学文网【摘 要】GPS定位的主要误差可分为三个部分:与卫星有关的误差、接收机的误差以及电波信号传播路径带来的误差，据此，本文特对其作了具体的分析，仅供大家作参考之用。
【关键词】GPS定位；电波信号；卫星 接收机；传播路径
1 前言
高精度GPS定位技术在各种控制测量中已得到广泛应用。自从1982年第一代测量型无码GPS接收机Macrometer V-100投入市场以来，在应用基础的研究、应用领域的开拓、硬件和软件的开发等方面，都得到了蓬勃的发展。广泛的试验活动为GPS精密定位技术在测量工作总的应用展现了广阔的前景。目前，GPS定位技术己高度自动化，所达到的定位精度，使测量工作的模式、理念产生了***性的变化。但GPS定位还存在一些误差，主要分为与GPS卫星有关的误差；与GPS卫星接收机有关的误差；与GPS卫星信号传播路径带来的误差。
2 与卫星有关的误差
GPS定位实际上是以时间为基准的定位，用户通过空间卫星发出信号到用户接收机收到信号的时间差来确定用户到卫星的距离。由于该时间差中含有卫星钟和用户接收机钟的误差，因而称测量的距离为伪距。GPS的定位是基于同时观测四颗GPS卫星到用户的伪距和所接收到的广播星历进行定位解算。定位误差中与GPS卫星有关的误差主要是卫星广播星历误差和卫星钟差。GPS的广播星历是通过建立在世界范围内的5个测轨站跟踪卫星，由观测值解算精密轨道，进而预测出卫星的星历。卫星星历与真实轨道相比总是存在误差的。在美国实施SA***策时，卫星星历的精度人为地降低到几十米甚至100米左右。SA取消后，卫星星历的误差约10米级左右。
GPS的导航电文中有以二次项表示的卫星钟改正数，它是由GPS控制系统根据前一段的跟踪资料推算出来的。卫星钟差有两种含义:一是GPS卫星钟与GPS时间的同步误差;另一是加上导航电文中卫星钟改正数后的GPS卫星钟与GPS时间的同步误差。.对定位产生影响的是后者，其误差约为20nS(SA取消后约为几个ns)。虽然GPS卫星钟是原子钟，其稳定度高达10-13，，但一天后该钟的随机误差可达8.6ns，这相当于造成近3米的伪距误差。
对用户而言，GPS卫星的星历误差和钟差影响是有差异的，钟差的影响是各向同性的，星历误差的影响是各向异性的，即前者对用户的影响与用户位置无关，后者对用户的影响与用户位置有关(因GPS卫星较高，这种影响不会太大)。卫星星历误差和卫星钟差对定位的影响都可以等效为伪距误差。卫星星历的等效伪距误差是卫星位置误差在观测方向上的投影。
目前用户可以获得以下星历，如表1所示。GPS RTK测量一般采用的广播星历，事后处理则可以选择精度更高的快速星历或精密星历。
表1 常用的GPS星历
星历类型 精度（m） 得到时间延迟
广播星历 10.00 实时
IGS超快星历 0.15 3小时
IGS快速星历 0.10 19小时
IGS精密星历 0.05 13天
卫星星历误差和卫星钟差的等效伪距误差对导航解的贡献与观测时卫星的几何分布所决定的PDOP(几何精度衰减因子)有关，即:
（1）
式中: 定位误差， 轨道等效伪距误差。通常PDOP可取3一4。要获得低于l米的定位精度，即使不考虑其它误差的影响，也要求轨道误差小于0.3米，这个精度对广播星历来说是不可能达到的。轨道误差对基线误差的影响可用下式表示:
（2）
是基线误差矢量、b基线矢量、 卫星星历误差矢量、r为测站至卫星的距离。距离上千公里的基线，要获得低于1米的基线精度，只要求轨道误差小于20米。因而，静态用户大多采用相对定位的工作方式。对导航用户来说，绝对定位是主要工作方式，由此可见需要采用差分技术，向用户提供卫星星历改正和卫星钟差改正，以提高其定位精度。
差分可以大大消除大部分的卫星位置误差，但残余误差仍会对中长基线产生影响。卫星轨道误差“对长度为l的基线的影响可用下式来估算:
（3）
式中:d≈25000公里，为GPS卫星的概略高度。根据上述公式，广播星历对小于50km的GPS RTK动态测量影响基本可以忽略，而对于基线长度超过50km的GPS RTK动态测量，则需要考虑用其他方法来进一步减弱卫星位置误差的影响，如区域差分网或GIS预报星历。如果是事后处理，用户可以采用精密星历。
3 接收机误差
GPS接收机的误差主要是接收机钟差和接收机噪声。与卫星钟一样接收机钟也有钟差，而且接收机中一般使用稳定度较低的石英钟。接收机钟差的大小与钟的质量有关。
接收机噪声与接收机采用的工作原理有关。观测值噪声为白噪声，而且不同卫星的观测值噪声之间是***的。观测值噪声与码相关模式、接收机机动状态和卫星仰角有关。C/A码的观测噪声一般为0.15m，但受信噪比的影响，C/A码的观测噪声在0.2m~3m之间变化。P码的观测噪声为10~30cm。载波相位的噪声一般为波长的1%，对于不同的接收机类型和信噪比，载波相位的观测噪声在0.1%~10%波长之间变化。
4 传播路径误差
GPS信号从20000米的高空传播到地面穿越大气层时，受到电离层和对流层的影响。电离层和对流层均使得GPS测距信号产生延迟。
电离层是离地面约50km到1000km之间的大气层。由于受太阳辐射作用，电离层中的气体大都处于部分电离或全部电离的状态，含有密度较高的自由电子。电离层对通过的GPS信号会产生折射作用，使相位的传播速度加快(相速度)，而使伪距的传播速度(群速度)减慢。
电离层引起的传播延迟与沿卫星到接收机视线方向的电子密度有关。在天顶方向的延迟量白天可达10几米，最大可达150m，夜间也有3米左右。电离层是一种色散介质，不同的频声的电波有不同的延迟。双频用户可用双频观测量消除电离层延迟的一阶项，误差为几个厘米。单频用户用GPS导航电文中的电离层改正模型参数进行延迟改正，误差为几米。
差分技术可以大大减小电离层折射的影响，但是残余的电离层折射误差随基线长度的增加而增大，模糊度整数估计难度也随之增大。当基线长度小于10km时，差分后残余的电离层折射误差较小，基本不会影响模糊度整数估计。然而，当基线长度超过10km时，由于残余的电离层折射误差较大，使得模糊度整数估计的成功率下降。
对流层延迟泛指非电离大气对电磁波的折射。非电离大气主要包括对流层和平流层，对流层通常是指从地面向上约50km的大气部分。由于折射的80%发生在对流层，所以通常称为对流层折射。引起的传播延迟是因为电波通过对流层时传播速度与真空中不同。
对流层延迟的80~90%由大气中干燥气体引起的，称为干分量，其余10~20%是由水汽引起的，称为湿分量。在天顶方向，干分量延迟约为2~3m，湿分量延迟约为1~80cm。对流层延迟主要与气候、气压、温度、湿度和卫星仰角有关。
对于GPS信号，对流层为非弥散介质，不能用双频观测值来计算对流层延迟。对流层延迟通常用改正模型进行改正，常用的对流层改正模型有霍普菲尔德(Hopfield)模型、萨斯塔莫宁(Saastamoinen)模型等。对流层改正的精度约为分米量级。不同模型的对流层改正在高度角较高(>30°)时的差异只有几个毫米，在高度角
此外，当用户附近存在大型电磁波反射面(如水库、大型建筑物)时接收机会接收到经反射面反射的GPS信号，从而造成定位误差，称为多路径效应。多路经效应不仅影响观测值的精度，严重时还会使信号失锁，是近距离高精度GPS测量的主要误差源。多路经效应对伪距的影响最大可达伪距码元长度的1/2。对C/A码而言，多路经的影响可能达到10~20米，最严重时可能高达100米，对P码的影响最大可达10米左右。相比较而言，多路经效应对载波相位的影响较小，最大影响为1/4周，一般情况下，其影响约为1cm左右。随着GPS天线技术的发展对多路径的抑制越来越好。多路径效应虽属传播路径的误差，但它与GPS接收机天线的结构有关，也可把多路径效应产生的误差合并到GPS接收机噪声误差中。
参考文献：
[1]王广运等(1996).差分GPS定位技术与应用.电子工业出版社.1996年3月
[2]许其凤(1994).GPS卫星导航与精密定位.出版社，1994年12月
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