论GPS的测量原理及误差分析

冯亚楠 张朝云

（1.张家口市城市快速路管理处，河北 张家口075000；2.张家口市京尚高速公路管理处，河北 张家口075000）

1 GPS概述

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并应用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的GPS卫星星座己布设完成.全球定位系统已经成为美国导航技术现代化的最重要的标志，并且被视为美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就，同时GPS定位技术也被视为二十世纪最重大的科技成就之一.

随着GPS技术的发展，GPS技术在军事领域、测绘科学领域和民用相关领域都有非常广泛的应用，经近十几年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得了广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命.

2 GPS构成

2.1 空间星座部分

GPS的空间星座部分是由24颗工作卫星组成，其中包括3颗备用卫星，这些卫星位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°.卫星的分布使得在全球任何地方、任何时刻都可观测到4颗以上的卫星，又由于卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此GPS是一种全球性、全天候的卫星定位系统.

GPS卫星产生两组电码，一组称为C／A码（Coarse／Acquisition Code），一组称为P码（Precise Code），P码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务.C／A码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用.

2.2 地面监控部分

地面监控部分包括一个主控站、三个注入站和五个监测站.

主控站的任务是：

（1）提供GPS的时间基准，并控制整个地面站组的工作；

（2）处理由各监测站传送过来的数据，编制各卫星的星历，计算各卫星钟的钟差和电离层校正参数等，然后将这些导航信息送到注人站；

（3）控制卫星的运行，使其保持在固定轨道.在卫星失效时，调用备用卫星.

注入站的任务是，在卫星临空时，把导航信息注人给卫星，负责监测注入卫星的导航

信息是否正确，并且将卫星的导航数据，每隔8个小时注入一次.

监测站的任务是在卫星过顶时收集卫星播发的导航信息，对卫星进行连续监控，收集当地的气象数据等，监测站收集的数据送往主控站.

整个GPS的地面监控部分，除主控外均无人值守.各站间用现代化的通信网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工实现了高度的自动化和标准化.

2.3 用户设备部分

用户设备部分即GPS信号接收机硬件和数据处理软件，以及微处理器及其终端设备组成.

用户设备部分的主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行.当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据.根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息.接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备.GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分.接收机一般采用机内和机外两种直流电源.设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测.在用机外电源时机内电池自动充电.关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失.目前各种类型的接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用.

GPS采用无源工作方式，凡有GPS接收设备的用户，都可使用此系统，用户设备种类很多，可分别在海上、陆地、空中和空间场合使用.

3 GPS定位的误差来源以及误差的分析处理

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.

GPS测量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.

3.1 与卫星有关的误差

（1）卫星星历误差

由星历所计算得到的卫星的空间位置与实际位置之差称为卫星星历误差，又称为卫星轨道误差.星历是由地面监控站跟踪监测卫星求定的，由于卫星运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监控站又难以充分可靠地测定这些作用力或掌握其作用规律，因此在星历预报时会产生较大的误差.在一个观测时间段内，星历误差属于系统误差，是一种起算数据误差.它不仅影响单点定位的精度，也是精密相对定位的重要误差来源.

在GPS定位过程中，卫星星历误差可以通过轨道改进的方法来削弱，但在实际应用中多采用同步观测值求差方法.该方法系利用在两个或多个观测站上，对同一卫星的同步观测值求差.以减弱卫星轨道误差的影响.由于同一卫星的位置误差，对不同观测站同步观测量的影响具有系统性质，所以通过上述求差的方法可以明显地减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线比较短时，其有效性更为明显.

（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，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.

对于卫星钟的这种偏差，一般可通过对卫星钟运行状态的连续监测而精确地确定.经过钟差模型改正后的残差，可保持在20ns之间，由此引起的等效距离偏差将不会超过6m.常说的卫星钟差均指经过模型改正后的残差.在相对定位中，它可以通过观测量差分的方法消除.

（3）SA政策造成的误差

SA（Selective Availability）政策，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，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政策后，SA政策对定位所造成的误差已经成为影响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政策，但是战时或必要时，美国可能恢复或采用类似的干扰技术.

（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误差.为消除这种影响，应在卫星钟基准频率上加以相对论效应改正.

3.2 与传播途径有关的误差

（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.GPS卫星信号和其他电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到介质弥散性特性的影响，使信号的传播发生变化，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很明显.

（2）对流层折射

对流层的高度为40km以下的大气底层，对流层的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，传播的路径会发生弯曲，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种方法：①采用对流层模型加以改正，其气象参数在测站直接现场测定.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.

（3）多路径效应

多路径效应又称为多路径误差，为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”.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，并且应避开较强的发射面，如水面，平坦光滑的地面等.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.

3.3 与GPS接收机有关的误差

（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.在精密相对定位中，还可以利用观测值求差的方法，有效地减弱接收机钟差的影响［1］.

（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的影响.在变形监测中，应采用有强制对中装置的观测墩.

（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.

在实际工作中如果采用同一类天线，在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星，在数据处理中通过观测值求差可以减弱相位偏移的影响.但这种情况下各测站的天线均应按天线附有的方位标进行定向，使其根据罗盘指向磁北极.

4 结 论

以上详细探讨了GPS技术的原理、组成以及在GPS定位各个环节误差的产生以及如何消除和减弱这些误差，对提高GPS定位的精度，更好的应用于工程测量具有重要的指导意义.

［1］周忠谟等.GPS卫星测量原理与应用.测绘出版社.1992.8

［2］孙文志等.简析GPS系统定位误差分析及误差消除措施［J］.黑龙江国土资源2009.6

［3］张小刚.GPS观测误差及其相应的处理方法研究.建筑与工程［J］.2010.29

［4］徐绍铨等.GPS测量原理及应用.武汉测绘科技大学出版社.1998.10

［5］张守信等.GPS技术与应用.国防工业出版社.2004.1

［6］张小红等.GPS定位技术在不同领域的应用［J］.武汉：测绘信息与工程.2001，1

［7］胡辉等.GPS接收机的定位误差分析.河北师范大学学报［J］.2010.11