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GPS 定位中出現(xiàn)的各種誤差, 按性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差( 偏差) 和隨機(jī)誤差兩大類(lèi)。其中系統(tǒng)誤差無(wú)論從誤差的大小還是對(duì)定位結(jié)果的危害性來(lái)講都比隨機(jī)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(lái)加以消除, 因而是研究的主要對(duì)象。

一、誤差分類(lèi)

GPS 定位中出現(xiàn)的各種誤差從誤差源來(lái)講大體可分為下列三類(lèi):

1. 與衛(wèi)星有關(guān)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(shí)際位置之差稱(chēng)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(zhì)量, 如定軌站的數(shù)量及其地理分布, 觀測(cè)值的數(shù)量及精度, 定軌時(shí)所用的數(shù)學(xué)力學(xué)模型和定軌軟件的完善程度等。此外與星歷的外推時(shí)間間隔( 實(shí)測(cè)星歷的外推時(shí)間間隔可視為零) 也有直接關(guān)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(jī)誤差。系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)較隨機(jī)誤差的值大, 而且可以通過(guò)檢驗(yàn)和比對(duì)來(lái)確定并通過(guò)模型來(lái)加以改正; 而隨機(jī)誤差只能通過(guò)鐘的穩(wěn)定度來(lái)描述其統(tǒng)計(jì)特性, 無(wú)法確定其符號(hào)和大小。

( 3 ) 相對(duì)論效應(yīng)

相對(duì)論效應(yīng)是指由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)( 運(yùn)動(dòng)速度和重力位) 不同而引起兩臺(tái)鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘誤差的現(xiàn)象。所以, 將它歸入與衛(wèi)星有關(guān)的誤差類(lèi)中并不準(zhǔn)確。但是由于相對(duì)論效應(yīng)主要取決于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)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(shí)將其歸入與衛(wèi)星有關(guān)的誤差類(lèi)中。上述誤差對(duì)測(cè)碼偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值的影響是相同的。

2. 與信號(hào)傳播有關(guān)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(yáng)紫外線(xiàn)、X 射線(xiàn)、γ射線(xiàn)和高能粒子的作用下, 該區(qū)域內(nèi)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(wú)線(xiàn)電信號(hào)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(hào)傳播時(shí)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(jī)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(hào)傳播路徑上的總電子含量 TEC 和信號(hào)的頻率 f。而 TEC又與時(shí)間、地點(diǎn)、太陽(yáng)黑子數(shù)等多種因素有關(guān)。測(cè)碼偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值所受到的電離層延遲大小相同, 但符號(hào)相反。

( 2 ) 對(duì)流層延遲

對(duì)流層是高度在 50km 以下的大氣層。整個(gè)大氣層中的絕大部分質(zhì)量集中在對(duì)流層中。GPS 衛(wèi)星信號(hào)在對(duì)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(duì)濕度等因子。此外, 信號(hào)的傳播路徑也會(huì)產(chǎn)生彎曲。由于上述原 因使距離測(cè)量值產(chǎn)生的系統(tǒng)性偏差稱(chēng)為對(duì)流層延遲。對(duì)流層延遲對(duì)測(cè)碼偽距和載波相位觀測(cè)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(dá)接收機(jī)的信號(hào)如果與直接來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)疊加干擾后進(jìn)入接收機(jī), 就將使測(cè)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(duì)測(cè)碼偽距觀測(cè)值的影響要比對(duì)載波相位觀測(cè)值的影響大得多。多路徑誤差取決于測(cè)站周?chē)沫h(huán)境、接收機(jī)的性能以及觀測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短。