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GPS 定位中出现的各种误差, 按性质可分为系统误差( 偏差) 和随机误差两大类。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性来讲都比随机误差大得多, 而且它们又是有规律可循的, 可以采取一定的方法和措施来加以消除, 因而是研究的主要对象。

一、误差分类

GPS 定位中出现的各种误差从误差源来讲大体可分为下列三类:

1. 与卫星有关的误差

( 1 ) 卫星星历误差

由卫星星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。星历误差的大小主要取决于卫星定轨系统的质量, 如定轨站的数量及其地理分布, 观测值的数量及精度, 定轨时所用的数学力学模型和定轨软件的完善程度等。此外与星历的外推时间间隔( 实测星历的外推时间间隔可视为零) 也有直接关系。

( 2 ) 卫星钟的钟误差

卫星上虽然使用了高精度的原子钟, 但它们也不可避免地存在误差, 这种误差既包含着系统性的误差( 如钟差、钟速、频漂等偏差) , 也包含着随机误差。系统误差远较随机误差的值大, 而且可以通过检验和比对来确定并通过模型来加以改正; 而随机误差只能通过钟的稳定度来描述其统计特性, 无法确定其符号和大小。

( 3 ) 相对论效应

相对论效应是指由于卫星钟和接收机钟所处的状态( 运动速度和重力位) 不同而引起两台钟之间产生相对钟误差的现象。所以, 将它归入与卫星有关的误差类中并不准确。但是由于相对论效应主要取决于卫星的运动速度和所处位置的重力位, 而且是以卫星钟的钟误差的形式出现的, 所以暂时将其归入与卫星有关的误差类中。上述误差对测码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。

2. 与信号传播有关的误差

( 1 ) 电离层延迟

电离层( 平流层) 是高度在 60 ～1000km 间的大气层。在太阳紫外线、X 射线、γ射线和高能粒子的作用下, 该区域内的气体分子和原子将产生电离, 形成自由电子和正离子。带电粒子的存在将影响无线电信号的传播, 使传播速度发生变化, 传播路径产生弯曲, 从而使得信号传播时间 Δt 与真空中光速 c 的乘积 ρ= Δt·c 不等于卫星至接收机的几何距离, 产生所谓的电离层延迟。电离层延迟取决于信号传播路径上的总电子含量 TEC 和信号的频率 f。而 TEC又与时间、地点、太阳黑子数等多种因素有关。测码伪距观测值和载波相位观测值所受到的电离层延迟大小相同, 但符号相反。

( 2 ) 对流层延迟

对流层是高度在 50km 以下的大气层。整个大气层中的绝大部分质量集中在对流层中。GPS 卫星信号在对流层中的传播速度

V =c/n。

c 为真空中的光速, n 为大气折射率, 其值取决于气温、气压和相对湿度等因子。此外, 信号的传播路径也会产生弯曲。由于上述原 因使距离测量值产生的系统性偏差称为对流层延迟。对流层延迟对测码伪距和载波相位观测值的影响是相同的。

( 3 ) 多路径误差

经某些物体表面反射后到达接收机的信号如果与直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机, 就将使测量值产生系统误差, 这就是所谓的多路径误差。多路径误差对测码伪距观测值的影响要比对载波相位观测值的影响大得多。多路径误差取决于测站周围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短。