GPS系统的误差分析及研究

摘　要：GPS系统的定位误差直接影响着GPS定位精度，文章主要介绍了GPS系统的组成部分以及GPS的定位原理，分析了GPS定位误差的来源以及性质，并给出了相应的措施和建议，以便消除和减少定位误差。

关键词：全球定位系统；定位原理；定位误差
一、GPS卫星定位系统的组成
　　GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。
二、GPS定位原理
绝对定位原理
　　绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。其原理是:以GPS卫星和用户接受天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接受天线所对应的位置。
相对定位原理
　　GPS相对定位的原理是：用两台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置。
三、GPS定位误差的研究现状
　　在中外文献中多用均方根差或 曰“标准差”来表示误差。它的探测概率，是以置信椭圆和置信椭球来表述。置信椭圆的长短半轴，分别表示二维位置坐标分量(如经度的和纬度的)通常用一倍标准差来描述精度，且用“距离均方根差”(DRMS)表示二维定位精度
                    DRMS=(+)    (3-1)       
　　GPS卫星导航定位，是基于被动式测距原理。该三维误差为
                        m=PDOPm    (3-2)         
　　PDOP是三维位置几何经度因子，对于24颗GPS卫星组成的GPS星座，PDOP的最大值为18，最小值为l.8，m是站星距离的测量误差。从(3-2)式可以看出，GPS卫星导航定位精度的高低，不仅取决于站星距离测量误差，而且取决于该误差放大系数PDOP的大小。
四、GPS定位误差来源及削弱误差的方法
（一）GPS定位误差来源
1.与GPS卫星有关的误差：
　　（1）GPS卫星星历误差
　　在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异。
　　（2）GPS卫星钟差
　　GPS广播星历钟差的误差可分为两部分，第一是钟差估算和钟差预报的误差，受GPS主控站钟差估计精度和GPS卫星时间与频率标准的维持精度的影响；第二是钟差的描述误差，仅用某一时刻的GPS卫星钟偏和钟漂外推后续时间的GPS钟差会产生外推误差。
　　（3）相对论效应误差
  卫星钟和地面钟由于存在相对运动，从地面观测，卫星钟走得慢，影响电磁波传播时间的测定
2.与信号传播有关的误差：
　　(1)电离层效应的距离偏差
　　带电粒子的存在将影响天线电信号,使传播速度发生变化,传播路径产生弯曲,产生所谓的电离层延迟误差。对于电离层延迟的影响,可以利用电离层模型加以改正。在导航电文中提供电离层改正模型。
　　（2）对流层效应的距离偏差
　　对流层延迟是电磁波信号通过对流层时其传播速度不同于真空中光速所引起的。分干大气分量和湿大气分量。在低仰角时它可以达到20m。其中干大气分量约占80%～90%，可以用一定的模型大部分改正掉。由于空气中的水汽和干气相当难以预测，所以测量中往往测量的是干、湿分量混合体，故难以得到它的准确值。到目前为止已开发出来了许多计算湿对流层延迟的实用模型，但对流层延迟仍为主要误差源。
　　（3）多路径误差
　　多路径误差是指GPS信号射至其他的物体上又反射到GPS接收天线上，对GPS信号直接射至GPS接收天线上的直接波的干扰。多路径误差的大小，取决于反射波的强弱和用户天线抗衡反射波的能力。用户天线附设仰径板，当仰径板半径为40cm,天线高于1m至2m,可抑制多路径影响。
3.与接收设备有关的误差：
　　（1）接收集钟差?接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。
　　（2）接收机天线相位中心偏差?接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。
　　（3）接收机软件和硬件造成的误差?在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。
（二）削弱GPS定位误差的方法和措施
　　上述各项误差对测距的影响可达数十米，有时甚至可超过100m，因此必须加以消除和削弱。其主要方法有：
1.建立完善严密的误差改正模型
　　这些误差改正模型既可以是通过对误差的特性、机制以及产生的原因进行研究分析，推导而建立起来的理论公式，也可以是通过对大量的观测数据的分析，拟合而建立起来的经验公式。如果每个误差改正模型是十分完善严密的，模型中所需的数据是准确无误的，在这种理想情况下。经各误差模型改正后的包含在观测值中的系统误差将被消除干净，而只留下偶然误差。
2.求差法
　　仔细分析误差对观测值或平差结果的影响，运用适当的观测方法和数据处理方法(如同步观测，相对定位等)，利用误差在观测值之间的相关性和在定位结果之间的相关性，通过求差来消除或大幅度削弱其影响。
3.选择较好的硬件
　　有些误差，比如多路径误差，既不能建立改正模型也不能利用差分技术消除。现在还没有一种十分有效的方法完全消除它，较为有效的方法是采用性能良好的微带式天线，并在天线下安置屏蔽地面反射电波的抑径板，这个方法可使多路径误差减1/3。
4.选择良好的观测条件
　　选站时应避免邻近有大面积的平静的水面、平坦光滑的地面、金属矿区等，应选择能较好地吸收微波信号的能量、反射很弱的灌木丛、草地和其他地面植被。测站不宜选在山坡上具有电磁波强辐射源的地方，因为它们不仅本身反射电磁波，而且所辐射强电磁波将会被极灵敏的GPS天线接收，从而损坏天线。　　
参考文献：
[1] 周忠漠，易杰军编著.GPS卫星测量原理与应用.测绘出版社.1992.12
[2] 张守信.GPS卫星测量定位理论与应用.国防科技大学出版社.1995.