GPS 卫星定位的误差来源分析
GPS是一个庞大的系统(由GPS卫星、用户和地面的监控站三部分组成) ,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。误差的组成也很复杂:根据不同的研究方向和研究重点, 误差的分类各有不同。通常是按误差的性质将其分为系统误差和偶然误差两类；而从误差的来源又可以将其分为与GPS卫星有关的误差、与GPS卫星信号传播有关的误差和与GPS信号接收机有关的误差。此篇文章主要论述除钟差、电离层、对流层、多路径效应以外的GPS卫星定位的误差来源。在高精度的GPS测量中,还应注意到与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等影响。
1、与GPS卫星有关的误差
（1）卫星星历误差
由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差。卫星星历分为广播星历和精密星历。广播星历是通过GPS卫星发送的一种预报星历。因为我们不能充分了解卫星上存在的各种摄动因素,所以预报星历钟存在较大的误差。精密星历是根据实测资料进行拟合处理而得出的。它需要在一些已知精密位置的点上跟踪卫星来计算观测瞬间的卫星真是位置,从而获得准确可靠的精密星历。
（2）相对论效应
相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态(运动速度和重力位)不同而引
起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。在广义和狭义相对论的综合影响下,钟安放在卫星上比安放在地面上要快,为消除这一影响,一般将卫星钟的标准频率减小 4.5×10-3Hz。
（3）美国的SA 政策和AS 政策
美国军方为限制非特许用户利用GPS 进行高精度定位, 采用了降低系统精度的政策: SA ( Select iv e Availability )政策和AS( Anti - Spoofing ) 政策。SA 政策即选择可用性技术, 通过ε( dither) 和δ( epsilon) 两种技术实现。ε技术是通过人为干扰卫星星历数据, 降低GPS 数据传播的轨道参数精度, 从而达到降低利用C / A码进行实时单点定位精度的目的; δ技术则是对GPS 卫星的基准信号人为地引入一个高频抖动信号, 使GPS 卫星频率10. 23 MHz 加以改变, 导致定位产生干扰误差。采取上述措施后未经授权的用户使用全球定位系统的定位精度被降低为平面位±100 m, 高程±156 m, 速度±0. 3 m/ s, 时间±340ns。上述误差置信度为95% 。美国政府已宣布于2005 年5 月1 日子夜取消SA 政策。AS 政策即反电子欺骗技术, 其目的是为了在和平时期保护其P 码, 战时防止敌方对精密导航定位作用的P 码进行电子干扰。由于SA对每个卫星附加的偏差不同, 而且同一卫星的不同时段偏差的值也不同, 因此SA 偏差对测量结果的影响很大。
2、与GPS卫星信号传播有关的误差
（1）周跳
接收机由于某种原因( 如卫星信号被挡住) 对卫星短时间失去跟踪, 致使相位变化无法测出,称为失周或失锁,也称为周跳产生周跳的原因有:卫星信号被天线附近的地形地物短时间遮挡；多路径误差、电离层活动加剧、对流层延迟影响；动态测量时, 由于载体运动速度太快或天线倾斜使信号丢失；GPS 接收机质量不佳等。
（2）太阳光压
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以影响卫星的轨道, 它是精密定位的主要误差源。目前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。
3、GPS信号接收机有关的误差
（1）噪声误差
噪声误差是由PRN( 伪随机噪声码, Pseudo Ran2domNoise) 的噪声误差和接收机噪声误差构成。接收机噪声主要由天线噪声、传输线噪声、接收机内部
噪声三部分组成。GPS 测量的主要观测量是卫星信号从卫星到接收机的时间延迟, 为了测量时间延迟, 要在接收机内复制测距码信号, 并通过接收机的时间延迟器进行相移, 使复制的码信号与接收到的相应码信号达到最大相关, 其必须的相移量, 便是卫星发射的码信号到达接收机天线的传播时间。卫星发射码与接收机内复制的相应测距码之间的相位差, 通常其大小约为码元宽度的1% 。根据相位差与码元宽度的这种关系, 我们可初步估计各种波长的信号的观测精度。对C/A 码而言, 码元宽度为293m, 所以其观测精度约为2. 9m；P码的码元宽度为29. 3m, 其观测精度约为0. 29m。由于载波的波长远小于码的波长, 因此在分辨率相同的情况下, 载波相位的观测精度比码相位的观测精度要高得多。对L1 载波( 波长为19.03cm) 而言观测, 误差约为2.0mm; L2 载波( 波长为24.42cm) 的观测误差约为2.5mm。因此P码和载波相位的观测精度比C/A码要高得多, 双频接收机的观测精度要高于单频接收机的观测精度。同时,由于不同的接收设备, 其接收机噪声误差也不尽相同, 主要是由于它们的天线噪声、传输线噪声、接收机内部噪声各不相同。因此接收设备的性能也是影响观测精度的一个方面。
（2）卫星轨道偏差
该偏差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。由于卫星星历是GPS 定位的主要数据依据, 卫星在运行中要受到多种摄动力的影响, 而地面监测站及主控站又难以精确测定其对每一个卫星的作用力, 因此主控站( 和监控站) 不能精确测定并给出每一个卫星的瞬时轨道信息, 由此形成卫星轨道偏差。目前有效的方法是采用由美国国家大地测量局(NGS) 提供的精密星历, 同时采用不断改进的定轨技术及摄动力模型和同步观测值求差来降低或消除这一误差。
（3）接收机位置误差
接收机天线相位中心与标石中心位置的误差叫接收机位置误差。包括天线的整
平对中误差、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。为减少这种误差,此项误差可通过严格检验校对天线的对中整平设备、采取适当的防风措施等。
（4）天线相位中心位置偏差
在GPS测量中,观测值都是以接收机天线相位中心位置为准的,天线的相位中心与
其几何中心在理论上保持一致。实际上天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同有所变化,即观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心有所不同,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。同时使用性能好的天线,(如扼流圈天线),以求尽可能的减少相位中心位置偏差带来的误差。接收机天线的几何中心相对于测站标石中心的位置偏差即为接收机位置误差，主要指天线的整平和对中误差及天线高量取误差。此项误差可通过严格检验校对天线的对中整平设备、采取适当的防风措施等。
4、其它误差
（1）地球自转的影响及修正算法
地球自转的影响。GPS采用的是协议地球系,若某一时刻卫星从瞬时空间位置向地面发射信
号, 当地面接收机接收到卫星信号时, 与地球固连的协议坐标系相对于卫星发生瞬间位置已发生了旋转( 绕Z轴旋转)。这样接收到的信号会有时间延迟,延迟大小与地球自转速度有关。GPS信号的空间传播时间约为0.067s左右，由于地球的自转造成的,GPS信号发送时与到达接收机时卫星轨道差为:
式中ω是地球自转角速度，位置偏差导致的
站星距离差为:
（2）地球潮汐的误差
地球潮汐的影响，地球并非刚体, 在太阳和月球的万有引力作用下, 固体地球会产生周期性形变, 这种现象被称为地球固体潮。地球固体潮可使地面点在垂直方向上的位移达在高精度单点定位和中长距离相对定位中不可忽略此项影响。
（3）人为误差
误差大多与人为因素有关, 由于它对观测结果的影响很大, 所以我们应时刻注意避免此类误差出现。用户的人为误差, 包括大地基准点的选取及对仪器的操作规程的掌握程度( 仪器安置误差, 对中、整平、天线方位的定向等) , 量测天线高度的误差等。接收机软件和硬件引起的误差, 要求出测前要检校仪器。主控站和监控站由于人为的或计算机错误引起的误差, 由这类误差( 或者称为错误) 引起的误差可以由1m到几百公里, 其严重后果可想而知。美国随时可能启用的AS ( 反电子欺骗, AntiSpoofing) 技术。AS 技术是P 码经过译密技术处理变为Y码, 由P码与高度机密的W码模2和形成Y码。AS 和SA 是两个独立的干扰GPS 测量精度的技术。其它电磁波的影响包括接收机天线附近地区的电磁波的干扰( 高压电线, 发射台等等) 。
（4）卫星的空间位置和能见度所引起的误差
卫星的空间位置和能见度也是影响观测精度的一个重要方面。卫星的空间位置, 我们用PDOP( 空间位置精度因子, Position Dilution of Precision) 来表示, 但通常都用几何精度因子GDOP(Geometric Dilution of Precision) 来描述空间位置精度因子PDOP和时间误差TDOP( 接收机钟差精度因子, Time Dilution of Precision) 的综合影响的精度因子。计算方法是:GDOP= [ ( PDOP) 2+ (TDOP) 2] 1/ 2GPS 绝对定位的误差与精度因子(DOP) 的大小成正比。既然精度因子的数值与所测卫星的几何分布图形有关, 那么何种分布的图形比较适宜, 就成了人们研究的中心问题。经分析研究表明: 当观测站与4颗观测卫星所构成的六面体体积越大时, 所测卫星在空间的分布范围也越大, 而这时的GDOP 值越小,观测的精度也越好; 但是为了降低大气折射对观测精度的影响, 通常都要先限制观测卫星的高度角( 上述大气折射对观测精度的影响) 。当所测卫星在空间的分布范围越大, GDOP 值越小；当所测卫星在空间的分布范围越小, 则GDOP 值越大。当GDOP值越小,则观测效果就越显著。因此可参照GDOP值的大小, 决定观测效果的好坏, 同时决定是否采用此点位或此观测值。但是光有好的GDOP(GDOP值较小)而没有好的能见度, 也是没有用的。因此观测站周围屏障物的高度角应小于15b。5、结束语
GPS 定位是采用空间测距后方交会原理来定位的。定位过程中由于各种误差的影响, 所以在实际工作中必须严格按照测量规程要求进行操作, 尽量减小和降低各项误差, 提高定位精度。在GPS 接收机满足精度要求的前提下, 定位主要误差源是多路径效应、周跳和点位的对中误差。电离层延迟和对流层延迟主要对基线测量两点间的高差产生影响, 两点间高差愈大影响也愈大。在深刻理解GPS 定位误差的基础上, 设计合理的GPS接收机硬件和软件系统, 在设计可以消除或消弱误差影响的技术方案, 从而提高成果的可靠性和精确性。
GPS在我国的应用已从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域，GPS的广泛应用改变人们的工作方式，提高了工作效率，带来了巨大的经济以及科技效益。如今，GPS技术已不是仅仅局限于军事或者政府使用了，我们的日常生活，方方面面，从手机上的导航定位软件到汽车导航，GPS在今后的发展中，必将在我们的生活中发挥更大的作用，因此提高其可靠性和精确性是发展的必然趋势。