GNSS测量技术中的卫星误差

与GNSS卫星有关的误差主要包括: 卫星的星历误差、卫星钟的钟差和相对论效应。

1. 卫星星历误差

描述某一时刻卫星运动轨道的参数及其变率称卫星星历。根据卫星星历就可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差，称为星历误差。卫星作为在高空运行的动态已知点，其瞬时的位置是由卫星星历提供的。卫星星历的误差实质就是卫星位置的确定误差，即由卫星星历计算得到的卫星的空间位置与卫星实际位置之差。

(1)星历误差来源

星历误差的大小主要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。

GPS卫星星历分为广播星历(预报星历)和精密星历(后处理星历)。

①广播星历的误差。广播星历是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历，所以这种星历也叫预报星历，它是卫星导航电文中所携带的主要信息。广播星历包括相对于某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正参数，目前仅凭地面监测站不能精确确定这些参数，因此，广播星历数据中存在较大误差。广播星历所得到的卫星轨道信息的位置误差约为20～40m，随着定轨技术和摄动力模型的改善，位置精度可以提高到5～10m。

②精密星历的误差。精密星历也称后处理星历。它是由分布在全球的地面跟踪站精密观测资料，按照一定的计算方法，计算得出的卫星星历。由于精密星历是实测星历，不可避免存在误差。虽然精密星历的精度可以达到厘米级，但是它需要观测后1～2个星期才可以向美国国家大地测量局购买到，只在静态精密定位中有重要作用，对于动态定位无任何意义。

(2)星历误差对定位的影响

1)星历误差对单点定位的影响

在单点定位中，卫星星历为已知数据，星历误差必然传递给测站，产生定位误差。一般广播星历误差对测站的影响为几十米。

2)星历误差对相对定位的影响

在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星星历误差成为影响定位精度的主要因素，如10km的基线会产生10mm的误差，1000km的基线产生1m的误差。在实际应用中，对于基线长度不长，定位精度要求不高的情况，如相对定位精度为(1～2) ×10－6ppm，采用相对定位，可以直使用广播星历。对于基线较长，定位精度较高的情况，需要采用精密星历。

(3)解决星历误差的方法

1)建立自己的卫星跟踪网独立定轨

建立用户自己的卫星跟踪网，独立测定卫星轨道参数，可以获得很高的定位精度。例如，我国在上海、长春、武汉、昆明和乌鲁木齐建立GNSS跟踪网，通过跟踪监测GNSS卫星信号，计算精密星历。为满足1000km基线条件下的相对定位精度为1×10－8的要求，精密星历精度要达到为0.25m。

2)轨道改进法

采用轨道改进法处理观测数据，基本思路是在数据处理中引入表达卫星轨道偏差的改正数，并假设在短时间内这些改正参数为常量，将其作为待求量与其他未知参数一并求解，以校正卫星星历误差。轨道改进法包括短弧法和半短弧法两种方法。轨道改进法一般用于精度要求较高的定位工作中，需要测后处理。

3)同步观测求差法

由于卫星星历误差对相距不远的两个测站的定位影响大致相同，因此，采用两个或多个近距离测站对同一颗卫星进行同步观测，然后求差，可以减弱卫星轨道误差的影响，这种方法称为同步观测求差法。(www.xing528.com)

2. 卫星钟的钟误差

GNSS卫星上使用的原子钟的钟面时间与GNSS标准时间之间的误差称为卫星钟的钟误差。我们已经知道只有精确测定了卫星信号到测站的时间才能确定测站与卫星间的距离，因此，GNSS卫星钟误差是影响精度的重要影响因素。

(1)卫星钟钟误差来源

在GNSS测量中，无论是测距码观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。虽然卫星上使用了高精度的原子钟(铯钟和铷钟)，但是这些钟与GNSS时之间会有频漂、频偏，随着时间的推移，这些频漂、频偏还会发生变化。

(2)卫星钟钟误差对定位的影响

频漂、频偏的偏差总量约为1ms以内，由此引起的等效距离误差为300km，显然无法满足精密定位的要求。

(3)解决卫星钟钟误差的方法

1)钟差改正法

对于卫星钟的钟误差可以通过卫星钟运行状态的连续监测而精确确定，表示为以下二阶多项式的形式:

式中，toe为星钟修正参考历元;

a0、a1、a2为卫星钟的钟差、钟速(或频率偏差)、钟速变率(或老化率)。

这些参数由卫星的主控站测定，通过导航电文提供给用户。

经过以上钟差模型改正后，各卫星钟与GNSS标准时之间的同步差，可以保持在20ns以内，由此引起的等效距离误差不超过6m。

2)观测量差分法

欲要进一步削弱经过钟差模型改正后的卫星钟残差，可以通过观测量的差分技术来进行消除。

3. 相对论效应

相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态(运动速度和重力位)不同而引起的两台钟之间产生的相对钟误差现象。

GNSS卫星在离地面20200km高空的轨道上运行，由于相对论效应的影响，使一台钟放到卫星上去后的频率比在地面时增加Δf=4.449×10－10f0。从而，解决相对论效应的最简单的办法就是在制造卫星钟的时候预先把频率降低Δf。GNSS卫星钟的标准频率f0=10.23MHz，所以厂家在生产时应把频率降为:

10.23MHz×(1－4.449×10－10) =10.22999999545MHz