第五章GPS测量的误差来源

第五章

GPS测量的误差来源1.为什么讲误差？2.GPS定位中有哪些误差？3.GPS测量误差的影响和消除或减弱的方法？为什么讲误差？卫星定位基础卫星信号提供的定位信息：卫星位置卫地距离接收机接收信号，获得观测值进行定位研究误差的目的提高定位精度消除误差才能确定整周模糊度为使GPS提供一些注意事项提出精密定位的方法主要内容5.1GPS测量主要误差分类5.2与信号传播有关的误差5.3与卫星有关的误差5.4与接收机有关的误差5.5其他误差5.1

GPS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：

与信号传播有关的误差与卫星有关的误差与接收机有关的误差其他误差5.1.1根据误差来源分类

与信号传播有关的误差

与卫星有关的误差

与接收机有关的误差

其他误差电离层折射，对流层折射，多路径误差

卫星星历误差，卫星钟误差，相对论效应观测误差，接收机钟误差，接收机的位置误差，天线相位中心位置的偏差地球自转，地球固体潮汐、负荷潮，卫星几何结构，解算软件对距离测量的影响为1.5～15米对距离测量的影响为1.5～15米对距离测量的影响为1.5～5米对距离测量的影响为1.0米5.1.2根据误差性质分类

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：多路径效应

粗差：位置误差两者的区别及其影响程度

●参数法

●建立误差改正模型

●求差法

●回避法5.1.3消除减弱上述系统误差的方法5.2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

大气折射？

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。5.2.1对流层折射改正1.对流层及其影响对流层:是指从地面向上高度为40km以下的大气底层。对流层的性质：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，天顶方向可达2～3m，高度角为10度时,其影响可达20m。2.对流层折射改正模型通常，将对流层折射分为：

湿分量：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和高度有关。干分量：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

80%～90%，比较有规律，在天顶方向可以

1%的精度估计；主要对流层模型：（1）霍普菲尔德（Hopfield）模型（2）萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型

（3）勃兰克（Black）公式

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：天定方向干分量天定方向湿分量与高度角有关的映射函数3.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）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。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）。对流层折射对伪距测量和载波相位测量的影响相同。结论：1.电离层电离层：是指地球上空距地面高度50～1000km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对流层折射改正电离层的折射率与大气的电子密度成正比，而与通过的电磁波频率的平方成反比。2.电离层的影响电离层折射载波伪距3.电离层折射对测距观测值的影响伪距载波传播距离测量距离电子总量4.减弱电离层折射影响的措施1）利用双频观测2）利用电离层改正模型加以改正3）利用同步观测值求差1）利用双频观测利用双频观测

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。3）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。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，符号相反。结论：多路径效应？多路径误差？5.2.3

多路径效应误差1.定义2.产生多路劲效应的因素及影响特点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反射信号的强度接收机处理信号的方法影响特点随机误差复杂，可能受到多个反射波干涉产生消除其他误差之后，成为重要的误差源多路径干扰引起的载波相位误差，可表示为3.对定位结果的影响反射信号对直接信号的相移反射率当θ=±arccos(-a)时φ达到最大值±arcsina当a=1时φ=90°对L1载波，相当于4.8cm的距离误差对L2载波，相当于6.1cm的距离误差

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。4.消除多路径误差的方法

较为有效的方法是恰当选择站址，注意避免信号反射物。1）选站时应避免临近有大面积的平静的水面。2)测站不宜选择在山坡上。3)测站周围不宜有高层建筑物。对接收机的要求在天线下设抑径板或抑径圈

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。5.3与卫星有关的误差

卫星星历误差卫星钟误差相对论效应等。5.3.1卫星星历误差1.卫星星历Y升交点赤经Ω轨道倾角i近地点角距

真近点角Vf轨道长半轴a

近地点赤道平面轨道偏心率升交点

Ω卫星rXωZiVfb2.卫星星历误差由星历计算的卫星位置与其实际位置之差。3.星历来源（1）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）实测星历根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。4.星历误差对定位的影响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（1）对单点定位的影响：:为卫星星历引起的:为星站之间的距离;的误差;（2）对相对定位的影响：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：b—基线长db—由于星历误差引起的基线误差ds—星历误差

—站星距离下表中列出了不同星历精度对不同长度基线的影响，表中取ρ=20000km。5.消弱星历误差的方法1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨2）轨道松驰法

短弧法

半短弧法3）同步观测值法5.3.2卫星钟误差1.卫星钟差卫星钟与GPS标准时之间的偏差2.卫星钟差1ms以内的钟差，引起的等效距离误差可达300km3.卫星钟差的改正方法地面监控系统提供改正系数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）。通过求差的方法进一步进行消弱

1.相对论效应

状态——钟频——钟差5.3.3相对论效应

2.相对论效应的影响

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：

3.应对方法

制造卫星钟时预先降低其频率5.4与接收机有关的误差

观测误差

接收机钟误差

天线相位中心位置误差

接收机位置误差

天线高量取误差5.4.1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.分辨率误差2.位置误差观测：天线位置定位：地面位置归算需要：整平、对中、量高3.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5.4.2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：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。1.天线相位中心5.4.3天线相位中心位置误差2.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实际相位中心

3.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。

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。5.5其它误差

5.5.1地球自转的影响

当卫星信号传播到观测站时，而与地球相固联的协议地球坐标系相对的卫星的上述瞬时位置已产生了旋转（绕Z轴）。5.5.2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致，在高精度相对定位中应考虑其影响。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：电离层双频改正模型残差约为总量的1%左右或更小。效果一般：对流层折射改正公式残差为总量的5-10%左右效果较差：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%。

2.求差法

3.选择较好的硬件和较好的观测条件

有的误差，如多路径误差，既不能采用求差的方法来解决也无法建立改正模型，削弱它的唯一办法是选用较好的天线，仔细选择测站，远离反射物和干扰源。各种误差对伪距测量和载波相位测量的影响程度：影响相同的误差有：1、与卫星有关的误差：卫星星历误差、卫星钟误差、相对论效应。2、对流层折射3、接收机的钟误差、位置误差、影响不同的有：1、电离层折射影响：大小相同、方向相反。2、多路径效应：对伪距的影响较为严重。思考题1、GPS测量中的误差分为哪几类？2、什么叫星历误差？它有何影响规律？可采用哪些方法削弱？3、卫星钟误差的改正模型是什么？削弱其影响的方法主要是什么？4、相对论效应是如何克服的？5、什么叫大气折射？两测站同步观测值求差或采用双频组合