第六章GPS误差分析10

1、GPS测量误差源测量误差源( (教材第七章教材第七章) )Slide 2outlineoutline为什么讲误差？为什么讲误差？GPSGPS定位中有哪些误差？定位中有哪些误差？GPSGPS测量误差的影响和消除？测量误差的影响和消除？Slide 3为什么讲误差？为什么讲误差？卫星信号提供定位信息： 卫星位置 卫地距离接收机接收信号，获得观测值，进行定位GPS定位基础定位基础Slide 4误差影响定位精度误差影响定位精度Slide 5区分不同误差，提出解决办法v粗差的解决？粗差的解决？尽量避免，粗差探测并修复v系统误差的解决？系统误差的解决？分析它对观测的影响规律，采取各种方法来消除系统误差，或者

2、减小它对观测成果的影响。v偶然误差的解决？偶然误差的解决？进行多余观测，通过测量平差、数据处理理论，确定被认为是最可靠的结果。Slide 6研究误差的目的研究误差的目的提高定位精度提高定位精度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为使用为使用GPSGPS提供一些注意事项提供一些注意事项提出精密定位的方法提出精密定位的方法Slide 7第一节 GPS定位中的误差根据误差的来源分析根据误差的来源分析v与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差v与卫星有关的误差与卫星有关的误差v与接收机有关的误差与接收机有关的误差v其它误差其它误差Slide 8误差概述误差概述根据误差来源分类根据误差来

3、源分类与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差与卫星有关的误差与卫星有关的误差与接收机有关的误差与接收机有关的误差其它误差其它误差对流层折射对流层折射电离层折射电离层折射多路径效应多路径效应星历误差星历误差卫星钟差卫星钟差相对论效应相对论效应接收机钟差接收机钟差位置误差位置误差天线相位中心的偏差及变化天线相位中心的偏差及变化各通道间的信号延迟误差各通道间的信号延迟误差地球潮汐地球潮汐Slide 9第二节第二节 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差对流层延迟电离层延迟多路径效应Slide 10卫星轨道电离层对流层大气折射大气折射大气折射大气折射也也称称大气延迟大气延迟。指信号在。指信号在穿过

4、大气时穿过大气时，速度将发，速度将发生变化，传生变化，传播路径也将播路径也将发生弯曲。发生弯曲。Slide 11色散与非色散介质色散与非色散介质色散介质色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同应也不同非色散介质非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同效应相同对对GPSGPS信号，信号，电离层电离层是色散介质，是色散介质，对流层对流层是非色散介质是非色散介质Slide 121）电离层及其折射影响电离层电离层地球表面以上地球表面以上5050km1000kmkm1000km具有密度较高的带电粒子具有密度较高的带电粒

5、子电离层影响电离层影响天顶方向天顶方向5050米；地平方向米；地平方向120120米米Slide 13电子总量和电子密度电子密度电子密度单位体积中单位体积中所包含的电子数所包含的电子数电子总量电子总量底面积为一底面积为一个单位面积时沿信号传播个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数个柱体内所含的电子总数dsNseSlide 14电离层的影响l电离层的折射率与大气的电离层的折射率与大气的电子密度电子密度成正成正比，而与通过的电磁波比，而与通过的电磁波频率频率平方成反比。平方成反比。l对于对于群波和相波群波和相波影响不同影响不同电离层折射223 .4

6、013 .401fNcncvfNneppep载波载波相折射率： 相速度：223 .4013 .401fNcncvfNneggeg伪距伪距群折射率： 群速度：Slide 15电离层折射对电离层折射对测距观测值的影响的影响伪距载波23 .40setpdsNfctcdtvS传播距离测量距离电离层延迟23 .40sedsNfctctgdtvSSlide 16影响电子密度/电子总量的因素Slide 17利用双频观测改正 根据电离层折射和频率有关利用模型改正 经验模型利用同步观测值求差 相对定位?减弱电离层影响的方法减弱电离层影响的方法Slide 18A:利用双频观测值利用双频观测值)(54573. 2)

7、(54573. 1212211222211/fASfAS根据电离层延迟与频率的平方成反比；根据电离层延迟与频率的平方成反比；经过改正后，电离层残差为厘米级；经过改正后，电离层残差为厘米级；22/3 .40fAdsNfctcdtvSsetg折射改折射改正正观测值观测值212222212121/6469. 0fAffffASlide 19 对单频接收机采用的经验模型： 导航电文提供了改正参数 可消除75%左右B:利用模型改正利用模型改正Slide 20相关概念：截止高度角相关概念：截止高度角15 Maskx MaskSlide 21C:同步观测值消除同步观测值消除站间求差站间求差tropionjk

8、Nttc)(Slide 222 2）对流层折射影响及改正）对流层折射影响及改正对流层对流层：地面向上50km以下的大气层各种气体元素、水蒸气和尘埃等各种气象现象出现的地区非色（弥）散型介质影响因素：影响因素：大气压力、湿度、温度Slide 23利用模型改正 经验模型利用同步观测值求差 相对定位?减弱对流层影响的方法减弱对流层影响的方法Slide 24A 对流层折射改正方法对流层折射改正方法模型改正模型改正建立对流层折射和测站的气象元素，视线高度的关系248106 .776 .77TeTPNtrop对流层折对流层折射系数射系数温度温度水气水气压压气压气压Slide 25霍普菲尔德（霍普菲尔德（H

9、opfield）改正模型改正模型为水气压）（swsdswsswsdssdwdwdehThhheTKhhTPKEKEKsss1100016.27372.14840136)(4810102 .155)(102 .155)25. 2sin()25. 6sin(277212212Slide 26B 对流层折射改正方法对流层折射改正方法利用同步观测值 两测站距离较短 气象条件一致 相对定位Slide 27GPS在气象监测中的应用在气象监测中的应用常规方法：常规方法：气象监测基础资料之一就是无线电(气象)探空仪所传输的数据,它可以将当地主要的天气参数(气温、气压、湿度等)实时传输至地面,提供这些大气参数的

10、垂直分布数值。探空仪在一个台站上通常为每12小时升空一次;在整个中国施放探空仪的台站大体保持在千余个。水汽变化率高，且常常起决定性作用,因此水汽量测值在时空分辨率方面的不足常常是24小时天气预报失误的重要原因之一。Slide 28上海上海GPS气象网气象网投入运行的上海GPS气象服务网由分布在上海、安徽、浙江和江苏的14个GPS基准站组成，以上海为中心，覆盖整个长江三角洲地区，能全天候地提供长江三角洲地区的可降水汽量的变化信息。分辨率从现在的12小时采样一次提高到30分钟一次.站点分布也由目前的300公里以上下降到100公里左右。Slide 293）多路径效应）多路径效应Slide 30多路径

11、效应多路径效应多路径效应多路径效应被测站附近的反射物体所反射的信号（反射波）和直接来自卫星的信号（直接波）发射干涉，从而使观测值偏离正确的值Slide 31HAOGSSSzz2z多路径效应多路径效应zHzHzzHzzHzGAzGAGAOAGAsin42sin2)sin21 (1 (sin)2cos1 (sin)2cos1 (2cos2为：号的相位差反射信号相对于直接信为：号多经过的路径长度反射信号相对于直接信)cos()cos(tUStUSrd直接波：反射波：)cos(tUS接收信号cos1sinarctanaSlide 32多路径误差影响多路径误差影响多路径效应与以下一些因素有关多路径效应与

12、以下一些因素有关卫星、接收机、信号反射体三者间的相对位置反射信号的强度（信号反射体的反射率）接收机处理信号的方法影响特点影响特点随机误差复杂，可能受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Slide 33避免多路径效应的方法避免多路径效应的方法选择合适的站址选择合适的站址 远离大面积平静的水面 不宜选在山坡，山谷和盆地 离开高层建筑物 (与常规全站仪测量相比？)Slide 34天线天线接收机天线的改善接收机天线的改善 抑径圈和抑径板天线数据处理的发展数据处理的发展抗多路径效应的天线抗多路径效应的天线Slide 35练习题：说明下列误差的概念、消除方法练习题：说明下列误差的概念、消除

13、方法与卫星有关的误差与卫星有关的误差 卫星星历误差 卫星钟差 相对论效应与接收机设备有关的误差与接收机设备有关的误差 观测误差 位置误差 接收机钟差 天线相位中心的偏差 Slide 36第二节第二节 与卫星有关的误差（影响）与卫星有关的误差（影响）卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差卫星钟差卫星钟差相对论效应相对论效应Slide 371 1）卫星星历（轨道）误差）卫星星历（轨道）误差卫星星历卫星星历：描述卫星运动轨道的信息卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差 星历给出的位置和实际位置的差星历误差的量级星历误差的量级广播星历（预报星历）的精度 ( (无SA) SA) 5 57 7米 (

14、(有SA) SA) 100100米 精密星历（后处理星历）的精度优于5 5厘米Slide 38消除或削弱星历误差的方法消除或削弱星历误差的方法精密定轨精密定轨：针对预报星历轨道松驰轨道松驰：当作未知数相对定位相对定位Slide 392 2）卫星钟差）卫星钟差卫星钟差卫星钟差 卫星钟与GPS时间的偏差卫星钟差的影响卫星钟差的影响 1ms以内的钟差，引起的测距误差为300kmSlide 40消除或削弱卫星钟差的方法消除或削弱卫星钟差的方法消除方法消除方法 1、地面监控系统提供改正其中a0a0为toctoc时刻的时钟偏差，a1a1为钟的漂移，a2a2为老化率。 2、可以通过相对定位进一步消除2210

15、)()(ococsttattaatSlide 413 3）相对论效应）相对论效应什么是相对论效应什么是相对论效应由于卫星和接收机所在的位置的地球引力位不同，以及卫星和接收机在惯性空间中的运动速度不同，导致卫星钟的频率产生视漂移综合影响综合影响：应对方法：应对方法： 制造卫星钟时预先降低它的频率f=0.00455Hz02212fcVfs022fcWf广义相对论效应广义相对论效应：不同的重力位狭义相对论效应狭义相对论效应：不同的运动速度频率变快频率变快频率变慢频率变慢Slide 42第三节第三节 与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差观测误差观测误差位置误差位置误差接收机钟差接收机钟差天线相位中

16、心偏差和变化天线相位中心偏差和变化不同信号通道间的信号延迟偏差不同信号通道间的信号延迟偏差Slide 431、观测误差、观测误差分辨误差一般认为约为信号波长的1% 10% 。信号信号波长波长观测误差观测误差P码码29.3m0.3mC/A码码293m2.9m载波载波L119.05cm2.0mm载波载波L224.45cm2.5mmSlide 442 2、位置误差、位置误差观测：天线位置定位：地面位置归算需要 对中，整平，量高Slide 453 3、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，日频率稳定度约为10-11，接收机钟与理想的GPSGPS时之间存在的偏差和漂移。

17、应对方法参数法差分法 星间差分2210)()(ococsttattaatSlide 464 4、天线相位中心偏差和变化、天线相位中心偏差和变化 北 几何中心 平均相位中心 GPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致。随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，同时与天线的质量有关，可达数毫米至数厘米。Slide 47（四）其它误差（因素）（四）其它误差（因素）地球潮汐固体潮负荷潮海洋负荷潮大气负荷潮软件固体潮和负荷潮引起的测站位移约固体潮和负荷潮引起的测站位移约80cm80cm，从而使不同时间的测量结果互不一致从而使不同时间的测量结果互

18、不一致Slide 48GPS的数据处理软件的数据处理软件vGPS科学分析软件有： 瑞士伯尔尼大学的Bernes、 美国麻省理工学院的Gamit、 JPL的Gipsy， 加拿大新不伦瑞克大学的Dipop等，v商用软件有： TGO、SKI-Pro、Solution、Pinnacle等Slide 49练习题练习题1 1、电离层折射的影响白天比晚上、电离层折射的影响白天比晚上 ，冬天比夏天，冬天比夏天 ；2 2、GPSGPS定位观测的精度主要取决于观测卫星的空间图形结构。对定位观测的精度主要取决于观测卫星的空间图形结构。对吗？吗？ _ _ 。3 3、 GPSGPS接收机的测站点应远离水域接收机的测站点应远离水域, ,以免较大的以免较大的 误差的影响。误差的影响。4 4、电磁波的频率越、电磁波的频率越 ，电离层折射的影响大；，电离层折射的影响大；5 5、卫星的高度角越、卫星的高度角越 ，对流层折射的影响越大。，对流层折射的影响越大。 6 6、接收机的高度应高于观测者的身高。这句话