影響GPS觀測精度的主要誤差總結(jié)分析
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差和衛(wèi)星鐘的誤差
1. 衛(wèi)星鐘差
由于衛(wèi)星的位置是時間的函數(shù)，因此，GPS的觀測量均發(fā)精密測時為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對應(yīng)的信息，是通過衛(wèi)星信號的編碼信息傳送給接收機的。在GPS定位中，無論是碼相位觀測或是載波相位觀測，均要求衛(wèi)星鐘與接收機時鐘保持嚴格的同步。實際上，以盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），但是它們與理想的GPS時之間，仍存在著難以避免的偏差和漂移。這種偏差的總量約在1ms以內(nèi)。
對于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過對衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測確定，并通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機。經(jīng)鐘差改正后，各衛(wèi)星之間的同步差，即可保持在20ns以內(nèi)。
在相對定位中，衛(wèi)星鐘差可通過觀測量求差（或差分）的方法消除。
2. 衛(wèi)星軌道偏差
估計與處理衛(wèi)星的軌道偏差較為困難，其主要原因是，衛(wèi)星在運行中要受到多種攝動力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測站，以難以充分可靠的測定這作用力，并掌握它們的作用規(guī)律，目前，衛(wèi)星軌道信息是通過導(dǎo)航電文等到的。
應(yīng)該說，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前GPS測量的主要誤差來源之一。測量的基線長度越長，此項誤差的影響就越大。
在GPS定位測量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下直種方法:
1） 忽略軌道誤差
這種方法以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準，不再考慮衛(wèi)星軌道實際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實時單點定位工作中。
2） 采用軌道改進法處理觀測數(shù)據(jù)
這種方法是在數(shù)據(jù)處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設(shè)在短時間內(nèi)這些參數(shù)為常量，將其與其它求知數(shù)一并求解。
3） 同步觀測值求差
這一方法是利用在兩個或多個觀測站一同，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差。以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影響，具有系統(tǒng)誤差性質(zhì)，所以通過上述求差的方法，可以明顯的減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，尤其當(dāng)基線較短時，其效用更不明顯。
這種方法對于精度相對定位，具有極其重要的意義。
二、與衛(wèi)星信號傳播有關(guān)的誤差
與衛(wèi)星信號有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)
1. 電離層折射的影響
GPS衛(wèi)星信號的其它電磁波信號一樣，當(dāng)其通過電離層時，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號的傳播路徑發(fā)生變化。當(dāng)GPS衛(wèi)星處于天頂方向時，電離層折射對信號傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時，則影響最大。
為了減弱電離層的影響，在GPS定位中通常采用下面措施
（1）利用雙頻觀測
由于電離層的影響是信號頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號進行觀測。便能多確定其影響，而對觀測量加以修正。因此，具有雙頻的GPS接收機，在精密定位中測量中得到廣泛的應(yīng)用。不過應(yīng)當(dāng)明確指出，在太陽輻射的正午或在太陽黑子活動的異常期，應(yīng)盡量避免觀測。在尤其是精密定位測量。
（2）利用電離層模型加以修正
對于單頻GPS接收機，為了減弱電記屋的影響，一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對觀測量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率約為75％。
（3）利用同步觀測值求差
這一方法是利用兩臺或多臺接收機，對同一衛(wèi)星的同步觀測的求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當(dāng)觀測站間的距離較近時（＜20km），由于衛(wèi)星信號到達各觀測站的路徑相近，所經(jīng)過的介質(zhì)狀況相似，因此通過各觀測站對相同衛(wèi)星信號的同步觀測值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響，其殘差將不會超過0.000001。對于單頻GPS接收機而言，這種方法的重要意義尤為明顯。
2. 對流層折射的影響
對流層折射對觀測值的影響，可分為干分量與濕分量。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對于干分量的影響，可通過地面的大氣資料計算；濕分量目前尚無法準確測定。對于輸送短的基線（＜50km），濕分量的影響較小。
關(guān)于對流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法：
（1）定位精度要求不高時，可不考慮其影響。
（2）采用對流層模型進行改正；
（3）采用觀測量求差的方法。與電離層的影響相類似，當(dāng)觀測站間相距不遠（＜20km）時，由于信號通過對流層的路徑相近，對流層的物理特性相近，所以對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯的減弱對流層折射的影響。
3. 多路徑效應(yīng)影響
多路徑效應(yīng)亦稱多路徑誤差，是指接收機天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號，信號疊加將會引起測量參考點（相位中心點）位置的變化，從而便觀測量產(chǎn)生誤差，而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。根據(jù)實驗資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對測碼偽距的影響可達到米級，對測相偽距的影響可達到厘米級。而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號失鎖和使載波相位觀測量產(chǎn)生周跳。因此，在精密GPS導(dǎo)航和測量中，多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的。
目前減弱多路徑效應(yīng)影響的措施有：
（1）安置接收機天線的環(huán)境，應(yīng)避開較強的反射面，如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。
（2）選擇造型適宜且屏蔽良好的天線等。
（3）適當(dāng)延長觀測時間，削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響。
（4）改善GPS接收機的電路設(shè)計，了減弱多路徑效應(yīng)的影響。
三、接收設(shè)備有關(guān)的誤差
與GPS接收機設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測誤差，接收機鐘差，天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不定性影響。
1. 觀測誤差
觀測誤差包括觀測的分辨誤差及接收機天線相對于測站點的安置誤差等。
根據(jù)經(jīng)驗，一般認為觀測的分辨誤差約為信號波長的1％。故知道載波相位的分辨誤差比碼相位不小，由于此項誤差屬于偶然誤差，可適當(dāng)?shù)卦黾佑^測量，將會明顯地減弱其影響。
接收機天線相對于觀測站中心的安置誤差，主要是天線的置不與對中誤差以及量取天線高的誤差，在精密定位工作中，必須認真，仔細操作，以盡量減小這種誤差的影響。
2. 接收機的鐘差
盡管GPS接收機高有高精度的石英鐘，其日頻率穩(wěn)定度可以達到10的-11方，但對載波相位觀測的影響仍是不可忽視的。
處理接收機鐘差較為有效的方法是將各觀測時刻的接收機鐘差間看成是相關(guān)的，由此建立一個鐘差模型，并表示為一個時間多項式的形式，然后在觀測量的平差計算中統(tǒng)一求解，得到多項式的系數(shù)，因而也得到接收機的鐘差改正。
3. 載波相位觀測的整周未知數(shù)
載波相位觀測上當(dāng)前普遍采用的最精密的觀測方法，由于接收機只能測定載波相位非整周的小數(shù)部份，而無法直接測定開波相位整周數(shù)，因而存在整周不定性問題。
此外，在觀測過程中，由于衛(wèi)星信號失鎖而發(fā)生的周跳現(xiàn)象。從衛(wèi)星信號失鎖到信號重新鎖定，對載波相位非整周的小數(shù)部分并無影響，仍和失鎖前保持一致，但整周數(shù)卻發(fā)生中斷而不再連續(xù)，所以周跳對觀測的影響與整周未知數(shù)的影響相似，在精密定位的數(shù)據(jù)處理中，整周未知數(shù)和周跳都是關(guān)鍵性的問題。
4. 天線的相位中心位置偏差
在GPS定位中，觀測值是以接收機天線相位中心位置為準的，因而天線的相位中心與其幾何中心理論上保持一致?？墒牵瑢嶋H上天線的相位中心位置隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，即觀測時相位中心的瞬時位置（稱為視相位中心）與理論上的本單位中心位置將有所不同，天線相位中心的偏差對相對定位結(jié)果的影響，根據(jù)天線性能的優(yōu)劣，可達數(shù)毫米至數(shù)厘米。所以對于精密相對定位，這種影響是不容忽視的。
在實際工作中，如果使用同一類型的天線，在相距不遠的兩個或多個觀測站上，同步觀測同一組衛(wèi)星，那么便可通過觀測值求差，以削弱相位中心偏移的影響。需要提及的是，安置各觀測站的天線時，均奕按天線附有的方位標進行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極。
評論