)與GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異稱為接收機(jī)鐘差。把每個(gè)觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的未知數(shù),并認(rèn)為各觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差間是相關(guān)的,在數(shù)據(jù)處理中與觀測(cè)站的位置參數(shù)一并求解，可減弱接收機(jī)鐘差的影響。 （2）接收機(jī)的位置誤差 接收機(jī)天線相位中心相對(duì)測(cè)站標(biāo)石中心位

9、置的誤差,叫接收機(jī)位置誤差。其中包括天線置平和對(duì)中誤差,量取天線高誤差。在精密定位時(shí),要仔細(xì)操作,來(lái)盡量減少這種誤差影響。免費(fèi)論文。在變形監(jiān)測(cè)中,應(yīng)采用有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)墩。相位中心隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化,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(dá)數(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。在實(shí)際工作中若使用同一類天線,在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)測(cè)站同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星,可通過(guò)觀測(cè)值求差來(lái)減弱相位偏移的影響。但這時(shí)各測(cè)站的天線均應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向,使之根據(jù)羅盤(pán)指向磁北極。 （3）接收機(jī)天線相位中心偏差 在GPS 測(cè)量時(shí),觀測(cè)值都是以接收機(jī)天

10、線的相位中心位置為準(zhǔn)的,而天線的相位中心與其幾何中心,在理論上應(yīng)保持一致。但是觀測(cè)時(shí)天線的相位中心隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化,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(dá)數(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。 三、GPS的最新發(fā)展與改進(jìn) 面對(duì)導(dǎo)航市場(chǎng)的迅速發(fā)展和強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，美國(guó)政府不得不作出反映，計(jì)劃在未來(lái)10年內(nèi)對(duì)GPS做一系列的調(diào)整和改進(jìn)。對(duì)GPS的改進(jìn)將對(duì)GPS系統(tǒng)的3個(gè)部分進(jìn)行，其中對(duì)星座部分的改進(jìn)最大。 1GPS星座的改進(jìn) (1)改善星座的分布(2)增強(qiáng)衛(wèi)星的自主導(dǎo)航能力(3)取消SA政策(4)增加民用頻率(5)頻率復(fù)用(6)增強(qiáng)衛(wèi)

11、星發(fā)射信號(hào)的功率 2地面監(jiān)控部分的改進(jìn) 衛(wèi)星位置的精度直接影響到用戶的定位精度，而地面監(jiān)控站的數(shù)量和分布部分地決定了GPS衛(wèi)星定軌的質(zhì)量。目前GPS共有5個(gè)監(jiān)控站，衛(wèi)星位置的精度為1m2m。免費(fèi)論文。美國(guó)軍方正計(jì)劃將國(guó)家制圖局（NIMA）的7個(gè)GPS監(jiān)控站納入目前的控制網(wǎng)，使將來(lái)的監(jiān)控站的分布更加均勻、密度更大，為了計(jì)算衛(wèi)星的位置提供更多的、更及時(shí)的高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)在未來(lái)10年，衛(wèi)星星歷的精度將達(dá)到亞米級(jí)，甚至達(dá)到厘米級(jí)，同時(shí)，向衛(wèi)星上傳數(shù)據(jù)的頻率也將更高。 3用戶接受部分的改進(jìn) 由于用戶的用途不同，用戶接受機(jī)的改進(jìn)也是多樣化的。接收機(jī)的硬件部分正朝多樣化、小型化、模塊化、集成化、操作簡(jiǎn)單等方向發(fā)展，例如出現(xiàn)了一些新的接收機(jī)可根據(jù)用戶的需求用軟件設(shè)定單頻GPS、雙頻GPS等模式。接收機(jī)的面板上只有一、兩個(gè)按鈕和若干個(gè)顯示燈組