浅述GPS定位中的接收机误差及解决措施

骆金超

【摘 要】GPS定位方法是由地面接收器接收卫星发射的电磁波信号，加以计算之后求得与卫星的距离，得知测站的位置。GPS轨道参考的坐标系统为地心地固的三维坐标系，可以决定地面任一点在空间的绝对位置。为了求得三个未知的坐标量，至少需要接收三颗的卫星讯号，加上由星历数据求出的卫星位置，即能以距离空间交会的方式决定测站坐标。GPS在现代空间大地测量中占据非常重要的地位，消除或削弱GPS定位中的各种误差是国内外许多著名学者致力于研究的课题。

【关键词】误差；接收机

中图分类号： P228.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）36-0189-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.080

全球定位系统（简称GPS）包括了空间部分（GPS卫星）以及地面监控部分、用户部分。GPS卫星连续向用户播发导航定位测距信号以及导航电文，同时在此过程中接受地面监控系统的信息以便于及时进行调整。地面监控系统主要用于：跟踪GPS卫星，保障卫星不会偏离运行轨道以及卫星钟改正数，在预报结束后根据规定格式编制为导航电文，送往卫星；地面监控系统也可借助注入站向卫星发布指令，對卫星轨道和故障修复等进行调整。用户可以通过GPS接收机评估接收机至GPS卫星之间的距离，同时按照卫星星历给到的观测瞬间卫星所在位置求得自己的三维位置和钟差等多项参数。

按照GPS的系统构成，可以把影响GPS定位的误差源分为以下三类：

（1）和卫星相关的误差，涵盖了卫星星历误差以及卫星钟的钟误差等等；

（2）和信号传播相关的误差，涵盖了电离层延迟以及多路径效应等等；

（3）和接收机相关的误差，涵盖了接收机钟的钟误差以及位置误差等等。

针对上述误差源，可按性质划分为两大类别，即系统误差（偏差）和随机误差。系统误差对于定位结果的影响远大于随机误差，且有规可循，可以采取一定的方法和措施来加以消除，因而本文就接收机的传播误差为浅述的主要对象。

1 接收机钟的钟误差

接收机钟和卫星钟一样存在误差。因为接收机内部时标选用了石英晶体振荡器，稳定度为1～5×10-5，选用恒温晶体振荡器，稳定度也仅能达到0.5～1×10-9，但是恒温晶体振荡器的体积较大，耗电量也大且需要长时间预热。因而接收机钟误差较卫星钟误差更为显著，该项误差主要取决于钟本身的质量，同使用环境也有一定的关联，但是其对于测码伪距观测值以及载波相位观测值两项参数的影响是一致的。当前，较为常用的接收机钟差解决办法包括如下几种：

（1）在单点定位时将钟差设为未知数并使用方程进行求解，尽可能减少接收机钟差的影响；

（2）在载波相位相对定位中利用对观测值求差方法，尽可能减少接收机钟差的影响；

（3）在高精度定位时利用外接频标的方法提升接收机时间精度。

2 接收机的位置误差与测量噪声误差

2.1 接收机的位置误差

进行授时与定轨工作时，接收机所在的位置是已经被得知的，但是这个误差会使授时与定轨的结果因受到影响而出现误差，并且该项的误差对测码的伪距与载波相位观测值影响是基本一致的。在进行GPS的基线结算工作时，需要县知道其中的一个端点的WGS-84坐标系的大概近似坐标，该坐标误差应尽可能地将其降低，否则会导致解算的结果受到影响。但是在实际操作的过程里，我们一定要先采取方法事先做好准备，比如科学的对中整平，还有在进行变形监测的时候通过强制对中装置等其他方法，另外接收机天线较观测站中心产生的安装误差主要是因为天线安装的对中误差和天线高的量取误差所致，因此在精密定位的工作中，工作人员必须要更加谨慎操作，以尽量减小这种误差对测绘工作过程中的影响。

2.2 接收机的测量噪声误差

通过GPS接收机展开测量工作时，要考虑仪器设备以及外界环境影响所导致的随机测量结果的误差，该误差值主要由仪器性能以及作业环境决定。通常来讲，上述的各种偏差值相比一般都大于测量噪声的影响值，观测作业在较长时间后我们测绘工作便可以大致会略其测量噪声的影响。

3 误差解决措施

3.1 卫星时钟差

GPS卫星所采用的材质是高精度的铯原子钟，但是与真实的GPS时间仍旧是存在着微小误差的，这被称为卫星时钟差，一般会假设每一个卫星时钟差是相互独立的，并且相同的卫星较不同地面测站始终差都是相同的，这样卫星时钟差所带来的影响便可以在一定的条件下忽略不计。

3.2 接收器时钟差

通常一般价格的GPS接收器其内部所采用的都是价格较为低廉的石英钟，相比GPS卫星高精度的铯原子钟而言，精度较低，所以和真实的GPS时间之间是存在着更大误差的，这被称作接收器时钟差，和卫星时钟差相同的是也可以在相对定位的情况下忽略不计。

3.3 天线相位中心差

天线相位中心所指的是天线盘中所接收卫星讯号的坐标，这也会因为讯号来源的差异而出现不同，和一般认定的天线盘中心是存在很大差别的，并且其所接收的不同频率的载波讯号相位中心也是存在差别的。一般情况下相位中心差更多的是会给高程方向精度带来影响，所以一定是需要进行改正的。

3.4 卫星轨道误差

通过相应的星历数据可以确定卫星轨道位置，星历通常包括两种不同的种类，即广播星历和精密星历。具体来讲，广播星历是与卫星讯号一起发射的，属于预估星历，此类星历数据主要内容包括实时动态定位信息，但是通常精度不会很高。对卫星实际运动轨迹进行相应处理后得到的就是精密星历，其具有相对较高的精准性，误差不会超过10cm，但是所需时间较长，因此具有实时性的测量方法不会使用此类数据。

3.5 电离层延迟误差

大气层距离地面50-1000公里高度范围属于电离层，其中存在着数量众多的游离电子，卫星信号在期间的传输速度会由于受到干扰而变慢，这种现象就是所谓电离层延迟。具体的延迟时间会由于信号频率等因素的变化而有所不同，且缺乏规律性，因此无法进行模式化处理。若基线较短，其两端的电离层延迟的差异通常可以忽略，其影响量可以通过特定方式加以消除；若基线增大，会大幅度提高差异量，其产生的影响也无法通过上述方法予以消除，在此情况下，为消除此方面的影响，往往会通过双频观测量组成无电离层线性组来实现。

3.6 对流层延迟误差

当卫星处于头顶上方的时候，此时的对流层延迟对距离的影响会伴随着温度、湿度等因素的改变而发生改变，针对于该种情况，一般可以采用干空气与湿空气这两种分量方式來进行处理。事实上，两分量与大气压力以及绝对温度，湿空气的分量与湿度存在极大关联，即使无法产生较大的影响，也难以预计最终结果。所以出现对流层延迟误差这一情况，本身就是因为对流层当中的大气的变化。

3.7 多路径效应

所谓的多路径效应就是基于信号从卫星发射到被接收器接收的这一过程而产生，信号经过天线盘所产生的一系列轨迹则被称为多路径效应。如果此时的反应过于剧烈，那么则会促使星讯号失真或周波脱落。一般而言，多路径效应的发生与施测地点与周遭的环境联系紧密，针对于此，尽量对于硬件予以详尽设计，避免出现重大影响。

3.8 周波脱落

周波脱落其实并不隶属于误差这一范畴，这主要是因为外在环境或仪器本身存在的问题。

当出现周波脱落的情况时，虽然由小部分载波相位值依旧可以进行测量工作，但是整数周波是一定要重新进行搜寻的。就卡曼滤波等性质的实时动态定位算法来说，周波脱落的出现会导致证书周波的未定值出现变化，所以系统需要重新进行坐标的估计，在得到稳定以及可参照的结果之间，可能会有无法解算或解算错误的情形。

总之，误差源有很多种，还包括地球自转改正、地球潮汐改正、天线相位中心偏差改正等多项误差，在此不一一描述。由于在GPS测量中受以上各种误差的影响，所以我们在实际工作中要严格根据测量要求展开科学的操作，尽可能地将误差所带来的影响降至最低。同时因为高精度的GPS仪器设备价格较高，所以一般单位或者部门是难以承受的，因此在此建议从事一般测量工作的单位选用一般精度的GPS或者采用传统的测量仪器，当然对于从事高精度精密定位工作的大单位来说便需要采取高精度GPS仪器进行工作，从而确保测量的结果精确度可以符合工作要求。

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