GPS教程-2.GPS定位原理

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1、§10.2GPS定位原理10.2.1GPS定位中的误差源GPS定位中出现的各种误差从误差源来讲大体可分为下列三类：1.卫星有关的误差（1）卫星星历误差由卫星星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。星历误差的大小主要取决于卫星定轨系统的质量，如定轨站的数量及其地理分布，观测值的数量及精度，定轨时所有的数学力学模型和定轨软件的完善程度等。此外与星历的外推时间间隔（实测星历的外推时间间隔可视为零）也有直接关系。在影响GPS测量精度的众多误差源中，轨道误差是主要误差源。轨道误差对基线测量的影响可用下式表示：式中，为轨道误差；D为基线长；为卫星至地球表面距离，大约25000

2、km；为基线误差。下表给出了轨道误差对不同长度的基线影响。表10-1轨道误差对不同长度的基线影响轨道误差基线长度基线误差（ppm）基线误差（mm）2.5m2.5m2.5m2.5m1km10km100km1000km0.1ppm0.1ppm0.1ppm0.1ppm0.1mm1mm10mm100mm0.5m0.5m0.5m0.5m1km10km100km1000km0.002ppm0.002ppm0.002ppm0.002ppm0.002mm0.02mm0.2mm2mm（2）卫星钟的钟误差卫星上虽然使用了高精度的原子钟，但它们也不可避免地存在误差，这种误差既包含着系统性的误差（如钟差、

3、钟速、频漂等偏差），也包含着随机误差。系统误差远较随机误差的值大，而且可以通过检验和比对来确定并通过模型来加以改正；而随机误差只能通过钟的稳定度来描述其统计特性，无法确定其符号和大小。2.与信号传播有关的误差与GPS信号传播有关的误差主要是大气折射误差和多路径效应。（1）电离层延迟电离层（含平流层）是高度在先60～1000km间的大气层。在太阳紫外线X射线、射线和高能粒子的作用下，该区域内的气体分子和原子将产生电离，形成自由电子和正离子。带电粒子的存在将影响无线电信号的传播，使传播速度发生变化，传播路径产生弯曲，从而使信号传播时间t与真空中光速c的乘积不等于卫星至接收机的几何距离，

4、产生所谓的电离层延迟。电离层延迟取决于信号传播路径上的总电子含量TEC和信号的频率f。而TEC又与时间、地点、太阳黑子数等多种因素有关。测距码伪距观测值和载波相位观测值所受到的电离层延迟大小相同，但符号相反。（2）对流层延迟对流层是高度在50km以下的大气层。整个大气中的绝大部分质量集中在对流层中。GPS卫星信号在对流层中的传播速度V=c/n。以为真空中的光速，n为大气折射率，其值取决于气温、气压和相对湿度等因子。此外，信号的传播路径也会产生弯曲。由于上述原因使距离测量值产生的系统性偏差称为对流层延迟。对流层对测距码伪距和载波相位观测值的影响是相同的。（3）多路径误差多路径误差:经

5、某些物体表面反射后到达接收机的信号如果与直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机，就将使测量值产生系统误差。多路径误差对测距码伪距观测值的影响要比对载波相位观测值的影响大得多。多路径误差取决于测站周围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短。3.与接收机有关的误差（1）接收机的钟误差与卫星钟一样，接收机钟也有误差。而且由于接收机中大多采用的是石英钟，因而其钟误差较卫星钟更为显著。该项误差主要取决于钟的质量，与使用时的环境也有一定关系。它对测距码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。（2）接收机的位置误差在进行授时和定轨时，接收机的位置是已知的，其误差将使授时和定轨的结果产生系统误差

6、。该项误差对测码伪距观测值的影响是相同的。进行GPS基线解算时，需已知其中一个端点在WGS-84坐标系中的坐标，已知坐标的误差过大也会对解算结果产生影响。（3）接收机的测量噪声这是指用接收机进行GPS测量时，由于仪器设备及外界环境影响而引起的随机测量误差，其值取决于仪器性能及作业环境的优劣。一般而言，测量噪声的值均小于上述的各种偏差值。观测足够长的时间后，测量噪声的影响通常可以忽略不计。4.相对论效应相对论效应分为广义相对论和狭义相对论。（1）狭义相对论由于卫星钟被安置在高速运动的卫星中，按照狭义相对论的观点会产生时间膨胀的现象，对GPS卫星钟的影响：若卫星在地心惯性坐标系中的运动

7、速度为，则在地面频率为f的钟安置到卫星上，其频率将变为：两者的频率差为：考虑到GPS卫星的平均运动速度=3874m/s和真空中的光速c=299792458m/s,则因此，卫星上钟的频率将变慢。（2）广义相对论原理：由广义相对论可知，若卫星所处的重力位为，地面测站处的重力位为，那么同一台钟放在卫星上和放在地面上时钟频率将相差：其中，若地面的地心距R近似取6378km,卫星的地心距近似取26560km,则由此可以看出，对GPS卫星而言，广义相对论效应的影响比狭义相对论效应