GPS定位誤差原因研究

1、    gps定位誤差原因研究    李軍周鵬摘要：gps定位方法是由地面接收器接收衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號，加以計(jì)算之后求得與衛(wèi)星的距離，得知測站的位置。gps軌道參考的坐標(biāo)系統(tǒng)為地心地固的三維坐標(biāo)系，可以決定地面任一點(diǎn)在空間的絕對位置。為了求得三個未知的坐標(biāo)量，至少需要接收三顆的衛(wèi)星訊號，加上由星歷數(shù)據(jù)求出的衛(wèi)星位置，即能以距離空間交會的方式?jīng)Q定測站坐標(biāo)。關(guān)鍵詞：gps定位；定位誤差；衛(wèi)星訊號；gps軌道；電磁波信號 ：a：p228 ：1009-2374（2015）31-0063-02 doi：10.13535/ki.11-4406/n.2015.31.

2、0311 單點(diǎn)定位的不確定因素圖1 gps定位基本概念圖gps單點(diǎn)定位忽略了許多需要考慮的不確定因素，因此得到的坐標(biāo)成果精度并不高，為了符合高精度應(yīng)用的需求，其他的解算方式慢慢地被發(fā)展出來，如相對定位。相對定位的基本概念，是利用兩組接收器，一置于已知點(diǎn)位上，稱為主站（base station）或參考站（reference station），另一組則置于未知點(diǎn)位，稱為移動站（rover station），將主站與移動站的數(shù)據(jù)做差分處理（difference），以求得點(diǎn)位的坐標(biāo)。較常采用的差分方式有一次差（single-difference）、二次差（double-difference）及三次差（

3、triple-difference）。1.1 一次差針對差分對象的不同，一次差又可分為空中一次差及地面一次差。1.1.1 空中一次差?？罩幸淮尾畹慕Y(jié)果可以消除地面接收器的時鐘差。1.1.2 地面一次差。同一時刻衛(wèi)星k相對于兩個不同的地面測站i，j的單程觀測的差，可以下式表示：地面一次差的結(jié)果可以消除衛(wèi)星的時鐘差。1.2 二次差將一個空中一次差與一個地面一次差求差，則可得到二次差觀測方程序，同時消去衛(wèi)星及接收器的時鐘差，可用下式表示：1.3 三次差將連續(xù)兩時刻的二次差觀測量求差，即可得三次差觀測量。若兩時刻間無周波脫落的情形發(fā)生，則整數(shù)未定值在三次差的過程中會被消去。若三次差的結(jié)果仍含有整數(shù)未定

4、值，則可斷定為周波脫落所致，因此一般常將其用于周波脫落的偵測。三次差后所求得的點(diǎn)位坐標(biāo)可當(dāng)作近似的起始坐標(biāo)。三次差的觀測方程式可表示成：2 精密單點(diǎn)定位精密單點(diǎn)定位（precise point positioning，ppp）的概念最早是利用精密星歷消除了衛(wèi)星時鐘差以及衛(wèi)星軌道的誤差，其余誤差則當(dāng)作未知數(shù)并利用參數(shù)估計(jì)與數(shù)學(xué)模型來求解。其與傳統(tǒng)單點(diǎn)定位最明顯的差別在于利用了精密星歷來改正數(shù)據(jù)，也顯著提升了單點(diǎn)定位的定位精度。不同于相對定位技術(shù)，衛(wèi)星鐘差與接收機(jī)鐘差無法利用二次差分進(jìn)行去除，因此衛(wèi)星鐘差成果必須先行取得。通常衛(wèi)星鐘差的取得，必須經(jīng)由地球上已知位置的gps連續(xù)站觀測量與衛(wèi)星聯(lián)算估計(jì)

5、而得，而國際上一些太空機(jī)構(gòu)也釋出其估算的衛(wèi)星鐘差改正文件供他人使用。3 誤差解決措施3.1 衛(wèi)星時鐘差gps衛(wèi)星采用高精度的銫原子鐘，但其與真實(shí)的gps時間仍存在有微小的誤差，稱為衛(wèi)星時鐘差，通常假設(shè)每個衛(wèi)星的時鐘差互相獨(dú)立，且相同衛(wèi)星對于不同地面測站的時鐘差皆相同，則衛(wèi)星時鐘差的影響可藉由相對定位予以消除。3.2 接收器時鐘差一般的gps接收器內(nèi)部采用較為廉價的石英鐘，時間量測的準(zhǔn)確性遠(yuǎn)不如gps衛(wèi)星的銫原子鐘，與真實(shí)的gps時間自然存在有更大的誤差，稱為接收器時鐘差，與衛(wèi)星時鐘差一樣可藉由相對定位將其消除。3.3 天線相位中心差天線的相位中心是指天線盤中接收衛(wèi)星訊號的位置，通常隨著訊號來源

6、的不同而有所差異，與一般認(rèn)定的天線盤中心并不完全一致，同時接收不同頻率載波訊號的相位中心也有所差異。一般而言相位中心差影響高程方向的精度較多，必須加以改正。3.4 衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星軌道位置是由衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)所得到，衛(wèi)星星歷可分為廣播星歷與精密星歷。廣播星歷為預(yù)估星歷，伴隨著衛(wèi)星訊號一同發(fā)射，通常實(shí)時動態(tài)定位的星歷數(shù)據(jù)都是使用廣播星歷，但其軌道精度較低。精密星歷乃依照衛(wèi)星實(shí)際運(yùn)動的軌跡，以后處理的方式得到，其軌道精度較高，約在10cm左右，但通常要在710天后方能取得，無法用于rtk等實(shí)時性的量測方法上。3.5 電離層延遲誤差電離層大約分布在高度501000公里的大氣層，其中散布著許多游離電子，

7、當(dāng)衛(wèi)星信號通過時會產(chǎn)生遲滯的現(xiàn)象，稱為電離層延遲。由于電離層的影響程度隨著時間、地點(diǎn)與信號頻率的不同而改變，通常難以模式化。在短基線時可假設(shè)基線兩端的電離層延遲量相同，并藉由相對定位的方式消除其影響量，但當(dāng)基線逐漸增長，基線兩端電離層延遲量的差異將迅速增加，相對定位已無法將其影響完全消除，此時可利用雙頻觀測量組成無電離層線性組合消去其影響。3.6 對流層延遲誤差對流層延遲誤差是由于對流層中大氣的變化造成gps信號的延遲。一般而言，當(dāng)衛(wèi)星在頭頂上方時，對流層延遲對距離的影響會隨溫度、濕度及壓力等因素的不同而改變，一般的處理方法是將對流層延遲誤差分為干空氣與濕空氣兩種分量來處理。兩分量與大氣壓力及

8、絕對溫度有關(guān)；而差別在于濕空氣的分量又與濕度相關(guān)，其影響量雖然不大，但經(jīng)常難以準(zhǔn)確估計(jì)。3.7 多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng)是由于信號從衛(wèi)星發(fā)射到被接收器接收的過程中，在周圍環(huán)境存在有高反射性的物體，使信號經(jīng)由一條以上的路徑進(jìn)入天線盤，稱為多路徑效應(yīng)。劇烈的多路徑效應(yīng)可能造成衛(wèi)星訊號失真或周波脫落。由于多路徑效應(yīng)的發(fā)生和施測地點(diǎn)周遭的環(huán)境有關(guān)，除了盡量避開多路徑效應(yīng)嚴(yán)重的地點(diǎn)外，只能以硬件設(shè)計(jì)，如增加天線盤文件板的方式或是以數(shù)學(xué)模式盡量消除其影響。3.8 周波脫落周波脫落并不屬于誤差的一種，而是指在訊號接收的過程中，由于外在環(huán)境或是儀器本身的影響，使接收的載波訊號出現(xiàn)不連續(xù)的情形。發(fā)生周波脫落之后，雖

9、然小數(shù)部分的載波相位值仍可繼續(xù)量測，但整數(shù)周波數(shù)必須重新搜尋。對于卡曼濾波等實(shí)時動態(tài)定位的算法而言，發(fā)生周波脫落將使得整數(shù)周波未定值產(chǎn)生變化，因此系統(tǒng)必須重新對坐標(biāo)加以估計(jì)，在解算得到穩(wěn)定的結(jié)果之前，可能會有無法解算或解算錯誤的情形。4 結(jié)語gps定位誤差來源很多，其中包括時鐘差、相位中心差等系統(tǒng)本身的誤差以及電離層延遲誤差、對流層延遲誤差等由周圍環(huán)境造成的誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，只有了解掌握誤差原因，才能針對性地做出解決措施，從而有效避免誤差。參考文獻(xiàn)1 皇甫堪，等.現(xiàn)代數(shù)字信號處理m.北京：電子工業(yè)出版社，2003.2 李成鋼，黃丁發(fā)，周樂韜，熊永良，徐銳.gps參考站網(wǎng)絡(luò)的多路徑誤差建模技術(shù)研究j.測繪工程，2007，（1）.3 薛國義，周智敏，王建.機(jī)載環(huán)境下的gps測量誤差分析和建模j.中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，（4）.4 吳簡彤，王利存，原金升，張樹俠.gps誤差模型參數(shù)估計(jì)的hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法j.中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，1998，（4）.（責(zé)任編輯：陳 倩）endprint中國高新技術(shù)企業(yè)2015年