与卫星信号传播有关的误差包括信号穿越大气电离层和对流层时所产生的误差以及信号反射产生的多路径效应误差。

一、电离层折射误差

1.电离层折射的影响

所谓电离层，系指地球上空大气圈的上层，距离地面高度在50～1000 km的大气层。电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线的辐射作用，产生强烈的电离，形成大量的自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时，因受到带电介质的非线性散射特性的影响，信号的传播路径会发生弯曲，由于自由电子的作用，其传播速度会发生变化，这种变化称为电离层折射（电离层延迟）。用光速乘上信号传播时间就不会等于卫星至接收机的实际距离，从而产生电离层折射误差。

对于GPS信号来讲，这种距离差在天顶方向最大可达50 m，在接近地平方向时（高度角为20°）可达150 m。可见它对观测量的精度影响较大，必须采取有效措施予以削弱。

测距码和载波通过电离层时的影响不同，对于测距码观测，相应的传播路径延迟为

对于载波相位观测，相应的传播路径延迟为

式中，N∑　为信号传播路径上的电子总量；f为信号的频率。

由上述两式可知，电离层折射影响主要取决于信号频率和传播路径上的电子总量。对于确定的频率，电子总量为唯一变量。电离层电子密度与太阳黑子活动强度最为密切相关，随着距离地面的高度不同、年份不同、季节变化、时间不同、测站位置不同等多种因素而变化。据有关资料分析，电离层电子密度白天约为夜间的5倍；一年中，冬季为夏季的4倍；太阳黑子活动最激烈时可为最小时的10倍；水平方向比天顶方向延迟最大可差3倍。目前还无法用一个严格的数学模型来描述电子密度的大小和变化规律，所以不可能用上述公式直接求出电离层延迟改正数的确切值。

2.削弱或消除电离层折射的措施

（1）双频改正。电磁波通过电离层所产生的折射与电磁波频率f的平方成反比。如果同时用两种已知频率来发射卫星信号，则两种不同频率的信号将沿着同一路径到达接收机。由于信号频率不同，这两种信号所受到的电离层延迟也不同。因此，同时发射的两种信号将先后到达接收机，若能精确地测定这两种信号到达接收机的时间差，就能准确地反推出两种信号分别所受到的电离层延迟。

GPS卫星采用两种频率的载波，其频率分别如下：

L1载波：f1＝1 575.42 MHz

L2载波：f2＝1 227.60 MHz

如果我们采用双频接收机进行伪距测量，就能根据电离层延迟与信号频率有关的特性，从两个伪距观测值中求得电离层延迟改正，由此来消除电离层延迟的影响。利用双频改正法，其消除电离层的有效性不低于95%，使得经改正后的距离残差为厘米级。因此，双频接收机在精密定位中得到了广泛的应用。

（2）利用电离层改正模型进行改正。在导航电文中提供电离层改正模型，该模型一般用于单频接收机，以减弱电离层的影响。由于影响电离层折射的因素很多，无法建立严格的数学模型，所以该模型修正的有效性为75%；也就是说，当电离层对距离观测值的影响为20 m时，修正后的残差仍为5 m。

（3）相对定位进行同步观测值求差。当测站间的距离相距不太远时，两测站上的电子密度变化不大，卫星的高度角相差不多，此时卫星信号到达不同观测站所经过的介质状况相似、路径相似，当利用两台或多台接收机对同一组卫星的同步观测值求差时，可以有效地削弱电离层折射的影响；即使不对电离层折射进行改正，对基线成果的影响一般也不会超过10-6。尤其对于单频接收机用户，这种方法的意义明显。但是，随着基线长度的增加，其精度将明显降低。

（4）选择有利的观测时段。在太阳辐射强烈的正午或是太阳黑子的活动异常期，电离层延迟显著，会明显影响改正效果。因此，在拟定工作计划时，应尽量避免在这些时段进行观测。

二、对流层折射误差

1.对流层折射的影响

对流层是高度为50 km以下的大气底层，由于离地面更近，其大气密度比电离层更大，大气状态变化也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低。对流层中虽有少量带电离子，但对电磁波传播影响不大，不属于弥散性介质；也就是说，电磁波在其中的传播速度与频率无关，只与大气的折射率有关。

GPS信号通过对流层时，传播路径会发生弯曲，使得测量距离产生偏差，这种现象称为对流层折射。由于大气的对流作用很强，大气状态变化复杂，使得对流层的折射比电离层折射更复杂。对流层大气折射率与大气压力、温度和湿度有关，一般将对流层中大气折射率分为干分量和湿分量两部分。大气折射率干分量与大气的温度和气压有关，湿分量与信号传播路径上的大气湿度和温度有关。(www.daowen.com)

对流层折射的影响与信号的高度角有关，当在天顶方向（高度角为90°），其影响达2.3 m；当在地面方向（高度角为10°），其影响达20 m。因此，在精密GPS测量中，必须考虑对流层折射的影响。对流层折射的影响还与大气压力、温度和湿度有关。由于大气的对流作用很强，大气状态变化复杂，所以对流层及其影响难以准确地模型化。

2.削弱或消除对流层折射的措施

（1）用改正模型进行对流层改正。其设备简单，方法易行。但是由于水汽在空间的分布很不均匀，不同时间、不同地点水汽含量相差甚远，用统一模型难以准确描述。利用测站地面实测的气象数据，可通过现有的各种数学模型消除92%～95%的对流层折射影响。目前采用的对流层折射改正公式主要有霍普菲尔德（Hopfield）公式、萨斯塔莫宁（Sastamoinen）公式和勃兰克（Black）公式。

（2）相对定位进行同步观测值求差。与电离层的影响类似，当两观测站相距不太远时，由于信号通过对流层的路径大体相同，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显地减弱对流层折射的影响。这一方法在精密相对定位中被广泛应用。不过随着同步观测站之间距离的增大，大气状况的相关性减弱。当距离大于50～100 km时，对流层折射的影响就成为制约GPS定位精度提高的重要因素。

（3）引入对流层延迟的附加待估参数，在网平差处理中一并求得。

三、多路径效应

1.多路径效应的影响

多路径是指卫星信号通过多个不同路径传到接收机天线。GPS测量中，如果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，这就将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“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叫做多路径效应。其实质是反射波对直射波的破坏性干涉引起的站星距离误差。

多路径效应的影响随着天线周围反射物面的性质而异。物面反射信号的能力可用反射系数来表示。表1.5.2给出了不同反射物面对频率为2 GHz的微波信号的反射系数。

表1.5.2　反射系数表

多路径效应是GPS测量中一种重要的误差源，将严重损害GPS测量的精度。资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测距码伪距的影响可达米级，对载波相位测量伪距的影响达厘米级；在高反射环境下，多路径效应影响明显增大，严重时导致卫星信号失锁及使载波相位观测量产生周跳。因此多路径效应的影响是不容忽视的。

2.削弱或消除多路径效应的措施

多路径误差属于偶然误差，不仅与反射系数（取决于反射物的材料、形状及粗糙程度）有关，也和反射物离测站的距离及卫星信号方向有关，无法建立准确的误差改正模型。比较有效的办法是选择有效的站址及接收机。

（1）选择合适的站址。

①测站应远离大面积平静的水面，较好的站址是选在地面有草丛、农作物等植被能较好吸收微波信号能量的地方。

②测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。

③测站附近不应有高层建筑物，观测时测站附近也不要停放汽车。

（2）选择合适的接收机。

选择抑径圈和抑径板天线，改善GPS接收机的电路设计；选择对极化特性不同的反射信号有较强抑制作用的接收机天线。

（3）延长观测时间。

适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。