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GPS 定位中出現(xiàn)的各種誤差, 按性質可分為系統(tǒng)誤差( 偏差) 和隨機誤差兩大類。其中系統(tǒng)誤差無論從誤差的大小還是對定位結果的危害性來講都比隨機誤差大得多, 而且它們又是有規(guī)律可循的, 可以采取一定的方法和措施來加以消除, 因而是研究的主要對象。

一、誤差分類

GPS 定位中出現(xiàn)的各種誤差從誤差源來講大體可分為下列三類:

1. 與衛(wèi)星有關的誤差

( 1 ) 衛(wèi)星星歷誤差

由衛(wèi)星星歷所給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星的實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。星歷誤差的大小主要取決于衛(wèi)星定軌系統(tǒng)的質量, 如定軌站的數(shù)量及其地理分布, 觀測值的數(shù)量及精度, 定軌時所用的數(shù)學力學模型和定軌軟件的完善程度等。此外與星歷的外推時間間隔( 實測星歷的外推時間間隔可視為零) 也有直接關系。

( 2 ) 衛(wèi)星鐘的鐘誤差

衛(wèi)星上雖然使用了高精度的原子鐘, 但它們也不可避免地存在誤差, 這種誤差既包含著系統(tǒng)性的誤差( 如鐘差、鐘速、頻漂等偏差) , 也包含著隨機誤差。系統(tǒng)誤差遠較隨機誤差的值大, 而且可以通過檢驗和比對來確定并通過模型來加以改正; 而隨機誤差只能通過鐘的穩(wěn)定度來描述其統(tǒng)計特性, 無法確定其符號和大小。

( 3 ) 相對論效應

相對論效應是指由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)( 運動速度和重力位) 不同而引起兩臺鐘之間產(chǎn)生相對鐘誤差的現(xiàn)象。所以, 將它歸入與衛(wèi)星有關的誤差類中并不準確。但是由于相對論效應主要取決于衛(wèi)星的運動速度和所處位置的重力位, 而且是以衛(wèi)星鐘的鐘誤差的形式出現(xiàn)的, 所以暫時將其歸入與衛(wèi)星有關的誤差類中。上述誤差對測碼偽距觀測值和載波相位觀測值的影響是相同的。

2. 與信號傳播有關的誤差

( 1 ) 電離層延遲

電離層( 平流層) 是高度在 60 ～1000km 間的大氣層。在太陽紫外線、X 射線、γ射線和高能粒子的作用下, 該區(qū)域內的氣體分子和原子將產(chǎn)生電離, 形成自由電子和正離子。帶電粒子的存在將影響無線電信號的傳播, 使傳播速度發(fā)生變化, 傳播路徑產(chǎn)生彎曲, 從而使得信號傳播時間 Δt 與真空中光速 c 的乘積 ρ= Δt·c 不等于衛(wèi)星至接收機的幾何距離, 產(chǎn)生所謂的電離層延遲。電離層延遲取決于信號傳播路徑上的總電子含量 TEC 和信號的頻率 f。而 TEC又與時間、地點、太陽黑子數(shù)等多種因素有關。測碼偽距觀測值和載波相位觀測值所受到的電離層延遲大小相同, 但符號相反。

( 2 ) 對流層延遲

對流層是高度在 50km 以下的大氣層。整個大氣層中的絕大部分質量集中在對流層中。GPS 衛(wèi)星信號在對流層中的傳播速度

V =c/n。

c 為真空中的光速, n 為大氣折射率, 其值取決于氣溫、氣壓和相對濕度等因子。此外, 信號的傳播路徑也會產(chǎn)生彎曲。由于上述原 因使距離測量值產(chǎn)生的系統(tǒng)性偏差稱為對流層延遲。對流層延遲對測碼偽距和載波相位觀測值的影響是相同的。

( 3 ) 多路徑誤差

經(jīng)某些物體表面反射后到達接收機的信號如果與直接來自衛(wèi)星的信號疊加干擾后進入接收機, 就將使測量值產(chǎn)生系統(tǒng)誤差, 這就是所謂的多路徑誤差。多路徑誤差對測碼偽距觀測值的影響要比對載波相位觀測值的影響大得多。多路徑誤差取決于測站周圍的環(huán)境、接收機的性能以及觀測時間的長短。