GPS测量的主要误差来源及其影响(精)

1、第五章GPSGPS 卫星定位系统误差来源及影响第五章 GPSGPS 卫星定位系统误差来源及影响了解卫星星历误差，卫星钟差及相对论 效应。理解接收机钟误差，相位中心位臵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、多路径误差的产生与消减方法。第五章 GPSGPS 卫星定位系统误差来源及影响第一节 GPSGPS 定位的误差概述第二节与卫星有关的误差第三节卫星信号传播误差第四节接收设备误差第五节卫星几何图形强度 3 3第一节 GPSGPS 定位的误差概述 4 4第二节与卫星有关的误差一、卫星星历误差二、卫星钟差三、相对论效应GPSGPS 卫星的发射第二节与卫星有关的误差一、卫星星历误差

2、1 1 星历来源2 2星历误差对定位的影响3 3减弱星历误差影响的途径GPSGPS 卫星工作星座第二节与卫星有关的误差1 1 星历来源卫星星历误差某一瞬间的卫星位臵，是由卫星星历提供的，卫星星历误差就是卫星位臵的确定 误差。星历误差来源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完善程度。第二节与卫星有关的误差1 1 星历来源星历(1) 广播星历(2)实测星历广播星历根据美国 GPSGPS 控制中心跟踪站的观测数据进行外推， 通过GPSGPS 卫星发播的一种预报星历。实测星历根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。二 I I7 7第二

3、节与卫星有关的误差2.2.星历误差对定位的影响单点定位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 钟差改正数中去，具体配赋方式则与卫星的几何图形有关。8 8第二节与卫星有关的误差2 2.星历误差对定位的影响相对定位利用两站的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。第二节与卫星有关的误差2.2. 星历误差对定位的影响根据一次观测的结果，可以导出星历误差对定位影响的估算式为：基线长；dbdb 卫星星历误差所引起的基线误差；p p 卫星至测站的距离；dsds 星历 误差；d

4、sds卫星星历的相对误差。第二节与卫星有关的误差3.3. 减弱星历误差影响的途径(1) 建立自己的 GPSGPS 卫星跟踪网独立定轨(2) 相对定位(3) 轨道松弛法9 9第二节与卫星有关的误差二、 卫星钟的钟误差卫星钟采用的是 GPSGPS 时， 但尽管 GPSGPS 卫星均设有高精度的 原子钟(铷钟和铯钟)，它们与理想的 GPSGPS 时之间仍存在着难以避免的频率偏差 或频率漂移, ,也包含钟的随机误差。这些偏差总量在 1ms1ms 以内，由此引起的等效距 离可达 300km300km。1111第二节与卫星有关的误差二、卫星钟的钟误差卫星钟差的改正卫星钟差可通过下式得到改正：isis Li

5、ULiU al(tal(t 10)10) a2(a2( lU)2lU)21111第二节与卫星有关的误差经上述钟差改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns20ns 以内，由此引起的等效距离偏差不超过 6m6m。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中得到消除。第二节与卫星有关的误差三、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。狭义相对论观点一一一个频率为 f0f0 的振荡器安装飞行速度为 v v 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。1212第二节三、相对论效应广义相对论观点 处于不同

6、等位面的振荡器， 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，经改正后仍有残差，它对GPSGPS 时的影响最大可达 70ns,70ns,对精密定位仍不可忽略。第三节卫星信号传播误差一、电离层折射二、对流层折射三、多路径误差1313第三节卫星信号传播误差一、电离层折射1 1 电离层及其影响电离层一一地球上空大气圈的上层，距离地面高度在 501000km501000km 之间的大气层。当 GPGPS S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 化，由此产生的距离差对测量的精度影响较大，必须采取有效措施削弱其影响。1515第三节卫星信号传播误差1 1 电离层及

7、其影响应该明确，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。第三节卫星信号传播误差2 2、减弱电离层影响的有效措施(1 1)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-6-6 会超过 1 1 X10X10o1616第三节卫星信号传播误差2 2 减弱电离层影响的有效措施(2 2)双频接收：如分别用两个已知频率 flfl 和 f2f2 发射卫星信号，

8、则两个不同频率 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 的信号却是相同的。第三节卫星信号传播误差二、对流层折射、对流层及其影响、减弱对流层影响的措施j j、用霍普非尔德公式进行对流层折射改正1717第三节卫星信号传播误差1 1、 对流层及其影响对流层是高度为 50km50km 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。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。1818第三节卫星信号传播误差2 2、 减弱对流层影响的措施用改正模型进行对流层改正利用同步观测值

9、求差2020第三节卫星信号传播误差2 2、减弱对流层影响的措施用改正模型进行对流层改正 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 分精度较低，只能将湿分量消去 80%90%80%90%。2121第三节卫星信号传播误差2 2、减弱对流层影响的措施利用同步观测值求差与电离层的影响类型相似，当两观测站相距不太远时(例如20km20km)，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。2222第三节卫星信号传播

10、误差2 2、减弱对流层影响的措施利用同步观测值求差不过，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50100km50100km 时，对流层折射的影响就成为制约 GPSGPS 定位精度提高的重要因素。 第三节卫星信号传播误差三、多路径误差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）的位臵变化，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。直接信号反射物2323第三节卫星信号传播误差三、多路径误差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

11、关，无法建立准确的误差改正模型，只能恰当地选择站址，避开信号反射物。2424第三节卫星信号传播误差三、多路径误差例如：1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号的能量的地方；2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；3测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。 第四节：接收设备误差与图形强度一、接收机钟误差二、天线相位中心位臵误差三、等效距离误差四、几何图形强度2525第四节：接收设备误差与图形强度一、接收机钟误差在 GPSGPS 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一次定位的期间

12、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10-1010-10。如果接收机钟与卫星钟间的同步差为 1 1 卩则由此引起的等效距离差约为 300m300m。2626第四节：接收设备误差与图形强度 一、接收机钟误差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，在数据处理中与观测站的位臵参数一并求解。伪距测量的数据处理就 是根据这一原理进行的。第四节：接收设备误差与图形强度一、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，钟差 模型

13、不易反映真实情况，难以充分消除其误差影响。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。2727第四节：接收设备误差与图形强度二、天线相位中心位臵误差在 GPSGPS 测量中，观测值都是以接收 机天线的相位中心位臵为准的，所以天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臵随信号输入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坏可达数毫米至数厘米，对精密相对定位也 是不容忽视的。天宝 4800GPS4800GPS 结构图2828第四节：接收设备误差与图形强度二、天线相位中心位臵误差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

14、观测同一 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 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，其定向偏差应在 3o3o 以内。2929第四节：接收设备误差与图形强度三、等效距离误差等效距离误差一一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 差之间相互独立，就可以求出总的等效距离误差，并用表示。从而就可以作 GPSGPS 定位时衡量观测精度的客观标准。3030第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度GPSGPS 定位的精度除了取决于等效距离误差 cOcO 以外，还取决于空间后方交会的几 何图形强度。3131第四节：

15、接收设备误差与图形强度四、几何图形强度GPSGPS 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 位精度的关系。通常用图形强度因子 DOPDOP 来表示几何图形强度，其定义是 第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度ITIXDOPDOP 0 0 式中（T T 0 0 效距离的标准差 mxmx 某定位元素的标准差DOPDOP实际是权系数阵中主对角 线元素的函数3232第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度 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。其值恒

16、大于 1 1,最大值 1 1,其大小随时间和测站位臵而变化。在 GPGPS S测量 中，希望 DOPDOP 值越小越好。第四节：接收设备误差与图形强度四、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评价模型和相应的图形强度因子。1平面位臵图形强度因子 HDOPHDOP 及其相应的平面位臵精度HDOP33第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度2高程图形强度因子 VDOPVDOP 及相应的高程精度VDOPmVVDOP03434第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度3空间位臵的图形强度因子 PDOPPDOP 及其相应的三维定位精度PDOPniPPDOP03535第四节：接收设

17、备误差与图形强度四、几何图形强度4接收机钟差图形强度因子 TDOPTDOP 及其钟差精度TDOP ml TDOP 03636第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度5几何图形强度因子 GDOPGDOP 及其三维坐标和时间误差的综合影响GDOP mG GDOP 0第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度如果测站与 4 4 颗卫星构成一个六面体时，图形强度因子 GDOPGDOP 与该六面体体积成 反比。意味着所测卫星在空间分布越大，六面体的体积越大， GDOPGDOP 值越小，图 形越坚强，定位精度越高。第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度卫星的分布与 GDOPGDOPGDO

18、PGDOP 良好3737第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度卫星的分布与 GDOPGDOPGDOPGDOP 较差3838第五节整周跳变分析与整周未知数的确定一、整周跳变分析1 1 整周跳变及其发生整周跳变（周跳）一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。 第五节整周跳变分析与整周未知数的确定一、整周跳变分析2 2.整周跳变的检验和修正利用高次插值公式外推观测值的正确整周计数，或者根据相邻的几个正确相位观 测量，采用 n n 阶多项式拟合的方法来推求整周计数的正确性，从而发现周跳并修 正整周计数。第五节整周跳变分析与整周未知数的确定二、整周未知数 NONO 的确定1 1 经典静态相对定位法(1)整数解；(2 2)实数解。2 2.动态”测量法3 3 交换天线法第五节整周跳变分析与整周未知数的确定二、整周未知数 NONO 的确定4 4 快速确定整周未知数法(1) 对所有观测值作周跳修正，解算基线向量和整周未知数向量(实数解)以 及相应的协因数阵