GPS误差分析及DGPS

1． GPS 定位的误差来源分析

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。因此，对于GPS卫星、卫星信号传播过程和地面接收设备都会对GPS 测量产生误差。主要误差来源可分为：与GPS卫星有关的误差；与信号传播有关的误差；与接收设备有关的误差。

　　在GPS卫星定位测量中，影响观测量精度的主要误差来源一般可分为三类：与GPS卫星有关的误差：卫星轨道误差、卫星时钟误差。

1.1 与卫星有关的误差

1.1.1 卫星星历误差

卫星星历误差是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，由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的，所以又称为卫星轨道误差。它是一种起始数据误差，其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。星历误差是GPS 测量的重要误差来源。

1.1.2 卫星钟差

　　卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别。为了保证时钟的精度，GPS卫星均采用高精度的原子钟，但它们与GPS标准时之间的偏差和漂移和漂移总量仍在1ms～0.1ms以内，由此引起的等效误差将达到300km～30km。这是一个系统误差必须加于修正。

1.1.3 SA干扰误差

　　SA误差是美国军方为了限制非特许用户利用GPS进行高精度点定位而采用的降低系统精度的政策，简称SA政策，它包括降低广播星历精度的ε技术和在卫星基本频率上附加一随机抖动的δ技术。实施SA技术后，SA误差已经成为影响GPS定位误差的最主要因素。虽然美国在2000年5月1日取消了SA，但是战时或必要时，美国可能恢复或采用类似的干扰技术。

　　SA技术主要内容是：（1）在广播星历中有意地加入误差，使定位中的已知点(卫星)的位置精度大为降低；（2）有意地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟的频率产生快慢变化，导致测距精度大卫降低。

1.2 与传播途径有关的误差

1.2.1电离层折射

　　在地球上空距地面50～100 km 之间的电离层中，气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离，形成大量的自由电子和正离子。当GPS 信号通过电离层时，与其他电磁波一样，信号的路径要发生弯曲，传播速度也会发生变化，从而使测量的距离发生偏差，这种影响称为电离层折射。对于电离层折射可用3 种方法来减弱它的影响：（1）利用双频观测值，利用不同频率的观测值组合来对电离层的延尺进行改正；（2）利用电离层模型加以改正；（3）利用同步观测值求差，这种方法对于短基线的效果尤为明显。

1.2.2 对流层折射

　　对流层的高度为40km 以下的大气底层，其大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的增加而降低。GPS 信号通过对流层时，也使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，这种现象称为对流层折射。减弱对流层折射的影响主要有3 种措施：（1）采用对流层模型加以改正，其气象参数在测站直接测定；（2）引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得：（3）利用同步观测量求差。

1.2.3 多路径效应

　　测站周围的反射物所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离，产生所谓的“多路径误差”。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。减弱多路径误差的方法主要有：（1）选择合适的站址。测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中，应离开高层建筑物；（2）选择较好的接收机天线，在天线中设置径板，抑制极化特性不同的反射信号

1.3 与GPS 接收机有关的误差

1.3.1 接收机钟差

　　GPS 接收机一般采用高精度的石英钟，接收机的钟面时与GPS 标准时之间的差异称为接收机钟差。把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，并认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解，可减弱接收机钟差的影响。

1.3.2 接收机的位置误差

　　接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差，叫接收机位置误差。其中包括天线置平和对中误差，量取天线高误差。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。相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，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。

1.3.3 接收机天线相位中心偏差

　　在GPS 测量时，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，而天线的相位中心与其几何中心，在理论上应保持一致。但是观测时天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，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。

2. 差分GPS(DGPS)原理

DGPS即差分全球定位系统(Differential Global Position System，简称DGPS)，是在GPS的基础上利用差分技术使用户能够从GPS系统中获得更高的精度。 DGPS实际上是把一台GPS接收机放在位置已精确测定的点上，组成基准台。基准台接收机通过接收GPS卫星信号，测得并计算出到卫星的伪距，将伪距和已知的精确距离相比较，求得该点在GPS系统中的伪距测量误差，再将这些误差作为修正值以标准数据格式通过播发台向周围空间播发。附近的DGPS用户接收到来自基准台的误差修正信息，以此来修正自身的GPS测量值，从而大大提高其定位精度。

差分技术的基础是：在同一地区内，GPS缓慢变化的系统误差，包括选择可用性(SA)误差，对基准台及其邻近用户的影响是相同或相近的。应用差分技术可有效地削弱SA、电离层延迟、大气层延迟、星历误差、卫星钟误差，达到米级定位精度。

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