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GPS接收机误差来源及性能分析
四川水利职业技术学院
毕业设计（论文）
题目：
GPS接收机误差来源及性能分析
系部测绘工程系
专业名称工程测量技术
班级测量1032
姓名
学号
指导教师
2013年6月10日
GPS系统的误差来源分析及性能分析
摘要
GPS全球卫星定位系统是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。
该系统具有全球性、全天候、连续性等三维导航和定位能力,并具有良好的抗干扰性和保密性。
它已成为美国导航技术现代化的最重要标志,并被视为20世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就。
在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中,它都被作为一项非常重要的技术手段，用于导航、定时、定位和进行大气物理研究等。
先对GPS的组成进行了解，在进行GPS的误差来源进行分析，最后研究GPS误差消除的方法和改进措施。
GPS系统的定位误差直接GPS定位精度，按其产生的来源、性质及对系统的影响等进行了介绍和初步,提出了相应的措施以便消除或削弱它们对测量结果的影响。
误差讲直接影响我们的测量，所以研究了GPS消除误差方法。
最后提出了改进措施。
关键词：
GPS误差精度卫星星历电离层对流层
Abstract
GPSglobalsatellitepositioningsystem（GPS）istheU.S.departmentofdefenseformilitaryservicesforland,seaandairfacilitiesforhighprecisionnavigationandpositioningrequirement.Thesystemhasaglobal,all-weather,continuous3dnavigationandlocalizationability,andhasgoodanti-interferenceandsecrecy.IthasbecometheUnitedStatesofthemostimportantmarksofmodernnavigationtechnology,andisconsidereda20thcenturytheUnitedStatesaftertheApollomissiontothemoonandthespaceshuttleprogramafteranothermajorscientificandtechnologicalachievements.Inaviation,aerospace,military,traffic,communication,transportation,resourceexploration,weather,etc.Almostalloftheareasinwhichithasbeenasanimportanttechnicalmethod,usedinnavigation,timing,locationandatmosphericphysicsandsoon.FirsttounderstandthecompositionoftheGPS,intheerrorsourcesofGPSisanalyzed,finallytheGPSerroreliminationmethodandimprovementmeasures.GPSpositioningerroroftheGPSpositioningaccuracydirectly,accordingtoitsorigin,natureandeffectofthesystemareintroducedandapreliminary,putsforwardthecorrespondingmeasurestoeliminateorweakentheirinfluenceonthemeasuredresults.Speakdirectlyaffectourmeasurementerror,sotheGPSmethodtoeliminateerror.Finallyputforwardtheimprovementmeasures.
Keywords:
GPSsatelliteephemeriserrorprecisionionosphere,troposphere
1GPS概述
全球定位系统（GPS）是美国国防部出于军事目的于20世纪70年代开始研制的星基无线电导航定位系统，该系统能够提供精确的三维坐标、速度和时间信息。
它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，是目前世界上最先进、应用最广泛的卫星导航定位系。
该系统具有全球性、全天候、连续性等三维导航和定位能力,并具有良好的抗干扰性和保密性。
它已成为美国导航技术化的最重要标志,并被视为20世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大成就。
在航空、航天、军事、、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中,它都被作为一项非常重要的技术手段，用于导航、定时、定位和进行大气物理等。
1.1GPS的主要特点
1.1.1全球覆盖连续导航定位
由于GPS有24颗卫星,且分布合理,轨道高达20200km,所以在地球上和近地空间任何一点,均可连续同步地观测4颗以上卫星,实现全球、全天候连续导航定位。
1.1.2高精度三维定位
GPS能连续地为各类用户提供三维位置、三维速度和精确时间信息。
GPS提供的测量信息多,既可通过伪码测定伪距,又可测定载波多普勒频移、载波相位。
1.1.3抗干扰性能好、保密性强
GPS采用数字通讯的特殊编码技术,即伪噪声码技术,因而具有良好的抗干扰性和保密性。
系统地分析了GPS干扰的方式并列出了GPS抗干扰的措施，在对目前GPS抗干扰技术研究的基础上重点研究了自适应调零天线的技术，采用自适应调零天线来代替常规接收天线实现GPS天线抗干扰。
2GPS接收机组成
GPS接收机组成:
GPS接收机主机、GPS接收机天线、电源
2.1GPS接收机主机
接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成，基本结构如下图
2.1.1变频器及中频放大器
经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。
2.1.2信号通道
信号通道是GPS接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路，不同类型的接收机其通道是不同的。
GPS信号通道的作用有三，
（1）搜索卫星，牵引并跟踪卫星；
（2）对广播电文数据信号实行解扩，解调出广播电文；（3）进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。
相关信号通道的电路原理图如下
从卫星接收到的信号是扩频的调制信号，所以要经过解扩、解调才能得到导航电文，因此在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。
1、存储器
接收机内设有存储器或存储卡以存储卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移，目前GPS接收机都装有半导体存储器（简称内存），接收机内存数据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。
2、微处理
微处理是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的，其主要工作步骤为：
①、接收机开机后，立即指令各个通道进行自检，适时地在视屏显示窗内展示各自的自检结果，并测定、校正和存储各个通道的时延值。
②、接收机对卫星进行捕捉跟踪后，根据跟踪环路所输出的数据码，解译出GPS卫星星历。
当同时锁定4颗卫星时，将C/A码伪距观测值连同星历一起计算出测站的三维位置，并按照预置的位置数据更新率，不断更新（计算）点的坐标。
③、用已测得的点位坐标和GPS卫星历书，计算所有在轨卫星的升降时间、方位和高度角，并为作业人员提供在视卫星数量及其工作状况，以便选用“健康”的且分布适宜的定位卫星，达到提高点位精度的目的。
④、接收用户输入的信号，如测站名、测站号、天线高和气象参数等。
2.2接收机的天线
天线由接收机天线和前置放大器两部分所组成，天线的主要功能是将GPS卫星信号极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是对这种信号电流进行放大和变频处理。
而接收机单元的主要功能是对经过放大和变频处理的信号电源进行跟踪、处理和测量。
天线基本结构
2.2.1对天线的要求
2.2.1.1天线与前置放大器一般应密封为一体
以保障其在恶劣的气象环境中能正常工作，并减少信号损失。
2.2.1.2能够接受来自任何方向的卫星信号，不产生死角。
2.2.1.3天线必须采取适当的防护和屏蔽措施
以最大限度地减弱信号的多路径效应，防止信号被干扰。
2.2.1.4天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致
由于GPS测量的观测量，是以天线的相位中心为准的，而在作业过程中，应尽可能保持两个中心的一致性和相位中心的稳定。
2.2.2天线的类型
目前，GPS接收机的天线有多种类型，其基本类型见下图所示。
天线类型
2.2.2.1单极天线
这种天线属单频天线，具有结构简单，体积小的优点。
需要安装在一块基板上，以利于减弱多路径的影响。
2.2.2.2螺旋形天线
这种天线频带宽，全圆极化性能好，可接收来自任何方向的卫星信号。
但也属于单频天线，不能进行双频接收，常用作导航型接收机天线。
锥形天线
带扼流圈天线
锥形天线与带扼流圈天线
2.2.2.3微带天线
微带天线是在一块介质板的两面贴以金属片，其结构简单且坚固，重量轻，高度低。
既可用于单频机，也可用于双频机，目前大部分测量型天线都是微带天线。
这种天线更适用于飞机、火箭等高速飞行物上。
2.2.2.4锥形天线
这种天线是在介质锥体上，利用印刷电路技术在其上制成导电圆锥螺旋表面，也称盘旋螺线型天线。
这种天线可同时在两个频道上工作，主要优点是增益性好。
但由于天线较高，而且螺旋线在水平方向上不完全对称，因此天线的相位中心与几何中心不完全一致。
所以，在安装天线时要仔细定向，使之得以补偿。
2.2.2.5带扼流圈的振子天线，也称扼流圈天线
这种天线的主要优点是，可以有效地抑制多路径误差的影响。
但目前这种天线体积较大且重，应用不普遍。
GPS天线接受来自20000公里高空的卫星信号很弱，信号电平只有-50～-180db，输入功率信噪比为S/N=-30db，即信号源淹没在噪声中，为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置放大器。
2.3电源
GPS接收机的电源有随机配备的内置电池，一般为锂电池，另一种为外界电源，一般采用汽车电瓶或者随机配备的专用电源适配器。
综上所述，GPS信号接收机的任务是：
接收GPS卫星发射的信号，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，获得必要的导航和定位信息及观测量；对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。
3GPS接收机误差来源
GPS测量是通过地面接收设备接收卫星传送来的信息，同一时刻地面接收设备到多颗卫星之间的伪距离，采用空间距离后方交会，来确定地面点的三维坐标。
因此，对于GPS卫星、卫星信号传播过程和地面接收设备都会对GPS测量产生误差。
主要误差来源可分为:
3.1系统误差
3.1.1卫星星历误差
卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差,由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的,所以又称为卫星轨道误差。
它是一种起始数据误差,其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。
星历误差是GPS测量的重要误差来源.
3.1.2卫星钟差
卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别。
为了保证时钟的精度，GPS卫星均采用高精度的原子钟，但它们与GPS标准时之间的偏差和漂移和漂移总量仍在1ms～0.1ms以内，由此引起的等效误差将达到300km～30km。
这是一个系统误差必须加于修正。
3.1.3相对论效应的影响
这是由于卫星钟和接收机所处的状态（运动速度和重力位）不同引起的卫星钟和接收机钟之间的相对误差。
3.2观测条件误差
3.2.1与传播途径有关的误差
3.2.1.1电离层折射
在地球上空距地面50～100km之间的电离层中,气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离,形成大量的自由和正离子。
当GPS信号通过电离层时,与其他电磁波一样,信号的路径要发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量的距离发生偏差,这种影响称为电离层折射。
对于电离层折射可用3种方法来减弱它的影响:
①利用双频观测值,利用不同频率的观测值组合来对电离层的延尺进行改正。
②利用电离层模型加以改正。
③利用同步观测值求差,这种方法对于短基线的效果尤为明显。
3.2.1.1对流层折射
对流层的高度为40km以下的大气底层,其大气密度比电离层更大,大气状态也更复杂。
对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的增加而降低。
GPS信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种现象称为对流层折射。
减弱对流层折射的影响主要有3种措施:
①采用对流层模型加以改正,其气象参数在测站直接测定。
②引入描述对流层影响的附加待估参数,在数据处理中一并求得。
③利用同步观测量求差。
3.2.1.1多路径效应
测站周围的反射物所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线,将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉,从而使观测值偏离,产生所谓的“多路径误差”。
这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。
减弱多路径误差的方法主要有:
①选择合适的站址。
测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中,应离开高层建筑物。
②选择较好的接收机天线,在天线中设置径板,抑制极化特性不同的反射信号。
3.2.2与GPS接收机有关的误差
3.2.2.1接收机钟差
GPS接收机一般采用高精度的石英钟,接收机的钟面时与GPS标准时之间的差异称为接收机钟差。
把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数,并认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的,在数据处理中与观测站的位置参数一并求解，可减弱接收机钟差的。
3.2.2.2接收机的位置误差
接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差,叫接收机位置误差。
其中包括天线置平和对中误差,量取天线高误差。
在精密定位时,要仔细操作,来尽量减少这种误差影响。
在变形监测中,应采用有强制对中装置的观测墩。
相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,这种差别叫天线相位中心的位置偏差。
这种偏差的影响可达数毫米至厘米。
而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要。
在实际工作中若使用同一类天线,在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星,可通过观测值求差来减弱相位偏移的影响。
但这时各测站的天线均应按天线附有的方位标进行定向,使之根据罗盘指向磁北极。
3.2.2.3接收机天线相位中心偏差
在GPS测量时,观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的,而天线的相位中心与其几何中心,在上应保持一致。
但是观测时天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,这种差别叫天线相位中心的位置偏差。
这种偏差的影响可达数毫米至厘米。
而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。
4消弱误差的方法和措施
4.1建立完善严密的误差改正模型
这些误差改正模型既可以是通过对误差的特性、机制以及产生的原因进行研究分析，推导而建立起来的理论公式，也可以是通过对大量的观测数据的分析，拟合而建立起来的经验公式。
如果每个误差改正模型是十分完善严密的，模型中所需的数据是准确无误的，在这种理想情况下，经各误差模型改正后的包含在观测值中的系统误差将被消除干净，而只留下偶然误差。
误差模型的精度好坏不等，这就需要不断地研究和改进。
通过对大量的实测观测数据不断分析和验证，来提高定位的精度。
4.2求差法
仔细分析误差对观测值或平差结果的影响，运用适当的观测方法和数据处理方法（如同步观测，相对定位等），利用误差在观测值之间的相关性和在定位结果之间的相关性，通过求差来消除或大幅度削弱其影响。
当2台接收机对同一卫星进行同步观测时，观测值中都包含了共同的卫星钟误差，将观测值在接收机间求差即可消除卫星钟误差。
同样，1台接收机对多颗卫星进行同步观测时，将观测卫星问求差即可消除接收机钟误差。
利用相距不太远的两个测站的同步观测值进行相对定位时，由于两站到卫星的几何图形十分相似因而星历误差对两站的影响相似，利用这种相关性在坐标差时就能把共同的坐标误差消除掉。
这种技术已经被广泛应用，也就是实时差分GPS技术，上述误差从总体上讲都有较好的空间相关性。
所以相距不太远的两个测站在同一时间分别进行单点定位时，上述误差对两个测站影响大体相同。
在已知点上放置GPS与用户进行同步观测，通过已知点求得偏差改正数，那么用户施加偏差改正数后，定位精度就会得到大幅度的提高。
4.3选择较好的硬件
有些误差，比如多路径误差，既不能建立改正模也不能利用差分技术消除，在GPS测量中是一种重要的误差来源。
现在还没有一种十分有效的方法完全消除它，多路径传播对码与载波都有影响，对P码观测值的影响比对载波相位的影响要大两个数量级，对伪距观测的影响，在良好的环境条件下约为1.3m，在反射很强的环境条件下约为4～5m，严重时还将引起信号的失锁。
较为有效的削弱多路径误差的第一种方法是采用性能良好的接收机天线，一般采用性能良好的微带式天线，并在天线下安置屏蔽地面反射电波的抑径板，这个疗法使多路径误差减少1/3。
美宇航局研制的扼流罔天线可减少误差50％，加拿大诺瓦泰公司开发的MEDLI技术使GPS硬件技术得到重大发展，该技术是采用几块GPS机芯构成一组合体，从而使误差减少了90％。
这说明GPS测量已经将多路径误差控制在一个较小的范围内，但多路径误差仍不能被完全消除。
它将以一个不明显的量来影响定位的精度。
4.4选择良好的观测条件
4.4.1选站时应避免邻近有大面积的平静的水面
因为这些地方会引起强烈的反射信号灌木丛、草地和其他地面植被能较好地吸收微波信号的能量，反射很弱，是较为理想的设站地址。
翻耕过的土地和其他粗糙不平的地面的反射能力也较差，选站时也可考虑。
4.4.2测站不宜选在山坡上
当山坡的坡度过大时，在截止高度角以上便会出现障碍物，影响卫星的接收。
即使当坡度较小时，反射信号也能从天线抑径板上方进入天线，产生多路径误差，因而也直该避免。
同样，也不宣选择在谷和盆地中。
4.4.3注意离开高层建筑物
测站附近有高层建筑物时，卫星信号会通过墙壁反射进入天线，选站时注意离开这些建筑物，汽车停放不要离测站太近。
4.4.3测站不能选择在具有电磁波强辐射源的地方
如雷达、电台、微波中站等设施附近。
因为它们不仅本身反射电磁波，而且所辐射强电磁波将会被极灵敏的GPS天线接收，从而损坏天线
5GPS数据观测
5.1GPS网的布设
本次实习精度要求为E级，采用三台GPS接受机，按边连式的布网形式布设GPS控制网，网型如图。
5.2选点
选点即观测站位置的选择。
在GPS测量中并不要求观测站之间相互通视，网的图形选择也比较灵活，因此选点比经典控制测量简便得多。
但为了保证观测工作的顺利进行和可靠地保持测量结果，用户注意使观测站位置具有以下的条件：
1）确保GPS接收机上方的天空开阔 GPS测量主要利用接收机所接收到的卫星信号，而且接收机上空越开阔，则观测到的卫星数目越多。
一般应该保证接收机所在平面15°以上的范围内没有建筑物或者大树的遮挡。
图5-1高度截止角
2）没有反射面，如大面积的水域，或对电磁波反射（或吸收）强烈的物体（如玻璃墙，树木等），不致引起多路径效应。
3）电磁场的干扰。
GPS接收机接收卫星广播的微波信号，微波信号都会受到电磁场的影响而产生噪声，降低信噪比，影响观测成果。
所以GPS控制点最好离开高压线、微波站或者产生强电磁干扰的场所。
邻近不应有强电磁辐射源，如无线电台、电视发射天线、高压输电线等，以免干扰GPS卫星信号。
通常，在测站周围约200m的范围内不能有大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站等）；在50m内不能有高压输电线和微波无线电信号传递通道。
4）最好选在交通便利的地方以利于其它测量手段联测和扩展；
5）础稳固，易于点的保存。
注意：
用户如果在树木、觇标等对电磁波传播影响较大的物体下设观测站，当接收机工作时，接收的卫星信号将产生畸变，这样即使采集时各项指标，如观测卫星数、DOP值等都较好，但观测数据质量很差。
建议用户可根据需要在GPS点大约300米附近建立与其通视的方位点，以便在必要时采用常规经典的测量方法进行联测。
在点位选好后，在对点位进行编号时必须注意点位编号的合理性，在野外采集时输入的观测站名由四个任意输入的字符组成，为了在测后处理时方便及准确，必须不使点号重复。
建议用户在编号时尽量采用阿拉伯数字按顺序编号。
5.3仪器
5.3.1接收机选用
根据表6，本次实习控制网等级E级，选用GPS接收机。
表6接收机选用
级别
AA
A
B
C
D、E
单频/双频
双频/全波长
双频/全波长
双频
双频或单频
双频或单频
观测量至少有
L1、L2载波相位
L1、L2载波相位
L1、L2载波相位
L1载波相位
L1载波相位
同步观测接收机数
≥5
≥4
≥4
≥3
≥2
5.3.2使用仪器
序号
仪器名称
型号
备注
1
GPS接收机
天宝
基本参数参见天宝静态GPS说明书
5.3.3仪器检校
GPS接收机全面检验：
一般检视、通电检验、试测检验。
一般检视应包括：
a）GPS接收机及天线的外观应良好，型号应正确；b）各种部件及其附件应匹配、齐全和完好；c）需紧固的部件应不得松动和脱落；d）设备使用手册和后处理软件操作手册及磁（光）盘应齐全。
通电检验应符合下列规定：
a）有关信号灯工作应正常；b）按键和显示系统工作应正常；c）利用自测试命令进行测试；d）检验接收机锁定卫星时间的快慢，接收信号强弱及信号失锁情况。
试验检验前，还应检验：
a）天线或基座圆水准器和光学对中器是正确；b）天线高量尺是否完好，尺长精度是否正确；c）数据传录设备及软件是否齐全，数据传输性能是否完好；d）通过实例计算，测试和评估数据后处理软件。
5.4观测准备
GPS接收机在开始观测前，应进行预热和静置，具体要求按接收机操作手册进行。
天线安置应符合下列要求：
a、用三脚架安置天线时，其对中误差不应大于3㎜；b、天线集成体上的圆水准气泡必须居中，没有圆水准气泡的天线，可调整天线基座脚螺旋，使在天线互为120°方向上量取的天线高互差小于5㎜。
5.
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