gps误差分析及校正.docx
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gps误差分析及校正
GPS偏差剖析及校订
GPS偏差剖析及校订
大纲：
GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它拥有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精良三维导航与定位功能，而且拥有优异的抗搅乱性和保密性，因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域获得了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域张开了研究并获得广泛应用。
本文阐述和剖析了全球定位系统（GPS）的基本结构、测量原理和GPS卫星定位偏差，提出了有效地针对GPS偏差所应采用的措施。
要点词：
GPS偏差剖析偏差校订
原理
国从
全球定位系统（20世
GlobalPositioningSystem
，简称
GPS）是美
纪70年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200多亿美元，分三阶段研制，陆续投入使用，并于1994年全面建成。
GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它拥有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精良三维导航与定位功能，而且拥有优异的抗搅乱性和保密性。
因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域获得了应用，别且在其他各个领域使用广泛。
GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分组成；GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成；GPS
用户设备由GPS接收机、数据办理软件及其终端设备（如计算机）等组成。
测量偏差的分类
GPS测量是利用接收机接受卫星播发的信息来确定点的三维坐
标。
影响测量结果的偏差本源于GPS卫星、卫星信号的流传过程和地面接收设备。
GPS测量偏差按其生产源可分3大部分：
GPS信号的自
身偏差，包括轨道偏差（星历偏差）和SA，AS影响；GPS信号的传输偏差，包括太阳光压，电离层延缓，对流层延缓，多路径流传和由它们影响或其他原因产生的周跳；GPS接收机的偏差，主要包括钟偏差，通道间的偏差，锁相环延缓，码追踪环偏差，天线相位中心偏差等。
在高精度的GPS测量中还应该考虑与地球整体运动相关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等。
为了便于理解，平时将各种偏差的影响投影到察看站至卫星的距离上，以相应距离偏差来表示，称之为等效距离偏差。
表1列出了GPS测量的偏差种类及等效的距离偏差。
表1GPS偏差本源及相应影响
项目偏差本源对距离测量的影响/m
卫星部分星历偏差；钟偏差；相对论效应1.5-15信号流传电离层；对流层；多路径效应
信号接收钟的偏差；地址偏差；天线相位中心变化1.5-5其他影响地球潮汐；负荷潮1.02.1与卫星相关的偏差
（1）卫星星历偏差
卫星星历偏差是指卫星星历给出的卫星空间地址与卫星本质位
置间的偏差，由于卫星空间地址是由地面监控系统依照卫星测轨结果
计算求得的，因此又称为卫星轨道偏差。
它是一种初步数据偏差，其
大小取决于卫星追踪站的数量及空间分布、察看值的数量及精度、轨
道计算时所用的轨道模型及定轨软件的圆满程度等。
星历偏差是GPS
测量的重要偏差本源.
（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，由此引起的等效偏差将达到300km～30km。
这是一个系统偏差必定加于修正。
（3）SA搅乱偏差
SA偏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。
推行SA技术后，SA偏差已经成为影响GPS定位偏差的最主要因素。
诚然美国在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近似的搅乱技术。
（4）相对论效应的影响
这是由于卫星钟和接收机所处的状态（运动速度和重力位）不
同引起的卫星钟和接收机钟之间的相对偏差。
（5）太阳光压对GPS卫星产生摄动加速度
太阳光压对卫星产生摄动影响卫星的轨道，它是精良定轨的最主
要偏差源。
太阳光压对卫星产生的摄动加速度受太阳与地球间距离的变化（地球轨道独爱距）而引起太阳辐射压力的变化，也与太阳光强度、卫星碰到的照射面程和照射面积与太阳的几何关系及照射面的反射和吸取特点相关，由于卫星表面资料的老化、卫星姿态控制的偏差等也使太阳光压发生变化。
已有的太阳光压改正模型有：
标准光压模型、多项式光压模型和ROCK4光压摄动模型，这几种光压模型精度基本上相当，能够满足1m定轨的要求。
近来有人提出，用附加随机过程参数的方法也许对较长的轨道用一阶三角多项式逼近非模型化的长远项影响，可获得更理想的结果，甚至能够满足0.1～0.2m精度的定轨要求。
（6）电离层的信号流传延缓
电离层引最少信号流传延缓，它与沿卫星和用户接收机视线方向
上的电子密度相关，在垂直方向上延缓值在夜间平均可达3m左右，白天可达15m，在低仰角情况下分别可达9m和45m，在失态时期这个值还会加大。
为了削弱电离层延缓所引起的定位精度损失，在长基准测量中用双频接收机采集GPS数据，对察看作就进行实时电离层延缓改正，能够获得很好的奏效。
关于单频接收机的用户，诚然能够用数学模型进行改正，但其残差依旧很大，也能够用提高卫星高度截止角减少其影响。
在赤道和地极周边存在着严重的电离层赤道扰动和地极扰动，因此，利用双频GPS接收机察看，只合用于没有电离层扰动的中纬度地
区来进行电离层改正。
2.2与流传路子相关的偏差
（1）电离层折射
在地球上空距地面50～100km之间的电离层中，气体分子碰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信号经过电离层时，与其他电磁波相同，信号的路径要发生波折，流传速度也会发生变化，从而使测量的距离发生偏差，这类影响称为电离层折射。
关于电离层折射可用3种方法来减弱它的影响：
①利用双频察看值，利用不一样样频率的察看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利用同步察看值求差，这类方法关于短基线的奏效特别明显。
（2）电离层的信号流传延缓
电离层引最少信号流传延缓，它与沿卫星和用户接收机视线方向
上的电子密度相关，在垂直方向上延缓值在夜间平均可达3m左右，白天可达15m，在低仰角情况下分别可达9m和45m，在失态时期这个值还会加大。
为了削弱电离层延缓所引起的定位精度损失，在长基准测量中用双频接收机采集GPS数据，对察看作就进行实时电离层延缓改正，能够获得很好的奏效。
关于单频接收机的用户，诚然能够用数学模型进行改正，但其残差依旧很大。
也能够用提高卫星高度截止角减少其影响。
（3）赤道扰动
最坏的电离层影响是在赤道周边。
强烈影响大概在±10°以内的地区，此影响可连续至赤道两边的±30°。
扰动一般在日落到子夜发生，连续到第二天清晨。
它是由电离层中电子含量小规模无规律引起的，它有几米到几千米的波长，这些无规律的电子密度能够产生衍射和反射效应，接收的信号能使相位和振幅变异，它能阻截GPS卫星信号追踪，引起周跳，甚至基线在10km以内时，强烈的电子水平分布梯度能使模糊度解算不能够够进行。
（4）地极扰动
它没有赤道周边那么强烈，它的发生与磁暴活动相关，它主若是位于磁纬的69°～70°的极光带。
在强磁暴时期，这些极光影响能延伸到中纬度地区，使周跳数增加。
（5）对流层折射
对流层的高度为40km以下的大气基层，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获得辐射热能，其温度随高度的增加而降低。
GPS信号经过对流层时，也使流传的路径发生波折，从而使测量距离产生偏差，这类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，在数据办理中一并求得；③利用同步察看量求差。
（6）对流层的信号流传延缓
对流层延缓是电磁波信号经过对流层时其流传速度不一样样于真空
中光速所引起的。
分干大气重量和湿大气重量。
在低仰角时它能够达
到20m。
其中干大气重量约占80%～90%，能够用必定的模型大部分改正掉。
温大气重量数值虽不大，但它随纬度和高度的变化表现出很大的变化，而且随时间变化得特别快。
由于空气中的水汽和干气相当难以展望，因此测量中经常测量的是干、湿重量混杂体，故难以获得它的正确值。
到目前为止已开发出来了好多计算湿对流层延缓的合用模型，但对流层延缓仍为主要偏差源。
对流层延缓与电离层延缓相同，主要影响天顶方向，由于它们的相关性，在短基线测量中会很好的除掉，在长基线测量中采用双频接收机也能很好的减少其影响。
关于对流层延缓，多用随机过程模拟和滤波方法进行参数估计及函数逼近方法模拟改正。
好的数学模型改
正，能够使基线天顶方向提高到水平方向（平面坐标）凑近的水平。
（7）多路径偏差
多路径偏差是指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搅乱。
多路径偏差的大小，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，可控制多路径影响。
据大量资料的剖析统计，多路径偏差有以下危害：
①当边长小
于10km时，主要偏差源是天线的对中偏差和多路径偏差；②多路径偏差对点位坐标的影响，在一般环境下可达5～9cm，在高反射环境下可达15cm；③在高反射环境（城镇、水体旁、沙滩、飞机、舰船等）下，码信号受多径偏差的影响，能够致接收机的相位失锁；④实
践证明，察看值中的好多周跳都是由于多路径偏差引起的。
接收机天线周边的水平面、垂直面和斜面都会使GPS信号产生镜反射。
天线周边的地形地物，比方道路、树木、建筑物、池塘、沟渠、沙滩、山谷、山坡等都能组成镜反射。
因此，选择GPS点位时应特别注意避开这些地形地物，采用提高天线高度和其他防范多路径偏差的措施。
2.3与GPS接收机相关的偏差
（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标准时之间的差别称为接收机钟差。
把每个察看时辰的接收机钟差看作一个独立的未知数，并认为各察看时辰的接收机钟差间是相关的，在数据办理中与察看站的地址参数一并求解，可减弱接收机钟差的影响。
（2）接收机的地址偏差
接收机天线相位中心相对测站标石中心地址的偏差，叫接收机位
置偏差。
其中包括天线置平和对中偏差，量取天线高偏差。
在精良定位时，要仔细操作，来尽量减少这类偏差影响。
在变形监测中，应采用有逼迫对中装置的察看墩，相位中心随着信号输入的强度和方向不一样样而有所变化，这类差别叫天线相位中心的地址偏差。
这类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。
在本质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察看同一组卫星，可经过察看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向标进行定向，使之依照罗盘指向磁北极。
（3）接收机天线相位中心偏差
在GPS测量时，察看值都是以接收机天线的相位中心地址为准的，而天线的相位中心与其几何中心，在理论上应保持一致，但是察看时天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不一样样而有所变化，这类差别叫天线相位中心的地址偏差。
这类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。
如依照偏差的性质，上述偏差能够分为系统偏差和有时偏差两类。
有时误
差主要包括信号的多路径效应和察看偏差等；系统偏差主要包括卫星的轨道偏差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射偏差等。
其中系统偏差远大于有时偏差，他是GPS测量的主要偏差本源。
同时系统偏差有必定的规律可循，依照其产生的原因能够采用不一样样的措施加以除掉也许减弱。
主要的措施有：
①建立系统偏差模型，对察看量进行修正；②引入响应的未知参数，在数据的办理中同其他的未知参数一并求
解；③将不一样样察看站对相同卫星进行的同步察看值求差。
（4）周跳
周跳也称为失周。
在精良的GPS相对定位中采用的察看值是相位
察看值。
相位察看值是接收机本机振荡产生的相位与接收到的卫星载
波相位之差，在量测时，只能测到不足1周的小数部分（可准到
周）。
在理想条件下，接收机在锁住卫星后可保持追踪，从而测出包括整数部分的相位变化量，因此每个历元的相位察看量与接收机到卫星的距离相差载波波长的一个整数倍，它是一个固定不变的值，该整数被称为整周模糊度，在解算时与其他参数一起求出。
在本质察看条件下，接收机经常会由于某种原因（如卫星信号被挡住）对卫星短时间失去追踪，在失去追踪时间内相位的变化就不能够够被测出，称为失周或失锁，也称为周跳。
在短距离GPS基线定位中，大气轨道偏差基本被抵消，电离层和对流层延缓由于它们的相关性也除掉了大部分影响，失周大小能保持较好的整数特点，较简单办理。
产生周跳的原因，可分为外面原因和接收机质量问题。
外面原因
有：
卫星信号被天线周边的地形地物短时间遮挡；动向测量时，由于
载体运动速度太快或天线倾斜使信号扔掉；由于多路径偏差、电离层
活动加剧、对流层延缓影响，使卫星信号的噪声偏大而产生周跳。
GPS
接收机质量不好：
卫星信号在接收机电路中受搅乱，以致信号扔掉；
接收机内信号办理单元质量不好；接收机内追踪环路设计不理想，在某些环境下，将使相位发生180°或90°位移，从而产生周跳或1/4周跳。
在GPS相位测量中，察看数据中大于10周的周跳，在数据预办理时不难发现，可予以除掉。
但是，小于10周的周跳，特别是1～5
周的周跳，以及半周跳和1/4周跳，不易发现，而对含有周跳的察看
值周跳的影响视为察看的有时偏差，因此严重影响坐标的精度。
据拉查佩利的统计，一个周跳对经度、纬度、高程的影响为
L=0.03～
～
h=0.14～
可见，即使只有一个卫星存在一个周跳，也会对所测点产生几厘
米的偏差。
由于一个点位坐标是由4个以上卫星所确定的，故周跳对
点位坐标的影响取决于以下因素：
所测卫星的数量；所测卫星组成
的几何图形；周跳影响各重量的大小和周跳次数。
但是，即使只有一
个卫星节余有一个周跳，也会使该次定位点位坐标有几毫米至几厘米
的偏差。
因此可知，凡精度要求达到厘米级或分米级的GPS定位测量，
都必定除掉察看数据中的全部周跳。
3.对各种偏差的校订及其措施
3.1减弱电离层折射应采用的措施
信号经过电离层时发生折射，使信号路径发生波折和流传速度变
化，产生偏差，这项距离改正量较大，在天顶方向最大可达到150m。
采用的减弱措施主要有：
利用双频察看；利用电离层改正模型加以修正；利用伪距/载波相位测量组合改正法（半和改正法）加以修正；利用同步察看求差。
3.2减弱对流层折射应采用的措施
GPS信号经过对流层时，也使流传路径发生波折，使测量距离产生偏差，其天顶方向影响可达2.3m，地面方向可达20m。
主要采用的减弱措施有：
利用对流层模型加以修正；同步察看求差；引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据办理中一并求得；利用水汽辐射计直接测定信号流传的影响。
3.3除掉多路径效应
测站周围的反射物所反射的卫星信号（反射波）进入卫星天线，就将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，使察看值偏离真值而产生“多路径偏差”，称为多路径效应，这项影响相当严重。
主要应采用的措施有：
①在天线设计时尽可能控制这类效应影响；②察看时选择合适的测站地址，如避开大面积寂静的水面，不
宜设在山坡、山谷和盆地中，避开高层建筑、汽车等物体。
3.4减少卫星星历偏差的方法
由星历所给出的卫星在空间地址与本质地址之差称为星历偏差，在一个察看时间段内星历偏差属系统性偏差，是一种起算数据偏差，也是精良相对定位的重要偏差源。
主要应采用的措施为：
①同步察看求差；②建立卫星追踪网定轨；③在平差模型中，把轨道改正数作为未知数，经过平差来求解改正数。
这类方法称为轨道废弛法。
3.5减少卫星钟的钟偏差的措施
卫星钟的偏差包括钟差、频偏、频漂等产生的偏差及钟的随机偏差，这类偏差的相关数值由卫星的地面控制系统追踪监测计算后，经过导航点文供给给用户，经上述改正后的节余偏差一般用接收机间一次求差法来除掉它。
3.6减少接收机钟偏差的方法
GPS接收机一般采用高精度石英钟，偏差较大。
主要采用措施为：
把钟差作未知数在数据办理中求解，或经过卫星间求一次差来除掉；
接收机的地址偏差即察看时接收机对中和量取天线高的偏差，主要经过仔细操作、逼迫对中来解决。
3.7周跳的探测和修复
周跳的办理可分为2步：
从察看数据中探测出全部周跳及将探测出的周跳加以全部修复。
周跳的探测和修复都应在察看数据的预办理阶段进行。
GPS相对
定位中的失周办理是特别麻烦复杂的问题，因此应尽量防范周跳的发
生。
为此，关于仪器自己应经过仪器检定，在测定其质量确定可靠时
才能用于测量作业，在测量作业中特别应防范多路径的影响，防范失
周的现象发生。
关于周跳的探测和修复已有好多软件办理方法。
能够用组成单差、双差、3差和4差，依照组成高阶差数后，周跳被成倍放大，阶数越高，放大倍数越大的特点，能够快速有效地探测出周跳。
先进的GPS接收机内装有“专用算法器”，可探测出大部分周跳，供办理数据时使用。
防范和正确办理周跳，是提高GPS测量精度的要点。
3.8GPS自己检测
（1）GPS测量仪器的质量检定
上面已经谈到GPS接收机常存在钟偏差、通道间的偏差、锁相环延缓、码追踪环偏差、天线相位中心偏差等。
因此必定先认识仪器性能、工作特点及其可能达到的精度水平。
它是拟订GPS作业计划的依照，也是GPS定位测量顺利完成的重要保证。
也就是说对GPS测量仪器必定先进行作业前的检验，没有检验的仪器是不能够够用于作业的。
测量型GPS接收机实测检验项目有：
天线相位中心牢固性测试；内部噪
声水平测试；野外作业性能及不一样样测程精度指标的测试；频标牢固性检验和数据质量的讨论；高低温性能测试。
关于测量型GPS接收机的检定目的、检定项目和检定方法见国家测绘局宣布的中华人民共和国测绘行业标准，全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程（1995-07-01）。
（2）单、双频接收机比较
比较单、双频接收机的优缺点，便于用户选型时参照。
单频接收机的优点是：
需要电子元件较大，对微办理器的要求较
低，不需要昂贵的互相关器或Z码发生器，产品数量大，价格只有双频接收机的一半；不易出故障，平均无故障时间（MBFT）约为8000h；不受DODP码保密的限制；边长短于10km时比双频结果精度高；功耗低，体积小，重量轻，给外业带来方便。
缺点是：
点间距离高出20～30km时，定位精度碰到电离层、对流层延缓的影响。
凡点位相对精度要求2的负6次方时，边长不宜超
过20～30km；在快速静态和动向测量中察看时间比双频接收机长。
双频接收机的优点是：
能够基本除掉电离层延缓对点位坐标的影
响，点间距离可达1000km；在快速静态和动向测量中察看时间比单频机短。
单频机的优点则是双频机的主要缺点。
3.9其他偏差的修正
如天线相位中心地址偏差、相对论效应、地球自转影响、地球潮汐改正等只有在高精度的定位中恩赐考虑。
综合以上剖析，GPS测量定位的偏差诚然本源于卫星、信号流传
及接收
等各方面，但只要仔细对待，偏差能够获得有效的控制；其中，用察看求差的方法以减弱或除掉多种偏差的影响。
3.结束语
GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它的全能性、
全球性、全天候、连续性和实时性的精良三维导航与定位功能、抗干
扰性和保密性等等特点使得其在大地测量、工程测量、航空摄影测量、
海洋测量、城市测量及在军事、交通、通信、资源、管理等领域张开
了深入研究并获得广泛应用。
GPS（GlobalPositioningSystem）全
球定位系统特别是实时动向（RTK）定位技术在工程测量中包括着巨
大的技术潜力。
本文比较详细的阐述了GPS测量中存在的各种可能偏差而且论
及了除掉也许减弱各种偏差的方法，这其中有经过改变GPS自己条件
减少偏差影响的方法，比方星座的改进和地面接收机的改进；有经过
建立数学改进公式提高GPS测量精确度的，比方卫星钟偏差的改正
等。
关于GPS的检验与校订总结出比较齐全的情况及方法，关于这类
仪器的检校起到较大的帮助。
参照文件：
[1]刘大杰.全球定位系统（GPS）的原理与数据办理[M].上海：
同济大学初版社，1996.
[2]北京市测绘设计研究院.CJJ73-97，全球定位系统城市测量技术规程[S].北京：
中国建筑工业初版社，1997.
[3]徐绍铨等.GPS测量原理及应用.武汉：
武汉大学初版社，
2003.
[4]李天文.GPS原理及应用.北京：
科学初版社，2003.
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