GPS测量原理及应用：第七章 GPS测量的误差来源及其影响

1、2022/7/291GPS测量原理及应用2022/7/292测量结果的误差主要来源于: GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在高精度的GPS测量中（如地球动力学研究），还应注意到与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等地影响。 2022/7/29环境与规划学院32022/7/29环境与规划学院4系统误差 偶然误差2022/7/29环境与规划学院5偶然误差: 信号的多路径效应;系统误差: 卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。 系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性都比偶然误差要大得多，它是GPS测量的主要误差源。同时系统误差有一定的规律可循，可采

2、取一定的措施加以消除。2022/7/29环境与规划学院67.2与信号传播有关的误差 电离层折射误差 对流层折射误差 多路径效应误差2022/7/29环境与规划学院77.2.1.电离层折射 当GPS信号通过电离层时，如同其它电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。 2022/7/29环境与规划学院8电离层折射2022/7/29环境与规划学院97.2.1.电离层折射由于电离的原动力来自太阳，电离层的电子密度白天约为夜间的5倍；在一年中，冬季为夏季的4倍；太阳黑子活动最激烈时可为最

3、小时的4倍。对于GPS信号来讲，这种距离差在天顶方向最大可达50m，在接近地平方向时(高度角为20o)可达150m。2022/7/29环境与规划学院107.2.1.电离层折射2022/7/29环境与规划学院117.2.1.电离层折射2022/7/29环境与规划学院12求电离层折射改正数的关键在于求电子密度Ne。可是电子密度随着距离地面的高度、时间变化、太阳活动程度、季节不同、测站位置等多种因素而变化。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，也不可能用式直接求出电离层折射改正数的确切数值。7.2.1.电离层折射2022/7/29环境与规划学院132.减弱电离层影响的措施

4、利用双频观测；利用电离层改正模型加以改正；利用同步观测值求差 。7.2.1.电离层折射2022/7/29环境与规划学院141）利用双频观测2022/7/29环境与规划学院151）利用双频观测2022/7/29环境与规划学院161）利用双频观测2022/7/29环境与规划学院17 2)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，可有效地减弱电离层折射的影响，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能达几厘米。为了满足更高精度GPS测量的需要，Fritzk、Brunner等人提出了电离层延迟改正模型。该模型考虑了折射率n中的高阶项影响以及

5、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型的精度均优于2mm。2022/7/29环境与规划学院187.2.1.电离层折射2022/7/29环境与规划学院19 2)利用电离层改正模型加以修正 2022/7/29环境与规划学院202022/7/29环境与规划学院212022/7/29环境与规划学院22 2)利用电离层改正模型加以修正 模型基本上是一种经验估算公式。加之全球统一采用一组系数，因而这种模型只能大体上反映全球的平均状况，与各地的实际情况必然会有一定的差异。实测资料表明，采用上述改正模型大体上可消除电离层折射的75左右。2022/7/29环境与规

6、划学院23 3)利用同步观测值求差 用两台接收机在基两端进行同步观测并取其观测量之差，可以减弱电离层折射的影响。这种方法对于短基线(例如小于20km)的效果尤为明显，这时经电离层折射改正后基线长度的残差一般为1ppm。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。不过，随着基线长度的增加，其精度随之明显降低。2022/7/29环境与规划学院242022/7/29环境与规划学院257.2.2对流层折射 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，GPS信号通过对流层时，也使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，这种现象叫做对流层折射。 2

7、022/7/29环境与规划学院262022/7/29环境与规划学院277.2.2对流层折射 对流层的折射与地面气候、大气压力、温度和湿度变化密切相关。 天气现象：风、雨、云、雾、雪； 各种气体元素、水滴、冰晶、尘埃。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90O)，其影响达2.3m；当在地面方向(高度角为10O)，其影响可达20m。2022/7/29环境与规划学院287.2.2对流层折射 对流层折射的改正模型霍普菲尔德（Hopfield）公式萨斯塔莫宁（Saastamoinen）公式 勃兰克（Black）公式 目前采用的各种对流层模型，难以将对流层的影响减少至9295。202

8、2/7/29环境与规划学院29w2022/7/2930减弱对流层折射改正残差影响的主要措施: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。引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得。利用同步观测量求差。利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。2022/7/29317.2.3多路径误差 在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射得卫星信号（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“多路径效应”。 2022/7/2932多路径效应2022/7/29332022/7/2934L1载波相位测量中多路径效应误差最大值为4.8c

9、m,对L2载波为6.1cm伪距测量比载波相位测量的影响要严重得多。多路径误差对P码最大可达10m以上.2022/7/2935消弱多路径误差的方法: 1）选择合适的站址 测站应远离大面积平静地水面;测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中; 测站应离开高层建筑物 .2022/7/29362）对接收机天线的要求 2022/7/29377.3与卫星有关的误差7.3.1.卫星星历误差1.星历数据来源 广播星历：是卫星电文中携带的主要信息。 实测星历：它是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。2022/7/29382.星历误差对定位的影响对单点定位的影响广播星历误差对测站坐标的影响一般可达数米、数十米、甚至

10、上百米。2022/7/2939 对相对定位的影响 相对定位时，因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，从而获得精度很高的相对坐标。2022/7/29402022/7/29413.解决星历误差的方法: 1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨; 2）轨道松驰法; 3）同步观测值法. 2022/7/2942轨道松驰法:在平差模型中把卫星星历给出的卫星轨道视为初始值，将其改正数作为未知数，通过平差求得测站位置及轨道改正数。这种方法不适用于范围较小的测区。数据处理相当复杂，工作量大为增加，不宜在作业单位普遍推广，只适用于无法获取精密星历而采取的补救措施.2022/7/2

11、943同步观测值求差 利用在两个或多个观测站上，对同一卫星的同步观测值求差。因为星历误差对相距不太远的两个测站的影响基本相同，所以对于确定两个测站之间的相对位置，可以减弱卫星星历误差的影响。2022/7/29447.3.2卫星钟的钟误差卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。 经改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，由此引起的等效距离偏差不会超过6m，卫星钟差和经改正后的残余误差，则需采用在接收机间求一次差等方法来进一步消除它。 2022/7/29457.3.3相对论效应 相对论效应:是由于卫星钟和接收机钟所处的运动状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星

12、钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。 2022/7/29462022/7/29477.4与接受机有关的误差 7.4.1接收机钟误差 GPS接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度约为109。若接收机钟与卫星种间的同步差为1us，则由此引起的等效距离误差约为300m。2022/7/29487.4.1减弱接收机钟差的方法：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置参数一并求解。认为各观测时刻的接收机钟差当作间是相关的，像卫星钟那样，将接收机钟差表示为时间多项式，并在观测量的平差计算中求解多项式的系数。通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。2022/7/29497.

13、4.2 接收机的位置误差 接收机天线相位中心相对观测标石中心位置的误差，叫接收机位置误差。 如当天线高度为1.6m时，置平误差为0.1O时，可能会产生对中误差3mm。在精密定位时，必须仔细操作，以尽量减少这种误差的影响。在变形监测中，应采用有强制对中装置的观测墩.2022/7/29507.4.3天线相位中心位置的偏差 观测时相位中心的瞬时位置（一般称相位中心）与理论上的相位中心将有所不同，这种差别叫天线相位中心的位置偏移。这种偏差的影响，可达数毫米至数厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。2022/7/29517.5其他误差7.5.1地球自转的误差2022/7/29527.5.2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引力作用下，固体地球要产生周期性的弹性形变，称为固体潮。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，称为负荷潮汐。固体潮和负荷潮引起的测站位移可达80cm，使不同时间的测量结果互不一