GPS误差原理

GPS同步观测，是指使用N台(N=2)GPS接收机，同时在相同的时间段内连续跟踪接收相同的卫星组的信号。通常称同步观测的时间段为时段或测段。影响观测精度的主要误差可分为以下三类：一、与GPS卫星有关的误差与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差1卫星钟差由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均发精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。在GPS定位中，无论是码相位观测或是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。实际上，以尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。这种偏差的总量约在1ms以内。对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差（或差分）的方法消除。2卫星轨道偏差估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，以难以充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作用规律，目前，卫星轨道信息是通过导航电文等得到的。应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。二、与信号传播有关的误差1电离层折射1）不改正使星站距离产生100多米误差；2）影响性质：（1）码相位观测与载波相位观测的电离层折射大小相等，符号相反；（2）对相对定位的影响因相关性而大大减弱；3）影响电离层折射的因素（1）电磁波频率：250MHz电磁波的折射数为1600MHz电磁波折射数的约30倍，L1载波与L2载波的折射数显著不同。（2）电磁波传播路径上的带电离子密度及带电粒子数：电离层高度，200~400km时密度最大；地方时，白天是晚上的5倍，地方时11时最大；季节，夏天是冬天的4倍；测站纬度，赤道最高，南北极最低；年份，太阳黑子活动周期为11年，最高年份可达1016/m2,最低年份近于零。58，69，80，91，02年最高；卫星高度：高度越大，影响越小。4）减弱措施：双频观测（采用L1和L2两个频率）（P95式6.16至6.20）；模型改正；相对定位（残余误差随边长的增大而增大）；差分定位；载波相位观测与码相位观测取平均。2、对流层折射1）对星站距离的影响达20米。2）影响对流层折射的因素：温度、气压、湿度、卫星高度。3）措施：（1）模型改正90年代以前研究测距仪的大气折射影响，90年代以后直到目前还在研究对流层对GPS定位的影响。（2）作为未知数求解；（3）相对定位（残余误差随边长的增大而增大）。3、多路径误差由卫星发射的电磁波经多条路径到达接收机而引起的误差，其中一条路径是直接到达接收机，其它路径是经多次反射后到达接收机。措施：1）静态定位；2）测站点避开反射物（建筑物、光滑地面、水域等）；3）改善天线。三、与接收机有关的误差1、接收机钟差2、接收机安置误差包括对中和整平误差，观测前应严格校正对点器。3、观测误差：接收机对时间的观测精度有限引起的误差4、天线相位中心位置偏差：即接收机天线的相位中心与几何中心不一致。性质：与信号强弱及到达接收机的方向有关。措施：1）改进天线、相对定位时采用同一型号的接收机并使定向标志朝北、观测前检验接收机天线相位中心位置偏差。这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，不再考虑卫星轨道实际存在的误差，所以广泛的用于精度较低的实时单点定位工作中。2)采用轨道改进法处理观测数据这种方法是在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它求知数一并求解。3)同步观测值求差这一方法是利用在两个或多个观测站一同，对同一卫星的同步观测值求差。以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显的减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其效用更不明显。这种方法对于精度相对定位，具有极其重要的意义。