第五章GPS测量误差来源

1、 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第第五五章章 GPSGPS测量的误差来源测量的误差来源 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源1. 为什么讲误差？为什么讲误差？2. GPS定位中有哪些误差？定位中有哪些误差？3. GPS测量误差的影响和消除或减测量误差的影响和消除或减弱的方法？弱的方法？ 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源为什么讲误差？为什么讲误差？卫星定位基础卫星定位基础卫星信号提供的定位信息：卫星信号提供的定位信息： 卫星位置卫星位置 卫地距

2、离卫地距离接收机接收信号，获得观接收机接收信号，获得观测值进行定位测值进行定位 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源u 提高定位精度提高定位精度u 消除误差才能确定整周模糊度消除误差才能确定整周模糊度u 为使为使GPS提供一些注意事项提供一些注意事项u 提出精密定位的方法提出精密定位的方法 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源主要内容主要内容5 5.1 GPS.

3、1 GPS测量主要误差分类测量主要误差分类5 5.2 .2 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差5 5.3 .3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差5 5.4 .4 与接收机有关的误差与接收机有关的误差5.5 5.5 其他误差其他误差 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5 5.1.1 GPSGPS测量主要误差分类测量主要误差分类 GPS定位中，影响观测量精度的主要误差可以分为四大类：n 5 5.1.1.1 .1 根据误差来源分根据误差来源分类类第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源电离层折射电离层折射，对流层

4、折射对流层折射，多路径误差多路径误差 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 观测误差，观测误差，接收机钟误差接收机钟误差，接收机的位置接收机的位置误差误差 ，天线相位中心位置的偏差天线相位中心位置的偏差地球自转地球自转，地球地球固体潮汐、负荷潮，固体潮汐、负荷潮，卫星几何结构，解算软件卫星几何结构，解算软件对距离测量的影响为对距离测量的影响为1.51.51515米米对距离测量的影响为对距离测量的影响为1.51.51515米米对距离测量的影响为对距离测量的影响为1.51.55 5米米对距离测量的影响为对距离测量的影响为1.01.0米米 池州学院池州学院资源环境与旅

5、游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5 5.1.1.2 .2 根据误差性质分根据误差性质分类类系统误差：系统误差：星历误差卫星钟差接收机钟差大气折射偶然误差：偶然误差：多路径效应粗差：粗差：位置误差两者的两者的区别及区别及其影响其影响程度程度 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 参数法 建立误差改正模型 求差法 回避法5 5.1.1.3 .3 消除减弱上述系统误差的方法消除减弱上述系统误差的方法 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误

6、差来源源5 5. .2 2 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差n 电离层电离层折射误差折射误差n 对流层对流层折射误差折射误差n 多路径效应误差多路径效应误差 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 根据对电磁波传播的不同影响，一般将大气层分为对流层和电离层。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5.2.1 5.2.1 对流层折射改正对流层折射改正1 1. .对流层及其影响对流层及其影响对流层对流层: :是指从地面向上高度为40km以下的大气底层。对流层的性质

7、：对流层的性质：属非弥散性介质。即电磁波在对流层中的传播与频率无关。对流层对信号传播的影响与信号的高度角有关，天对流层对信号传播的影响与信号的高度角有关，天顶方向可达顶方向可达2 23m3m，高度角为，高度角为1010度时度时, ,其影响可达其影响可达20m20m。第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源2.2.对流层对流层折射改正模型折射改正模型 通常，将对流层折射分为： 湿分量：湿分量：由水汽引起的大气折射，主要与信号传由水汽引起的大气折射，主要与信号传 播路径上的大气湿度

8、和高度有关。播路径上的大气湿度和高度有关。干分量：干分量：由大气中干燥气体引起的大气折射，主要由大气中干燥气体引起的大气折射，主要 与大气温度和压力有关，占总延迟的与大气温度和压力有关，占总延迟的 80%80%90%90%，比较有规律，在天顶方向可以，比较有规律，在天顶方向可以 1%1%的精度估计；的精度估计； 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源主要对流层模型：（1）霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）模型）模型（2）萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型）模型 （3）勃兰克（勃兰克（Black）公式）公

9、式 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 采用对流层模型加以改正时，对流层折射常用天顶方向的干、湿分量及相应的映射函数来表示：)()(,EmdEmddwetwetzdrydryztrop天定方向天定方向干分量干分量天定方向天定方向湿分量湿分量与高度角有关的与高度角有关的映射函数映射函数 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源3. 3. 减弱对流层折射改正影响的主要措施减弱对流层折射改正影响的主要措施（1）采用上述对流层模型加以改正，其气象参数在测站直接测定； （2）

10、引入描述对流层折射影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得； （3）利用同步观测量求差； （4）利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。此法求得的对流层折射湿分量的精度可优于lcm 。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源利用同步观测量求差利用同步观测量求差：两测站距离较短气象条件一致相对定位 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 卫星信号通过对流层时传播速度要发生变化，从而使测量结果产生系统误差。对流层折射的大小取决于外界条件（气温、气压、湿度等）。对流层折射对伪

11、距测量和载波相位测量的影响相同。结论：结论： 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源1 1. .电离层电离层电离层：电离层：是指地球上空距地面高度501000km之间的大气层。 电离层属于弥散性介质，即电磁波在这种介质内传播时，其传播速度与频率有关。电离层是一种微弱的电离气体，它能以多种方式影响电磁波传播。影响电磁波传播的主要因素是电子影响电磁波传播的主要因素是电子密度密度。从天顶到地平，电离层引起的测距误差可从50m到150m。5.2.1 5.2.1 对流层折射改正对流层折射改正第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来

12、源源 电离层的折射率与大气的电子密度电子密度成正比，而与通过的电磁波频率频率的平方成反比。2.2.电离层的影响电离层的影响电离层折射电离层折射第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源3.3.电离层折射对测距观测值的影响电离层折射对测距观测值的影响伪距伪距ionSeSetetgddsNfdsNftCdtfNCdtvS22228.4028.4028.401载波载波传播距离传播距离测量距离测量距离电子总量电子总量dsNfctcdtvSSetp228.40 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源第五章第五章 GPSGPS测量

13、的误差来测量的误差来源源4.4.减弱电离层折射影响的措施减弱电离层折射影响的措施1 1）利用双频观测）利用双频观测2 2）利用电离层改正模型加以改正）利用电离层改正模型加以改正3 3）利用同步观测值求差）利用同步观测值求差 第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源1 1）利用双频观测）利用双频观测第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 2)2) 利用电离层改正模型加以修正利用电离层改正模型加以修正 为进行高精度卫星导航和定位，普遍采用双频技术，为进行高精度卫星导航和定位，普遍采用双频技术，可有效地减弱电离层折射的影响，但在电子含量很大，卫可有效地减弱电离层折射的影

14、响，但在电子含量很大，卫星的高度角又较小时求得的电离层延迟改正中的误差有可星的高度角又较小时求得的电离层延迟改正中的误差有可能达几厘米。能达几厘米。 为了满足更高精度为了满足更高精度GPSGPS测量的需要，测量的需要，FritzkFritzk、BrunnerBrunner等人提出了电离层延迟改正模型。该模型考虑了折射率中等人提出了电离层延迟改正模型。该模型考虑了折射率中的高阶项影响以及地磁场的影响，并且是沿着信号传播路的高阶项影响以及地磁场的影响，并且是沿着信号传播路径来进行积分。计算结果表明，无论在何种情况下改进模径来进行积分。计算结果表明，无论在何种情况下改进模型的精度均优于型的精度均优于

15、2mm2mm。第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源3）利用同步观测值求差利用同步观测值求差 该方法对于短基线（小于20km）的效果尤为明显。所以在GPS测量中，对于短距离的相对定位，使用单频接收机也可达到相当高的精度（cm级）。注意：随着基线长度的增加，电离层折射影响的相关性减弱，其改正精度就比较差。第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 电磁波信号通过电离层时传播速度会产生变化，致使量测结果产生系统性的偏离，这种现象称为电离层折射。电离层折射的大小取决于外界条件（时间、太阳黑子数、地点等）和信号频率。在伪距测量和载波测量相位测量中，电离层折射的大小相同，符号

16、相反。结论：结论：第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源多路径效应多路径效应？多路径误差多路径误差？5.2.3 5.2.3 多路径效应误差多路径效应误差 1.1.定义定义第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源2.2.产生多路劲效应的因素及影响特点产生多路劲效应的因素及影响特点n 多路劲效应与以下一些因素有关多路劲效应与以下一些因素有关卫星、接收机、信号反射体三者之间的相对位置卫星、接收机、信号反射体三者之间的相对位置反射信号的强度反射信号的强度接收机处理信号的方法接收机处理信号的方法n 影响特点影响特点随机误差随机误差复杂，可能受到多个反射波干涉产生复杂，可能受

17、到多个反射波干涉产生消除其他误差之后，成为重要的误差源消除其他误差之后，成为重要的误差源 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源多路径干扰引起的载波相位误差，可表示为)cos1sinarctan(aa3.3.对定位结果的影响对定位结果的影响反射信号对直反射信号对直接信号的相移接信号的相移反射率反射率当当=arccos(-a)时时达到最大值达到最大值arcsina当当a=1时时=90对对L1L1载波，相当于载波，相当于4.8cm4.8cm的距离误差的距离误差对对L2L2载波，相当于载波，相当于6.1cm6.1cm的距离误差的距离误差

18、 多路径效应对伪距测量比对载多路径效应对伪距测量比对载波相位测量的影响要大得多波相位测量的影响要大得多。第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源4.4.消除多路径误差的方法消除多路径误差的方法 较为有效的方法是恰当选择站址恰当选择站址，注意避免信号反射物。1 1）选站时应避免临近有大面积的平静的水面。选站时应避免临近有大面积的平静的水面。第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源2)2)测站不宜选择在山坡上。测站不宜选择在山坡上。第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源3)3)测站周围不宜有高层建筑物。测站周围不宜有高层建筑物。第五章第五章 GPSGPS

19、测量的误差来测量的误差来源源对接收机的要求在天线下设抑径板或抑径圈在天线下设抑径板或抑径圈 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 适当延长观测时间适当延长观测时间 由于多路径误差是时间的函数，其大小和符号会随着卫星的高度角变化而变化，所以在静态定位中经过较长时间的观测后，多路径误差的影响可大为削弱。第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5.5.3 3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 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等。相对论效应等。 第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5

20、.5.3 3.1 .1 卫星星历误差卫星星历误差1.1.卫星星历卫星星历 Y 升交点赤经轨道倾角i近地点角距 真近点角Vf轨道长半轴a 近地点近地点赤道平面赤道平面轨道偏心率22abea升交点升交点 卫星卫星rX ZiV Vf fb第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源2.2.卫星星历误差卫星星历误差 由星历计算的卫星位置与其实际位置之差。由星历计算的卫星位置与其实际位置之差。3.3.星历星历来源来源 （1 1）广播星历）广播星历 根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行外推，通过GPS卫星发播的一种预报星历。（2 2）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

21、历。第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源4.4.星历星历误差对定位的影响误差对定位的影响 a.影响测站坐标和接收机钟差改正数b.影响的大小取决于卫星的几何图形c.对测站坐标的影响可达数米、数十米甚至上百米iTZiYiXidCnml0:为卫星星历引起的id为星站之间的距离;0的误差;第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 求坐标差时，星历误差的共同影响可部分消除 残余误差估算公式：sbbd)10141(db 基线长db 由于星历误差引起的基线误差ds 星历误差 站星距离第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 下表中列出了不同星历精度对不同长度基线

22、的影响，表中取=20000km。第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5.5.消弱星历误差的方法消弱星历误差的方法 1 1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨）建立自己的卫星跟踪网独立定轨2 2）轨道松驰法）轨道松驰法 短弧法短弧法 半短弧法半短弧法3 3）同步观测值法）同步观测值法 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5.5.3 3.2 .2 卫星钟误差卫星钟误差1.1.卫星钟差卫星钟差卫星钟与卫星钟与GPSGPS标准时之间的偏差标准时之间的偏差2.2.卫星钟差卫星钟差1ms1ms以内的钟差，引起的等效以内的钟差，引

23、起的等效距离误差可达距离误差可达300km300km 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源3.3.卫星钟差的改正方法卫星钟差的改正方法n 地面监控系统提供改正地面监控系统提供改正202010)()(ccittattaat 系数a0、a1、a2表示卫星钟在参考历元t0c时的钟差、钟速（或频率偏差）及钟速的变率（或老化率）。n 通过求差的方法进一步进行消弱通过求差的方法进一步进行消弱 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 1. 相对论效应相对论效应 状态钟频钟差5.3

24、.3 相对论效应相对论效应 2. 相对论效应相对论效应的影响的影响 广义相对论效应：不同的重力位 狭义相对论效应：不同的运动速度 综合影响：f .fcW df-1022102845f .-fcV df-S10211083502f-.dfdff1010449421 3. 应对方法应对方法 制造卫星钟时预先降低其频率 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5.5.4 4 与与接收机接收机有关的误差有关的误差 u 观测误差观测误差u 接收机钟误差接收机钟误差u 天线相位中心位置误差天线相位中心位置误差u 接收机位置误差接收机位置误差u

25、天线高量取误差天线高量取误差第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5.5.4 4.1 .1 观测误差观测误差 根据经验，分辨率误差一般认为约为信号波长的1%。1. 1. 分辨率分辨率误差误差第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源2. 2. 位置误差位置误差观测：天线位置观测：天线位置定位：地面位置定位：地面位置归算需要：归算需要： 整平、对中、量高整平、对中、量高第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源3. 3. 解决办法解决办法在观测中仔细认真操作，可以尽量减少这些误差的影响在观测中仔细认真操作，可以尽量减少这些误差的影响 池州学院池州学院资源环

26、境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5.5.4 4.2 .2 接收机钟差接收机钟差 接收机钟差：接收机钟差： GPS接收机一般设有高精度的石英钟。接收机钟与GPS标准时之间存在一定得偏差和漂移。 接收机钟差对定位的影响：接收机钟差对定位的影响： 同步差为1us，则由此引起的等效距离误差约为300m。 处理接收机钟差比较有效的方法处理接收机钟差比较有效的方法有有： 参数法。 利用观测值求差方法，减弱接收机钟差影响。多项式校正。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源1.1.天线相位中心天线

27、相位中心5.5.4 4.3 .3 天线相位中心天线相位中心位置误位置误差差 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源2.2.天线相位中心偏差天线相位中心偏差 即观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心位置之间的差别。 天线的相位中心位置，随着信号输入的强度和方向不同而有所变化几何中心几何中心实际相位中心实际相位中心 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 3.天线相位中心的位置偏差的处理方法天线相位中心的位置偏差的处理方法 （1）改善天线设计 （2）利用同步观测值求差

28、。 注意：注意： 各观测站的天线应按天线标记的方位标进行定向，使之指向磁北极。通常定向偏差应保持在3以内。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5 5.5.5 其它误差其它误差5.5.1 5.5.1 地球自转的影响地球自转的影响 当卫星信号传播当卫星信号传播到观测站时，而与到观测站时，而与地球相固联的协议地球相固联的协议地球坐标系相对的地球坐标系相对的卫星的上述瞬时位卫星的上述瞬时位置 已 产 生 了 旋 转置 已 产 生 了

29、 旋 转（绕（绕Z Z轴）。轴）。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源5.5.2 5.5.2 地球潮汐改正地球潮汐改正 因为地球并非是一个刚体，所以在太阳和月球的万有因为地球并非是一个刚体，所以在太阳和月球的万有引力作用下，固体地球要产生周期性的弹性形变，称为引力作用下，固体地球要产生周期性的弹性形变，称为固固体潮。体潮。 此外在日月引力的作用下，地球上的负荷也将发生周此外在日月引力的作用下，地球上的负荷也将发生周期性的变动，使地球产生周期的形变，称为期性的变动，使地球产生周期的形变，称为负荷潮汐负荷潮汐。 固体潮和负荷潮引起

30、的测站位移可达固体潮和负荷潮引起的测站位移可达80cm80cm，使不同时，使不同时间的测量结果互不一致，在高精度相对定位中应考虑其影间的测量结果互不一致，在高精度相对定位中应考虑其影响。响。 池州学院池州学院资源环境与旅游系资源环境与旅游系第五章第五章 GPSGPS测量的误差来测量的误差来源源消除各种误差的方法总结：消除各种误差的方法总结： 1.建立误差改正模型 理论公式经验公式综合模型。误差模型的精度好坏不等。效果较好效果较好：电离层双频改正模型残差约为总量的1%1%左右或更小。效果一般效果一般：对流层折射改正公式残差为总量的5-10%5-10%左右效果较差效果较差：广播星历所提供的单频 电离层折射改正模型。 残差高达30-40%30-40%。 池州学院池州