淺述GPS定位中的接收機誤差及解決措施

駱金超

【摘 要】GPS定位方法是由地面接收器接收衛星發射的電磁波信號，加以計算之后求得與衛星的距離，得知測站的位置。GPS軌道參考的坐標系統為地心地固的三維坐標系，可以決定地面任一點在空間的絕對位置。為了求得三個未知的坐標量，至少需要接收三顆的衛星訊號，加上由星歷數據求出的衛星位置，即能以距離空間交會的方式決定測站坐標。GPS在現代空間大地測量中占據非常重要的地位，消除或削弱GPS定位中的各種誤差是國內外許多著名學者致力于研究的課題。

【關鍵詞】誤差；接收機

中圖分類號： P228.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0189-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.080

全球定位系統（簡稱GPS）包括了空間部分（GPS衛星）以及地面監控部分、用戶部分。GPS衛星連續向用戶播發導航定位測距信號以及導航電文，同時在此過程中接受地面監控系統的信息以便于及時進行調整。地面監控系統主要用于：跟蹤GPS衛星，保障衛星不會偏離運行軌道以及衛星鐘改正數，在預報結束后根據規定格式編制為導航電文，送往衛星；地面監控系統也可借助注入站向衛星發布指令，對衛星軌道和故障修復等進行調整。用戶可以通過GPS接收機評估接收機至GPS衛星之間的距離，同時按照衛星星歷給到的觀測瞬間衛星所在位置求得自己的三維位置和鐘差等多項參數。

按照GPS的系統構成，可以把影響GPS定位的誤差源分為以下三類：

（1）和衛星相關的誤差，涵蓋了衛星星歷誤差以及衛星鐘的鐘誤差等等；

（2）和信號傳播相關的誤差，涵蓋了電離層延遲以及多路徑效應等等；

（3）和接收機相關的誤差，涵蓋了接收機鐘的鐘誤差以及位置誤差等等。

針對上述誤差源，可按性質劃分為兩大類別，即系統誤差（偏差）和隨機誤差。系統誤差對于定位結果的影響遠大于隨機誤差，且有規可循，可以采取一定的方法和措施來加以消除，因而本文就接收機的傳播誤差為淺述的主要對象。

1 接收機鐘的鐘誤差

接收機鐘和衛星鐘一樣存在誤差。因為接收機內部時標選用了石英晶體振蕩器，穩定度為1～5×10-5，選用恒溫晶體振蕩器，穩定度也僅能達到0.5～1×10-9，但是恒溫晶體振蕩器的體積較大，耗電量也大且需要長時間預熱。因而接收機鐘誤差較衛星鐘誤差更為顯著，該項誤差主要取決于鐘本身的質量，同使用環境也有一定的關聯，但是其對于測碼偽距觀測值以及載波相位觀測值兩項參數的影響是一致的。當前，較為常用的接收機鐘差解決辦法包括如下幾種：

（1）在單點定位時將鐘差設為未知數并使用方程進行求解，盡可能減少接收機鐘差的影響；

（2）在載波相位相對定位中利用對觀測值求差方法，盡可能減少接收機鐘差的影響；

（3）在高精度定位時利用外接頻標的方法提升接收機時間精度。

2 接收機的位置誤差與測量噪聲誤差

2.1 接收機的位置誤差

進行授時與定軌工作時，接收機所在的位置是已經被得知的，但是這個誤差會使授時與定軌的結果因受到影響而出現誤差，并且該項的誤差對測碼的偽距與載波相位觀測值影響是基本一致的。在進行GPS的基線結算工作時，需要縣知道其中的一個端點的WGS-84坐標系的大概近似坐標，該坐標誤差應盡可能地將其降低，否則會導致解算的結果受到影響。但是在實際操作的過程里，我們一定要先采取方法事先做好準備，比如科學的對中整平，還有在進行變形監測的時候通過強制對中裝置等其他方法，另外接收機天線較觀測站中心產生的安裝誤差主要是因為天線安裝的對中誤差和天線高的量取誤差所致，因此在精密定位的工作中，工作人員必須要更加謹慎操作，以盡量減小這種誤差對測繪工作過程中的影響。

2.2 接收機的測量噪聲誤差

通過GPS接收機展開測量工作時，要考慮儀器設備以及外界環境影響所導致的隨機測量結果的誤差，該誤差值主要由儀器性能以及作業環境決定。通常來講，上述的各種偏差值相比一般都大于測量噪聲的影響值，觀測作業在較長時間后我們測繪工作便可以大致會略其測量噪聲的影響。

3 誤差解決措施

3.1 衛星時鐘差

GPS衛星所采用的材質是高精度的銫原子鐘，但是與真實的GPS時間仍舊是存在著微小誤差的，這被稱為衛星時鐘差，一般會假設每一個衛星時鐘差是相互獨立的，并且相同的衛星較不同地面測站始終差都是相同的，這樣衛星時鐘差所帶來的影響便可以在一定的條件下忽略不計。

3.2 接收器時鐘差

通常一般價格的GPS接收器其內部所采用的都是價格較為低廉的石英鐘，相比GPS衛星高精度的銫原子鐘而言，精度較低，所以和真實的GPS時間之間是存在著更大誤差的，這被稱作接收器時鐘差，和衛星時鐘差相同的是也可以在相對定位的情況下忽略不計。

3.3 天線相位中心差

天線相位中心所指的是天線盤中所接收衛星訊號的坐標，這也會因為訊號來源的差異而出現不同，和一般認定的天線盤中心是存在很大差別的，并且其所接收的不同頻率的載波訊號相位中心也是存在差別的。一般情況下相位中心差更多的是會給高程方向精度帶來影響，所以一定是需要進行改正的。

3.4 衛星軌道誤差

通過相應的星歷數據可以確定衛星軌道位置，星歷通常包括兩種不同的種類，即廣播星歷和精密星歷。具體來講，廣播星歷是與衛星訊號一起發射的，屬于預估星歷，此類星歷數據主要內容包括實時動態定位信息，但是通常精度不會很高。對衛星實際運動軌跡進行相應處理后得到的就是精密星歷，其具有相對較高的精準性，誤差不會超過10cm，但是所需時間較長，因此具有實時性的測量方法不會使用此類數據。

3.5 電離層延遲誤差

大氣層距離地面50-1000公里高度范圍屬于電離層，其中存在著數量眾多的游離電子，衛星信號在期間的傳輸速度會由于受到干擾而變慢，這種現象就是所謂電離層延遲。具體的延遲時間會由于信號頻率等因素的變化而有所不同，且缺乏規律性，因此無法進行模式化處理。若基線較短，其兩端的電離層延遲的差異通常可以忽略，其影響量可以通過特定方式加以消除；若基線增大，會大幅度提高差異量，其產生的影響也無法通過上述方法予以消除，在此情況下，為消除此方面的影響，往往會通過雙頻觀測量組成無電離層線性組來實現。

3.6 對流層延遲誤差

當衛星處于頭頂上方的時候，此時的對流層延遲對距離的影響會伴隨著溫度、濕度等因素的改變而發生改變，針對于該種情況，一般可以采用干空氣與濕空氣這兩種分量方式來進行處理。事實上，兩分量與大氣壓力以及絕對溫度，濕空氣的分量與濕度存在極大關聯，即使無法產生較大的影響，也難以預計最終結果。所以出現對流層延遲誤差這一情況，本身就是因為對流層當中的大氣的變化。

3.7 多路徑效應

所謂的多路徑效應就是基于信號從衛星發射到被接收器接收的這一過程而產生，信號經過天線盤所產生的一系列軌跡則被稱為多路徑效應。如果此時的反應過于劇烈，那么則會促使星訊號失真或周波脫落。一般而言，多路徑效應的發生與施測地點與周遭的環境聯系緊密，針對于此，盡量對于硬件予以詳盡設計，避免出現重大影響。

3.8 周波脫落

周波脫落其實并不隸屬于誤差這一范疇，這主要是因為外在環境或儀器本身存在的問題。

當出現周波脫落的情況時，雖然由小部分載波相位值依舊可以進行測量工作，但是整數周波是一定要重新進行搜尋的。就卡曼濾波等性質的實時動態定位算法來說，周波脫落的出現會導致證書周波的未定值出現變化，所以系統需要重新進行坐標的估計，在得到穩定以及可參照的結果之間，可能會有無法解算或解算錯誤的情形。

總之，誤差源有很多種，還包括地球自轉改正、地球潮汐改正、天線相位中心偏差改正等多項誤差，在此不一一描述。由于在GPS測量中受以上各種誤差的影響，所以我們在實際工作中要嚴格根據測量要求展開科學的操作，盡可能地將誤差所帶來的影響降至最低。同時因為高精度的GPS儀器設備價格較高，所以一般單位或者部門是難以承受的，因此在此建議從事一般測量工作的單位選用一般精度的GPS或者采用傳統的測量儀器，當然對于從事高精度精密定位工作的大單位來說便需要采取高精度GPS儀器進行工作，從而確保測量的結果精確度可以符合工作要求。

【參考文獻】

[1]劉大杰，施一民，過靜珺編著.全球定位系統（GPS）的原理與數據處理[M].同濟大學出版社，1996.

[2]楊力.大氣對GPS測量影響的理論與研究[D].解放軍信息工程大學，2001.

[3]葛茂榮，劉經南.GPS定位中對流層折射估計研究[J].測繪學報，1996（4）.

[4]胡明誠.全球定位系統（GPS）的最新進展（上）[J].測繪科學，2000（4）.

[5]李成才，等.地基GPS遙感大氣水汽總量中的“靜力延遲”和“濕延遲”[J].大氣科學，2004（5）.

[6]李征航，黃勁松編著.GPS測量與數據處理[M].武漢大學出版社，2005.

[7]周忠謨，易杰軍，周琪.GPS衛星測量原理與應用[M].測繪出版社，1997.

[8]魏子卿，葛茂榮.GPS相對定位的數學模型[M].測繪出版社，1998.

[9]張守信編著.GPS衛星測量定位理論與應用[M].國防科技大學出版社，1996.

[10]曹云昌，方宗義，夏青.地空基GPS探測應用研究進展[J].南京氣象學院學報，2004（4）.