工程测量-GPSch5

1、1GPSGPS卫星定位系统误差来源及影响卫星定位系统误差来源及影响第五章第五章 了解卫星星历误差，卫星钟差及相对论效应。了解卫星星历误差，卫星钟差及相对论效应。 理解接收机钟误差，相位中心位置误差的产生与消减方法。理解接收机钟误差，相位中心位置误差的产生与消减方法。 掌握电离层折射误差、对流层折射误差、多路径误差的产掌握电离层折射误差、对流层折射误差、多路径误差的产生与消减方法。生与消减方法。2第五章 GPS卫星定位系统误差来源及影响学习目标学习目标第一节第一节 GPSGPS定位的误差概述定位的误差概述第第二二节节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差第第三三节节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差

2、第第四四节节 接收设备误差接收设备误差第第五五节节 卫星几何图形强度卫星几何图形强度3第五章 GPS卫星定位系统误差来源及影响学习内容学习内容第一节第一节 GPSGPS定位的误差概述定位的误差概述误差来源误差来源误差分类误差分类对距离测量对距离测量的影响的影响 / /m mGPSGPS卫星卫星卫星星历误差；卫星星历误差；卫星钟误差；卫星钟误差；相对论效应相对论效应1.51.51515信号传播信号传播电离层折射误差；电离层折射误差；对流层折射误差；对流层折射误差；多路径效应多路径效应1.51.51515接收设备接收设备接收机钟误差；接收机钟误差；接收机位置误差；接收机位置误差；天线相位中心变化天

3、线相位中心变化1.51.51515其他影响其他影响 地球潮汐地球潮汐; ; 负荷潮负荷潮1.01.04 一、卫星星历误差一、卫星星历误差 二、卫星钟差二、卫星钟差 三、相对论效应三、相对论效应GPSGPS卫星的发射卫星的发射5第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 1 1星历来源星历来源 2 2星历误差对定位的影响星历误差对定位的影响 3 3减弱星历误差影响的途径减弱星历误差影响的途径GPSGPS卫星工作星座卫星工作星座6一、卫星星历误差一、卫星星历误差第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差1 1星历来源星历来源 某一瞬间的卫星位置，是由卫星星历提供的，卫星星历某一瞬间的卫星位

4、置，是由卫星星历提供的，卫星星历误差就是卫星位置的确定误差。误差就是卫星位置的确定误差。其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测其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。完善程度。第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差v广播星历广播星历 根据美国根据美国GPSGPS控制中心跟踪站的观测数据进行控制中心跟踪站的观测数据进行 外推，通过外推，通过GPSGPS卫星发播的一种预报星历。卫星发播的一种预报星历。v实测星历实测星历 根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历

5、。根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。（1 1）广播星历）广播星历 （2 2）实测星历）实测星历7第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差1 1星历来源星历来源 单点定位单点定位 星历误差的径向分量作为等价测距误差进入星历误差的径向分量作为等价测距误差进入平差计算，配赋到星站坐标和接收机钟差改正数平差计算，配赋到星站坐标和接收机钟差改正数中去，具体配赋方式则与卫星的几何图形有关。中去，具体配赋方式则与卫星的几何图形有关。82 2星历误差对定位的影响星历误差对定位的影响第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 相对定位相对定位 利用两站的同步观测资料进行相对定位时，由利用两站的

6、同步观测资料进行相对定位时，由于星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以于星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得高精度的相对坐标。高精度的相对坐标。 2 2星历误差对定位的影响星历误差对定位的影响第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差dbdsbb b 基线长；基线长； db db 卫星星历误差所引起的基线误差；卫星星历误差所引起的基线误差；p p 卫星至测站的距离；卫星至测站的距离；dsds 星历误差；星历误差； 卫星星历的相对误差卫星星历的相对误差。 根据一次观测的结果，可以导出根据一次观测

7、的结果，可以导出星历误差对定位影响的估算式为：星历误差对定位影响的估算式为：ds第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差2 2星历误差对定位的影响星历误差对定位的影响（1 1）建立自己的）建立自己的GPSGPS卫星跟踪网独立定轨卫星跟踪网独立定轨（2 2）相对定位）相对定位（3 3）轨道松弛法）轨道松弛法93 3减弱星历误差影响的途径减弱星历误差影响的途径第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 卫星钟采用的是卫星钟采用的是GPS GPS 时，但尽管时，但尽管GPSGPS卫星卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟）均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟）, ,它们它们与理想的与理想的GPS

8、GPS时之间仍存在着难以避免的频率时之间仍存在着难以避免的频率偏差或频率漂移偏差或频率漂移, ,也包含钟的随机误差。这些也包含钟的随机误差。这些偏差总量在偏差总量在1ms1ms以内，由此引起的等效距离可以内，由此引起的等效距离可达达300km300km。主要误差源11二、卫星钟的钟误差二、卫星钟的钟误差第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 201020()()staa tta tt 卫星钟差的改正卫星钟差的改正卫星钟差可通过下式得到改正：卫星钟差可通过下式得到改正：11二、卫星钟的钟误差二、卫星钟的钟误差第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 经上述钟差改正后，各卫星钟之间的

9、同经上述钟差改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在步差可保持在20ns20ns以内，由此引起的等效距以内，由此引起的等效距离偏差不超过离偏差不超过6m6m。卫星钟差或经改正后的残。卫星钟差或经改正后的残差，在相对定位中可通过差分法在一次求差差，在相对定位中可通过差分法在一次求差中得到消除。中得到消除。第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟差的现象。间产生相对钟差的现象。 狭义相对论观点狭义相对论观点 一个频率为一个频率为f f0 0

10、的的振荡器安装飞行速度为振荡器安装飞行速度为v v的载体上，由于载体的载体上，由于载体的运动，对地面观测者来说将产生频率变化。的运动，对地面观测者来说将产生频率变化。不可忽视12三、相对论效应三、相对论效应第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 广义相对论观点广义相对论观点 处于不同等位面的振处于不同等位面的振荡器，其频率将由于引力位不同而发生变化。荡器，其频率将由于引力位不同而发生变化。 相对论效应的影响并非常数，经改正后仍有残相对论效应的影响并非常数，经改正后仍有残差，它对差，它对GPSGPS时的影响最大可达时的影响最大可达70ns70ns，对精密定位仍，对精密定位仍不可忽略。不可

11、忽略。三、相对论效应三、相对论效应不可忽视第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差一、电离层折射一、电离层折射二、对流层折射二、对流层折射三、多路径误差三、多路径误差13第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差 电离层电离层地球上空大气圈的上层，地球上空大气圈的上层，距离地面高度在距离地面高度在501000km501000km之间的大气层。之间的大气层。 当当GPSGPS信号通过电离层时，信号的传信号通过电离层时，信号的传播路径会发生弯曲，使其传播速度发生变播路径会发生弯曲，使其传播速度发生变化，由此产生的距离差对测量的精度影响化，由此产生的距离差对测量的精度影响较大，必须采取有效

12、措施削弱其影响。较大，必须采取有效措施削弱其影响。15一、电离层折射一、电离层折射1 1电离层及其影响电离层及其影响第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差 应该明确，电离层中的相对折射率应该明确，电离层中的相对折射率与群折射率是不同的。码相位测量和载与群折射率是不同的。码相位测量和载波相位测量应分别采用群折射率和相折波相位测量应分别采用群折射率和相折射率。所以，载波相位测量时的电离层射率。所以，载波相位测量时的电离层折射改正数和伪距测量时的改正数是不折射改正数和伪距测量时的改正数是不同的，两者大小相等，符号相反。同的，两者大小相等，符号相反。第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误

13、差1 1电离层及其影响电离层及其影响第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差 （1 1）相对定位：利用两台或多台接收机）相对定位：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对同一组卫星的同步观测值求差时可以有效地减弱电离层折射的影响，即使不对电离层地减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折射进行改正，对基线成果的影响一般也不会超过会超过1 11010-6-6。 162 2、减弱电离层影响的有效措施、减弱电离层影响的有效措施第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差 （2 2）双频接收：如分别用两个已知频）双频接收：如分别用两个已知频

14、率率f f1 1和和f f2 2发射卫星信号，则两个不同频率发射卫星信号，则两个不同频率的信号就会沿同一路径到达接收机。公式的信号就会沿同一路径到达接收机。公式中积分值虽然无法计算，但对两个频率的中积分值虽然无法计算，但对两个频率的信号却是相同的。信号却是相同的。2 2、减弱电离层影响的有效措施、减弱电离层影响的有效措施v1 1、对流层及其影响、对流层及其影响v2 2、减弱对流层影响的措施、减弱对流层影响的措施v3 3、用霍普非尔德公式进行对流层折射改正、用霍普非尔德公式进行对流层折射改正17第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差二、对流层折射二、对流层折射第三节第三节 卫星信号传播误

15、差卫星信号传播误差 对流层是高度为对流层是高度为50km50km以下的大气层，由于离地面更以下的大气层，由于离地面更近，其大气密度比电离层更大，大气状态变化更复杂。近，其大气密度比电离层更大，大气状态变化更复杂。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。磁波传播影响不大。18 1 1、对流层及其影响、对流层及其影响用改正模型进行对流层改正用改正模型进行对流层改正利用同步观测值求差利用同步观测值求差 2 2、减弱对流层影响的措施、

16、减弱对流层影响的措施20第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差 该方法设备简单，方法易行，但由于水该方法设备简单，方法易行，但由于水气在空间的分布不均匀，不同时间、不同地气在空间的分布不均匀，不同时间、不同地点水气含量相差甚远，用通一模型很难准确点水气含量相差甚远，用通一模型很难准确描述，所以，对流层改正的湿气部分精度较描述，所以，对流层改正的湿气部分精度较低，只能将湿分量消去低，只能将湿分量消去80%90%80%90%。21用改正模型进行对流层改正用改正模型进行对流层改正2 2、减弱对流层影响的措施、减弱对流层影响的措施第三节第三节 卫星

17、信号传播误差卫星信号传播误差 与电离层的影响类型相似，当两观测站相距与电离层的影响类型相似，当两观测站相距不太远时（例如不太远时（例如20km50100km50100km时，对流时，对流层折射的影响就成为制约层折射的影响就成为制约GPSGPS定位精度提高的重要定位精度提高的重要因素。因素。2 2、减弱对流层影响的措施、减弱对流层影响的措施利用同步观测值求差利用同步观测值求差第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差 多路径是指卫星信号通过多个不同路径传到接收多路径是指卫星信号通过多个不同路径传到接收到卫星信号的同时，还可能收到经天线周围地物反射到卫星信号的同时，还可能收到经天线周围地物反射

18、的卫星信号，多种信号叠加就会引起测量参考点（相的卫星信号，多种信号叠加就会引起测量参考点（相对中心）的位置变化，这种由于多路径的信号传播所对中心）的位置变化，这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。引起的干涉时延效应称为多路径效应。 直接信号直接信号多路径信号多路径信号反射物反射物23三、多路径误差三、多路径误差第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差 多路径误差不仅与反射系数有关，也和反多路径误差不仅与反射系数有关，也和反射物离测站的距离及卫星信号方向有关，无法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，只能恰当地选择站建立准确的误差改正模型，只

19、能恰当地选择站址，避开信号反射物。址，避开信号反射物。24三、多路径误差三、多路径误差第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差 例如：例如： 选设点位时应远离大面积平静的水面，较好的站选设点位时应远离大面积平静的水面，较好的站址可选在地面有草丛、农作物等植被能较好吸收微波信址可选在地面有草丛、农作物等植被能较好吸收微波信号的能量的地方；号的能量的地方； 测站附近不应有高层建筑物，观测时测站附近也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；不要停放汽车； 测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。三、多路径误差三、多路径误差第四节：第四节： 接收设备误差与

20、图形强度接收设备误差与图形强度q 一、接收机钟误差接收机钟误差q 二、天线相位中心位置误差二、天线相位中心位置误差q 三、等效距离误差三、等效距离误差q 四、几何图形强度四、几何图形强度25 在在GPSGPS测量时，为了保证随时导航定位的需要，卫星测量时，为了保证随时导航定位的需要，卫星钟必须具有极好的长期稳定度。而接收机钟则只需要在钟必须具有极好的长期稳定度。而接收机钟则只需要在一次定位的期间内保持稳定，所以，一般使用短期稳定一次定位的期间内保持稳定，所以，一般使用短期稳定交好、便宜轻便的石英钟，其稳定度约为交好、便宜轻便的石英钟，其稳定度约为1010-10-10。如果接如果接收机钟与卫星钟

21、间的同步差为收机钟与卫星钟间的同步差为1s1s，则由此引起的等效，则由此引起的等效距离差约为距离差约为300m300m。 26第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度一、接收机钟误差一、接收机钟误差第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度 减弱接收机钟差比较有效的方法是：把每个观减弱接收机钟差比较有效的方法是：把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。伪距测量据处理中与观测站的位置参数一并求解。伪距测量的数据处理就是根据这一原理进行的。的数据处理就是根据这一原理

22、进行的。一、接收机钟误差一、接收机钟误差 在静态绝对定位中，可以认为各观测时刻的接收在静态绝对定位中，可以认为各观测时刻的接收机钟差是相关的，设法建立一个钟误差模型，在平差机钟差是相关的，设法建立一个钟误差模型，在平差计算中求解多项式系数。不过接收机钟的稳定性较差，计算中求解多项式系数。不过接收机钟的稳定性较差，钟差模型不易反映真实情况，难以充分消除其误差影钟差模型不易反映真实情况，难以充分消除其误差影响。响。 此外，还可以通过在卫星间求一次差来削弱接收此外，还可以通过在卫星间求一次差来削弱接收机钟差的影响。机钟差的影响。27第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度一、接

23、收机钟误差一、接收机钟误差第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度 在在GPSGPS测量中，观测值都是以接收测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，所以天机天线的相位中心位置为准的，所以天线的相位中心该与其几何中心保持一致。线的相位中心该与其几何中心保持一致。但实际天线的相位中心位置随信号输入但实际天线的相位中心位置随信号输入的强度和方向不同会发生变化，使其偏的强度和方向不同会发生变化，使其偏离几何中心。这种偏差视天线性能的好离几何中心。这种偏差视天线性能的好坏可达数毫米至数厘米，对精密相对定坏可达数毫米至数厘米，对精密相对定位也是不容忽视的。位也是不容忽视的

24、。 天宝天宝4800GPS结构图结构图28二、天线相位中心位置误差二、天线相位中心位置误差第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度 29 实际工作中如果使用同一类型天线，实际工作中如果使用同一类型天线，在相距不远的两个或多个测站同步观测同在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星，可以通过观测值求差来减弱相一组卫星，可以通过观测值求差来减弱相位中心偏移的影响。不过这时各测站的天位中心偏移的影响。不过这时各测站的天线均应按天线附有的方位标志进行定向，线均应按天线附有的方位标志进行定向，根据仪器说明书的要求，罗盘指向磁北极，根据仪器说明书的要求，罗盘指向磁北极，其定向偏差应

25、在其定向偏差应在3 3o o以内。以内。二、天线相位中心位置误差二、天线相位中心位置误差第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度 等效距离误差等效距离误差各项误差投影到测站至各项误差投影到测站至卫星方向的具体数值。如果认为各项误差之间卫星方向的具体数值。如果认为各项误差之间相互独立，就可以求出总的等效距离误差，并相互独立，就可以求出总的等效距离误差，并用用0 0表示。从而表示。从而0 0就可以作就可以作GPSGPS定位时衡量观定位时衡量观测精度的客观标准。测精度的客观标准。30三、等效距离误差三、等效距离误差第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度

26、GPSGPS定位的精度除了取决于等效距离误定位的精度除了取决于等效距离误差差0 0以外，还取决于空间后方交会的几何以外，还取决于空间后方交会的几何图形强度。图形强度。 31四、几何图形强度四、几何图形强度第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度 GPSGPS星座与测站所构成的几何图形不同，星座与测站所构成的几何图形不同，权系数的数值亦不同，此时，即使相同精度权系数的数值亦不同，此时，即使相同精度的观测值所求得的电位精度也会相同。为此的观测值所求得的电位精度也会相同。为此需要研究卫星星座几何图形与定位精度的关需要研究卫星星座几何图形与定位精度的关系。通常用图形强度因子系。通

27、常用图形强度因子DOPDOP来表示几何图来表示几何图形强度，其定义是形强度，其定义是四、几何图形强度四、几何图形强度 式中式中 0 0 等效距离的标准差等效距离的标准差 m mx x 某定位元素的标准差某定位元素的标准差 DOPDOP实际是权系数阵中主对角实际是权系数阵中主对角 线元素的函数线元素的函数 0 xmDOP32第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度四、几何图形强度四、几何图形强度第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度 图形强度因子是一个直接影响定位精度、图形强度因子是一个直接影响定位精度、但又独立于观测值和其他误差之外的一个量。但又独

28、立于观测值和其他误差之外的一个量。其值恒大于其值恒大于1 1，最大值，最大值1 1，其大小随时间和测，其大小随时间和测站位置而变化。在站位置而变化。在GPSGPS测量中，希望测量中，希望DOPDOP值越值越小越好。小越好。四、几何图形强度四、几何图形强度 在实际工作中，常根据不同的要求采用不同的在实际工作中，常根据不同的要求采用不同的评价模型和相应的图形强度因子。评价模型和相应的图形强度因子。 平面位置图形强度因子平面位置图形强度因子HDOPHDOP及其相应的平面及其相应的平面位置精度位置精度 1122HDOPqq33第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度四、几何图形强

29、度四、几何图形强度 高程图形强度因子高程图形强度因子VDOPVDOP及相应的高程精度及相应的高程精度 33VDOPq0VmVDOP34第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度四、几何图形强度四、几何图形强度 空间位置的图形强度因子空间位置的图形强度因子PDOPPDOP及其相应的三维及其相应的三维定位精度定位精度 112233PDOPqqq0PmPDOP35第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度四、几何图形强度四、几何图形强度 接收机钟差图形强度因子接收机钟差图形强度因子TDOPTDOP及其钟差精度及其钟差精度 44TDOPq0TmTDOP36第四节

30、：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度四、几何图形强度四、几何图形强度第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度 几何图形强度因子几何图形强度因子GDOPGDOP及其三维坐标和时间及其三维坐标和时间误差的综合影响误差的综合影响11223344GDOPqqqq0GmGDOP四、几何图形强度四、几何图形强度第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度 如果测站与如果测站与4 4颗卫星构成一个六面体时，颗卫星构成一个六面体时，图形强度因子图形强度因子GDOPGDOP与该六面体体积成反比。与该六面体体积成反比。意味着所测卫星在空间分布越大，六面体

31、的意味着所测卫星在空间分布越大，六面体的体积越大，体积越大，GDOPGDOP值越小，图形越坚强，定值越小，图形越坚强，定位精度越高。位精度越高。四、几何图形强度四、几何图形强度37第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度卫星的分布与卫星的分布与GDOPGDOP四、几何图形强度四、几何图形强度38第四节：第四节： 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度卫星的分布与卫星的分布与GDOPGDOP四、几何图形强度四、几何图形强度第五节整周跳变分析与整周未知数的确定第五节整周跳变分析与整周未知数的确定1 1整周跳变及其发生整周跳变及其发生整周跳变（周跳）整周跳变（周跳）在定位工作中可能由在定位工作中可能由于卫星信号被暂时阻挡，或受到外界干扰影于卫星信号被暂时阻挡，或受到外界干扰影响，引起卫星跟踪的暂时中断，使计数器无响，引起卫星跟踪的暂时中断，使计数器无法累积计数，出现信号失锁。法累积计数，出现信号失锁。一、整周跳变分析一、整周跳变分析第五节整周跳变分析与整周未知数的确定第五节整周跳变分析与整周未知数的确定 2 2整周跳变的检验和修正整周跳变的检验和修正利用高