GPS定位误差及修正算法

GPS系统概述四、GPS定位误差及修正算法在GPS测量中，影响测量精度的主要误差按照来源分：与卫星有关的误差、与信号有关的误差、与接收设备有关的误差；按照误差的性质：系统误差、和偶然误差；系统误差主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气层折射的误差等。系统误差一般也可通过某些措施修正。偶然误差主要包括信号的多径效应引起的误差和观察误差；GPS误差来源主要内容卫星误差相对效应误差地球自转误差电离层误差对流层误差卫星误差主要有星历误差和星钟误差；星历误差是用星历计算出的GPS卫星在轨位置与其真实位置之差的精度损失；（主要源于GPS卫星轨道摄动的复杂性和不稳定性）星钟误差星钟误差是由于星上时钟和GPS标准时之间的误差形成的，GPS测量以精密测时为依据，星钟误差时间上可达1ms，造成的距离偏差可达到300Km，必须加以消除。一般卫星星历误差通过差分定位的方法来消除.卫星星钟误差消除由卫星发布的导航电文给出；各颗卫星的星钟误差修正如下式：其中，，都可以从导航电文中得到。：相对于GPS时系的时间钟差；:相对于实际频率的偏差系数（钟速）:时钟频率的飘移系数（钟速变换率，及钟漂）；：第一数据块的参考时间octaaa,,,2100a1a2aoct相对效应误差相对效应是每颗GPS卫星的时钟相对于GPS时系的差值。由于相对论效应卫星时钟比地面时钟走得快，每秒约差488微秒。为了消除它的影响，将卫星时钟的10.23MHz标频减小到10.22999999545MHz的实际频率。相对论效应修正虽然经过上述改正，但是相对论效应所产生的时间偏移并非常数，对于某一给定偏心率e的GPS卫星，一阶相对论效应改正如下：e为偏心率，22cF=3.986005E+14m3/sec2；C=2.99792458E+8m/sec；F=-4.442807633×10-10ms/A为卫星轨道长半轴，单位为米；Ek为卫星轨道偏近点角。其中，地球旋转效应误差GPS信号从20200千米的高空传播到GPS信号接收机，需要0.067秒左右的时间。由于地球不停的自转（地面测站相对于地心的运行速度约为0.46千米/秒），GPS信号到达接收机时卫星的在轨位置不同于信号从卫星发送时的卫星在轨位置。两者之差为：e是地球自转角速度，且知e=7.292115×10-5rad/stj是卫星j的信号传播时延。jjjjejejejezyxttttZYX1000)cos()sin(0)sin()cos(对流层误差及修正对流层，是离地面高度50km以下的大气层，且是一种非电离大气层，它包括对流层和平流层。对流层传播时延是电磁波信号通过对流层时，其传播速度不同于光速所引起的延时，通常可以将其分为两部分，及干大气成分和湿大气成分。在低仰角是它可达到200米，其中干大气成分约占80-90%，使用一定的模型可以改正这一成分的95-98%.湿大气成分是对流层延迟改正的主要误差源。一种对流层的修正方法EhRtrosin026.010)13346.0exp(4224.23h是接收机的海拔高度，单位是米；E是卫星高角，单位是弧度；对流层误差及修正另一种修正公式：)](tan)05.01255()[sec(0027.02EeTPERtro其中，P为大气压力，e是水气压，单位都是毫巴；T是开氏温度；E为卫星高角，单位为弧度。电离层误差及修正电离层，距离地球表面50-1000km，能以各种方式影响电波的传播，从而产生电离层误差。自2000年5月美国取消SA政策以后，成为限制单频GPS接收机的测量精度的决定因素。Klobuchar电离层延迟模型符合中纬度地区的大量实验结果。它直观简洁的反应了电离层的周日变化特性。如图所示，采用三角余弦函数的形式，参数的设置考虑了电离层周日变化的振幅和周期的变化4812162024时延电离层改正时延图该模型基本反应了电离层的变化特性，从大尺度上保证了电离层时间延迟的周日平均特性，确定每天电离层影响最大的是当地时间的14：00，是符合中纬度地区的大量实验资料的。我国在北半球中纬度地区，因此运用Klobuchar模型对我国GPS接收机进行电离层改正是可靠和可行的。电离层误差修正如下式所示，其中，F为倾斜因子是垂直方向延迟3)53.0(0.160.1EFzI