第五章GPS信号的误差分析

GPS导航定位误差详解GPS导航定位误差详解GPS卫星导航定位，是基于被动式测距原理，亦即，GPS信号接收机被动的测量来自GPS卫星的定位信号和传播时延，而测得GPS信号接收天线相位中心和GPS卫星发射天线相位中心之间的距离（即站星距离），进而将它和GPS卫星在轨位置联合解算出用户的三维坐标。

由此可见，GPS卫星导航定位的误差主要分成下述的3大类。

（1）GPS信号的自身误差即认为得SA误差，简称卫星误差；（2）GPS信号从卫星传播到用户接收天线的船舶误差；（3）GPS信号接收机所产生的GPS信号测量误差，简称接受误差。

本节从基本概念入手，较详细地论述了GPS卫星导航定位测量的偏差和误差，以及他们的削弱方法，并论述了GPS 现代化对提高GPS 卫星导航定位精度的作用和影响。

GPS卫星导航定位的精度、误差与偏差广义而论，精度（accuracy）表示一个量的观测值与其真值接近或一致的程度，常以其相应值—误差（error）予以表述。

对GPS卫星导航而言，精度，直观地概括为同GPS信号所测定的载体在航点位与载体实际点位之差。

对于GPS卫星测地而言，精度，是用GPS信号所测定的地面点位与其实地点位之差。

现代卫星导航定位中几个常用的技术术语进行较详细地论述。

4.2.1 均方根差（RMS）均方根差，应文名为root mean square error，测绘界的中国学者将其称为“中误差”或曰“标准差”。

它的探测概率，是以置信椭圆（confidence ellipse，用于二维定位）和置信椭球（confidence ellispsoid，用于三维定位）来表述。

置信椭圆的长短半轴，分别表示二维位置坐标分量的标准差（如经度的σλ和纬度的σφ）。

一倍标准差（1σ）的概率值是68.3%，二倍标准差（2σ）的概率值为95.5%；三倍标准差（3σ）的概率值是99.7%。

许多中外文献所述的“精度”多为一倍标准差（1σ），且用“距离均方根差”（DRMS）表示二维定位精度，距离均方根差（DRMS），也称为圆径向误差（circular radial error）或曰均方位置误差，另有一些作者常采用“双倍距离均方根差”（2DRMS）。

GPS定位误差的产生原因分析与减小方法引言：在现代社会，全球定位系统（Global Positioning System，GPS）已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。

无论是导航、交通监控还是地理信息系统等领域都离不开GPS定位技术。

然而，随着GPS定位的广泛应用，人们也逐渐发现定位误差问题的存在。

本文将从GPS定位误差产生的原因入手，探讨解决这一问题的方法。

一、GPS定位误差的原因分析：1. GPS系统误差：GPS系统本身存在着一些系统误差，例如卫星钟差、伪距观测误差、大气延迟等。

这些误差会直接影响到GPS定位的准确性。

2. 空间几何因素：GPS定位需要至少4颗卫星进行定位计算，卫星的位置和空间几何分布对定位精度有着重要影响。

当卫星分布不均匀或存在遮挡物时，会导致定位误差增大。

3. 电离层和大气影响：电离层和大气中的湿度、温度等因素都会对GPS信号产生影响，导致信号传播延迟或折射，从而引起定位误差。

4. 载波相位等伪距测量误差：GPS定位是通过测量卫星发射的信号和接收器接收的信号之间的时间差来计算位置的。

然而，由于载波相位的波长较短，测量精度更高，但受到多普勒效应的影响，会产生伪距测量误差。

二、减小GPS定位误差的方法：1. 多路径效应抑制：多路径效应是指GPS信号在传播过程中发生反射、散射等现象，致使接收器接收到多个信号，在信号合成过程中引入误差。

为了减小多路径效应，可以利用天线设计和信号处理技术，选择适合的接收天线和增加抗多路径干扰的算法。

2. 差分定位：差分定位是通过引入一个参考站与基准站的距离进行辅助定位，利用参考站的精确位置和信号传播速度信息来对GPS定位结果进行修正。

差分定位可以大幅度减小系统误差和信号传播误差的影响，提高定位精度。

3. 增加卫星数量和分布：通过增加卫星数量和改善卫星的空间分布，可以提高GPS定位的可见卫星数目和几何配置，从而减小定位误差。

可以使用卫星信噪比、可视卫星数等指标来优选卫星，并避开存在遮挡物的区域。

GPS测量的误差来源及其影响解析首先，卫星系统误差是由于GPS卫星系统本身存在的误差引起的。

这些误差主要包括星历误差、钟差误差和轨道偏移误差等。

星历误差是由于卫星轨道位置和速度参数的不准确性引起的，会导致卫星位置计算的误差。

钟差误差是由于卫星钟的不稳定性引起的，会导致卫星时间计算的误差。

轨道偏移误差是由于卫星轨道本身存在的变化引起的，会导致卫星位置计算的误差。

这些卫星系统误差会影响到GPS定位的准确性和精度。

接收机误差是由于GPS接收机自身存在的误差引起的。

这些误差主要包括接收机电路噪声、时钟稳定性、多径干扰等。

接收机电路噪声会影响到接收机对GPS信号的接收和处理过程，从而影响到定位的精度。

时钟稳定性误差是由于接收机内部时钟不稳定引起的，会导致定位结果的时钟误差。

多径干扰误差是由于信号在传播过程中经过反射、散射等现象引起的，会导致接收机接收到的信号中出现额外的信号路径，从而影响到定位的准确性。

大气误差是由于GPS信号在大气中的传播过程中受大气密度、湿度、折射等因素的影响引起的。

大气误差主要包括对流层延迟和电离层延迟两部分。

对流层延迟是由于大气密度的变化引起的，会导致GPS信号传输的时间延迟。

电离层延迟是由于电离层中电子密度的变化引起的，同样会导致GPS信号传输的时间延迟。

这些大气误差会导致定位的误差，尤其在高纬度地区或者大气环境变化较大的地方影响更加明显。

多径效应误差是由于GPS信号在传播过程中与地面或建筑物等物体发生反射，从而导致额外的信号路径引起的。

这些额外的信号路径会导致接收机接收到的信号中出现多个不同的信号，从而影响到定位的准确性和精度。

钟差误差是由于GPS卫星钟本身存在的不准确性引起的。

由于卫星钟的不稳定性，会导致卫星发射的信号中存在时间偏差，从而影响到定位的准确性。

信号传输延迟误差是由于GPS信号在传输过程中受到信号传输速度的影响引起的。

由于信号传输速度不是无限大，会导致GPS信号传输的时间延迟，从而影响到定位的准确性。

GPS测量误差分析
GPS测量误差是指定位技术（如GPS）在定位运算过程中可能产生的误差。

GPS定位精度通常由两类误差来评估：随机误差和系统误差。

随机误差是GPS定位运算中的一个不可避免的误差，此类误差受很多因素的影响，它包括接收机错误、卫星接收机失准和空间不确定性等。

此外，GPS 测量误差还包括由外部影响因素引起的系统误差，如由于大气折衰和大气延迟等原因，GPS定位测量结果的准确度会受到影响。

测量误差可以通过几何学方法进行分析。

（1）精度分析：定位的精度是衡量GPS定位效果的重要指标，它取决于卫星视锥夹角、接收机失准和其他测量误差。

通常情况下，小的视锥夹角表示较高的定位精度。

此外，GPS定位精度还受到接收机失准以及天线高度等因素的影响。

（2）准确度分析：GPS定位结果准确度受到来自外部环境的影响，如外部电磁存在环境、电磁传播性以及天空中折射等。

定位准确度也受到接收机操作模式的影响，如由接收机模式引起的位置偏移和轨迹偏移等。

（3）稳定性分析：GPS测量稳定性很重要，它必须稳定才能提供准确的定位。

稳定性取决于GPS接收机的启动时间、卫星跟踪数量以及可能的大气折衰等。

GPS定位的误差分析4.1误差的分类在GPS测量中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类：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。

如果根据误差的性质，上述误差尚可分为系统误差与偶然误差。

系统误差主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机种差以及大气折射误差等。

为了减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因采取不同的措施，其中包括：引入相应的未知参数，在数据处理中连同其他未知参数一并解算、建立系统误差模型，对观测量加以修正、将不同的观测站对相同的卫星的同步观测值求差，以减弱或者消除系统误差的影响、简单的忽略某些系统误差的影响。

偶然误差主要包括信号的多路径效应引起的误差和观测量等。

4.2 与卫星有关的误差与GPS卫星有关的误差，主要包括卫星轨道误差和卫星钟的误差。

4.2.1卫星钟差由于卫星的位置是时间的函数，所以GPS的观测量均以精密测时为依据。

而与卫星位置相应的的时间信息是通过卫星信号的编码信息传送给用户的。

在GPS测量中，无论是码相位观测或者载波相位观测，均要求卫星钟与接收机保持严格的同步。

实际上，尽管GPS 卫星均设有高精度的原子钟，但是它们与理想的GPS时之间仍然存在着难以避免的偏差或者漂移。

这些偏差总量均在1ms以内，由此引起的等效距离误差约可达300km。

4.2.2轨道偏差卫星的轨道误差是当前利用GPS定位的重要误差来源之一。

GPS 卫星距离地面观测站的最大距离约25000km，如果基线测量的允许误差为1cm，则当基线长度不同时，允许的轨道误差大致如表5-2所示，可见，在相对定位中随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。

4.3 卫星信号的传播误差与卫星信号传播有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应。

4.3.1 电离层折射的影响GPS卫星信号和其他电磁波信号一样，当通过电离层时将受到这一介质弥散特性的影响，使信号的传播路径产生变化。

GPS测量中坐标纠正与误差分析GPS（Global Positioning System，全球定位系统）已经成为现代测量领域中不可或缺的工具。

通过接收卫星发射的信号，GPS可以准确测量出地球上某一点的经纬度坐标。

然而，在实际应用中，由于多种因素的影响，GPS测量的坐标可能存在一定的误差。

因此，对GPS测量中的坐标进行纠正与误差分析，对于提高测量精度和可靠性至关重要。

首先，我们需要了解GPS测量中可能存在的误差来源。

一般来说，GPS测量误差主要包括：卫星钟差、电离层延迟、大气延迟、多径效应、接收机钟差、观测数据产生与处理中的误差等。

卫星钟差指的是卫星发射信号的时间与卫星自身的时间存在一定的偏差，导致测量结果不准确。

电离层延迟是由于卫星信号在经过大气电离层时受到电离层的影响，造成信号传播速度变化，从而引起测量误差。

大气延迟是由于信号经过大气层时受到大气密度变化的影响，导致测量结果出现偏移。

多径效应指的是卫星信号在传播过程中，除了直接到达接收机外，还存在与地面或建筑物反射后到达接收机的信号，这些多路径信号会导致测量结果产生误差。

接收机钟差是指接收机内部时钟与GPS系统时间存在一定的差异，也会影响到测量结果的精度。

针对以上误差来源，我们可以采取一系列纠正措施来提高GPS测量的准确性。

首先，卫星钟差可以通过测量多颗卫星的信号并进行差分处理来纠正。

差分GPS技术能够消除卫星钟差对测量结果的影响，提高测量的准确性。

其次，电离层延迟和大气延迟可以通过接收机和卫星信号之间的差分处理来消除。

接收机将两颗卫星的信号之间的差异作为电离层和大气延迟的参考，从而进行纠正。

此外，采用多路径抑制技术可以降低多径效应对测量结果的影响。

这种技术包括选择合适的接收机和天线，减少信号的反射和干扰。

最后，接收机钟差可以通过接收机内部的校正机制进行补偿。

除了进行误差纠正，我们还需要进行误差分析，了解测量结果的可信程度和误差范围。

误差分析是通过对测量数据进行统计分析，得出误差的概率分布和置信区间。

GPS测量误差分析GPS（全球定位系统）是一种利用卫星技术来测量和定位地球上任意点的系统。

然而，由于多种因素的影响，GPS测量结果存在一定的误差。

本文将对GPS测量误差进行分析，包括系统误差、环境误差和接收机误差。

首先，系统误差是由GPS系统的设计和运行过程中的不完善或不准确引起的误差。

其中最主要的系统误差是钟差误差和轨道误差。

GPS卫星的钟差在运行过程中会有微小的漂移，这会引起定位结果的偏差。

轨道误差意味着GPS卫星实际运行轨道与理论轨道之间的偏差，这也会导致定位结果的误差。

为了解决这些问题，GPS系统会通过改正模型对钟差误差和轨道误差进行校正，但这些模型仍然不是完美的，仍然存在一定的误差。

其次，环境误差是由卫星信号在传播过程中遇到的大气和电离层等环境因素引起的误差。

大气和电离层对GPS信号的传播会产生折射、延迟和衰减等影响，这些影响会导致测量结果的不准确。

为了减小环境误差，GPS系统引入了差分定位技术，即通过同步接收到的卫星信号来消除环境误差。

最后，接收机误差是由GPS接收机本身的性能和工作状态引起的误差。

接收机的性能包括接收机的灵敏度、动态范围和抗多径干扰能力。

灵敏度决定接收机是否能接收到较弱的卫星信号；动态范围决定接收机能否同时处理较强和较弱的信号；抗多径干扰能力决定接收机能否在多路径信号情况下准确测量。

此外，接收机的工作状态也会影响测量结果的准确性，如接收机的周围环境、天线安装的位置和姿态等。

为了减小GPS测量误差，一般可以采取以下方法：1.多路径抑制技术：通过优化天线设计和使用接收机的多路径抑制算法，减小多路径干扰对测量结果的影响。

2.差分定位技术：通过同时接收到的参考站信号来校正环境误差，提高定位结果的准确性。

3.接收机选择：选择性能较好的GPS接收机，具备较高的灵敏度、动态范围和抗干扰能力。

4.多星定位：接收来自多颗卫星的信号进行定位，提高测量结果的准确性。

综上所述，GPS测量误差是由系统误差、环境误差和接收机误差共同引起的。

GPS导航定位误差详解GPS卫星导航定位，是基于被动式测距原理，亦即，GPS信号接收机被动的测量来自GPS卫星的定位信号和传播时延，而测得GPS信号接收天线相位中心和GPS卫星发射天线相位中心之间的距离（即站星距离），进而将它和GPS卫星在轨位置联合解算出用户的三维坐标。

由此可见，GPS卫星导航定位的误差主要分成下述的3大类。

（1）GPS信号的自身误差即认为得SA误差，简称卫星误差；（2）GPS信号从卫星传播到用户接收天线的船舶误差；（3）GPS信号接收机所产生的GPS信号测量误差，简称接受误差。

本节从基本概念入手，较详细地论述了GPS卫星导航定位测量的偏差和误差，以及他们的削弱方法，并论述了GPS 现代化对提高GPS卫星导航定位精度的作用和影响。

GPS卫星导航定位的精度、误差与偏差广义而论，精度（accuracy）表示一个量的观测值与其真值接近或一致的程度，常以其相应值—误差（error）予以表述。

对GPS卫星导航而言，精度，直观地概括为同GPS信号所测定的载体在航点位与载体实际点位之差。

对于GPS卫星测地而言，精度，是用GPS信号所测定的地面点位与其实地点位之差。

现代卫星导航定位中几个常用的技术术语进行较详细地论述。

4.2.1 均方根差（RMS）均方根差，应文名为root mean square error，测绘界的中国学者将其称为“中误差”或曰“标准差”。

它的探测概率，是以置信椭圆（confidence ellipse，用于二维定位）和置信椭球（confidence ellispsoid，用于三维定位）来表述。

置信椭圆的长短半轴，分别表示二维位置坐标分量的标准差（如经度的σλ和纬度的σφ）。

一倍标准差（1σ）的概率值是68.3%，二倍标准差（2σ）的概率值为95.5%；三倍标准差（3σ）的概率值是99.7%。

许多中外文献所述的“精度”多为一倍标准差（1σ），且用“距离均方根差”（DRMS）表示二维定位精度，距离均方根差（DRMS），也称为圆径向误差（circular radial error）或曰均方位置误差，另有一些作者常采用“双倍距离均方根差”（2DRMS）。

GPS测量的误差分析
首先，GPS信号在传播过程中受到大气层的影响。

大气层中的水汽和
电离层对GPS信号的传播速度和方向产生影响，导致信号的传播路径发生
偏折，从而引入了测量误差。

特别是在电离层异常活跃的时期，GPS测量
误差会加大。

其次，地球表面的地形和建筑物也会对GPS测量产生影响。

在城市密
集区域，高楼大厦和其他建筑物会阻挡或反射GPS信号，导致接收器接收
到多个反射信号，引入多径效应。

多径效应可以导致接收器在测量位置时
产生距离和方向的误差。

另外，接收器的性能也可能影响GPS测量的准确性。

接收器的灵敏度、多路径抑制能力和时钟精度等因素会影响接收到的GPS信号质量以及位置
测量的精度。

低质量的接收器可能会引入更多的误差。

为了减小GPS测量误差，可以采取一些措施。

其中之一是增加接收器
接收到的卫星数目。

通过接收到多个卫星的信号，可以使用差分GPS技术
来消除卫星钟差、大气延迟以及接收器时钟误差等误差，从而提高测量的
精度。

此外，使用更高精度的接收器和天线，以及选择开阔的地勘环境，
也可以减小误差。

GPS测量的误差来源及其影响解析
一、卫星定位误差
GPS定位的过程中，对接收机所收到信号的加法处理，由于卫星定位
时发射的信号存在本底误差，会影响定位精度，造成定位误差，其中最重
要的定位误差就是卫星定位误差。

卫星定位误差是由多个因素引起的，包括：卫星定位信号的传播误差，卫星定位信号的发射误差及地球的曲率误
差等。

1、传播误差：由于GPS定位中，接收机所收到的卫星定位信号有几
百米甚至几千米的传播距离，当GPS接收机所接收的信号在传播中会受到
传播环境的影响，如地表反射、地物影响、空气散射等，都会造成信号发
生一定的相位变化，这些变化就会造成卫星定位误差。

2、发射误差：GPS定位中，卫星发射的信号是有一定误差的，这是
由于卫星本身传输的信号带有一定的误差，在传输过程中会有一定的折射、散射误差，这些误差会严重影响GPS定位的精度。

3、地球曲率误差：GPS定位中，由于地球表面不是完全平面，多数
地方都存在着不同程度的曲率，这些曲率会影响卫星发出的信号在传播过
程中的传播速度，从而会产生一定的偏移，从而影响GPS定位的精度。

二、接收机定位误差
接收机定位误差指的是在GPS定位过程中。

GPS系统误差来源的分析
GPS系统误差是由于多种因素造成的，包括卫星、接收器、地球大气和多路径等因素，以下对GPS系统误差造成的主要因素进行分析：
1、卫星误差
卫星的误差是指由于卫星本身的问题引起的误差，如卫星钟的不精确、卫星发射时钟的偏差、卫星轨道偏差等。

这些误差会导致GPS系统中的卫星发射的信号存在一定的偏差，从而影响到GPS接收器的测量结果。

2、接收器误差
接收器误差是指GPS接收器本身的问题引起的误差。

这些误差包括接收器的精度问题、接收器的干扰问题（来自天线等），以及接收器内部噪声的影响等。

这些误差会影响到GPS接收器的测量精度和正确性。

3、地球大气误差
GPS信号经过大气层时，由于大气层的折射和散射等现象，会引起信号的传播速度和方向发生一定的变化。

这些变化会影响GPS信号的传播时间、相位和干涉等，从而影响到GPS接收器的测量精度和准确性。

4、多路径误差
多路径误差是指GPS信号在传播过程中，由于反射或折射等现象，从两个或多个路径到达接收器，从而形成多径信号。

这些多径信号与原始信号相互干扰，导致GPS接收器无法正确地估计信号的到达时间和信号的相位，因此会导致GPS系统中的误差。

综上所述，GPS系统误差来源较为复杂，涉及卫星、接收器、地球大气和多路径等多个因素，因此需要GPS接收
器和算法的不断改进和优化，以提高GPS系统的测量精度和信号准确性。

GPS定位误差的产生原因分析与减小方法导言全球定位系统（GPS）已成为现代社会中广泛应用于导航、地理测量和定位等领域的重要技术。

然而，在使用GPS时，我们常会遇到定位误差的问题。

本文将分析GPS定位误差产生的原因，并探讨减小定位误差的方法。

一、多普勒效应引起的频率偏移误差GPS定位是通过接收来自卫星的信号并测量其到达时间来确定位置的。

然而，卫星和接收器之间的运动会引起多普勒效应，导致接收器测量的信号频率偏离真实频率。

这会导致接收器估计的距离与实际距离之间存在误差。

为了减小多普勒效应带来的误差，可以采用快速信号处理算法和精确的频率模型来纠正频率偏移。

二、大气延迟引起的距离误差GPS信号在穿过大气层时会受到大气延迟的影响，从而导致接收器估计的距离与实际距离之间存在偏差。

大气延迟主要由电离层延迟和对流层延迟组成。

为了减小大气延迟带来的误差，可以通过使用多频信号进行差分定位、引入大气误差模型进行修正以及使用增强的大气改正模型来提高定位精度。

三、钟差引起的时间误差卫星和接收器的时钟不可能完全同步，这会导致接收器估计的时间与实际时间之间存在差异。

这个差异会引起接收器估计的距离与实际距离之间的误差。

为了减小时钟差带来的误差，可以使用差分定位技术来修正时间误差，并利用接收器内部的时间校准机制来提高时钟的准确性。

四、多径效应引起的信号衰减误差当GPS信号在传播过程中发生反射或折射时，会产生多径效应，导致接收器接收到的信号变弱或出现多个传播路径，从而影响定位精度。

为了减小多径效应带来的误差，可以采用抗多径干扰技术，如采用天线阵列、时延估计和信号处理算法等来抑制多径干扰。

五、精度限制引起的测量误差GPS接收器自身的精度限制也会导致定位误差。

接收器的硬件设计和信号处理算法的精度限制都会影响最终的定位精度。

为了减小精度限制带来的误差，可以采用高精度的接收器硬件设计和先进的信号处理算法，以提高定位的准确性。

六、综合多种减小误差方法为了进一步提高GPS定位的精度，可以综合应用上述减小误差的方法。

GPS系统导航定位的误差分析摘要：尽管GPS已成为高精度的导航定位系统，但它仍存在一些定位误差。

GPS 系统的定位误差直接影响着GPS定位精度，本文对其产生的来源和性质进行了介绍和初步分析。

关键词：误差精度星历信号GPS定位误差按其产生来源可分为3大部分：GPS信号的自身误差，包括轨道误差(星历误差)和 SA干扰误差影响；GPS信号的传输误差，包括电离层折射，对流层折射，多路径效应和由它们影响或其他原因产生的周跳；GPS接收机的误差，主要包括钟误差，接收机的位置误差，接收机天线相位中心偏差等；一，星历误差和SA干扰误差1.星历误差卫星星历误差又等效为伪距误差。

由于卫星轨道受地球和日、月引力场、太阳光压、潮汐等摄动力及大气阻力的影响，而其中有的是随机影响，而不能精密确定，使卫星轨道产生误差。

目前，GPS卫星轨道误差的等效伪距误差为4.2m。

美国的SA政策和AS政策人为地使导航定位的精度降低，点位误差有时达到100m。

控制网的静态GPS测量是利用载波相位测量，一般是由一个点设为已知点与一个待定点位同步观测GPS卫星，取得载波相位观测值，从而得出待定点位的坐标或两点间的坐标值，称为基线测量，短基线测量可以消除SA影响。

动态测量解决SA影响的途径是实时差分定位,即在已知坐标点上布设基准点，通过基准站取得误差校正值，通过数据链实时传给导航定位的移动站，从而消除SA影响及两站的各种共同的误差，提高了移动站的导航定位精度。

2.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。

二，GPS信号的传输误差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。