GPS自主学习课件第七章

GPS原理及其应用

长春师范学院城市与环境科学学院第七章GPS测量的误差来源及其影响

§7.1GPS测量主要误差分类

§7.2与信号传播有关的误差

§7.3与卫星有关的误差

§7.4与接收机有关的误差

§7.5其他误差7.1GPS测量主要误差分类误差来源对距离测量的影响(m)卫星部分1、星历误差；2、钟误差；3、相对论效应1.5～15信号传播1、电离层；2、对流层；3、多路径效应1.5～15信号接收1、钟的误差；2、位置误差；3、天线相位中心变化1.5～5其他影响1、地球潮汐；2、负荷潮1.0GPS测量的误差来源及其影响

>GPS测量主要误差分类GPS测量的误差来源及其影响

>GPS测量主要误差分类按误差性质可分为：系统误差偶然误差信号的多路径效应星历误差、卫星钟差、接收机钟差大气折射的误差GPS测量的主要误差7.2与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差有电离层折射误差、对流层折射误差及多路径效应误差。GPS测量的误差来源及其影响

>与信号传播有关的误差7.2.1电离层折射1.电离层及其影响所谓电离层，指地球上空距地面高度在50～1000km之间的大气层。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。所以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。GPS测量的误差来源及其影响

>与信号传播有关的误差理论证明，电离层的群折射率为：因而群速为：式中，GPS测量的误差来源及其影响

>与信号传播有关的误差若伪距测量中测得信号的传播时间为Δt，那么卫星至接收机的真正距离S为GPS测量的误差来源及其影响

>与信号传播有关的误差电离层改正的大小取决于电子总量和信号频率。载波相位测量时的电离层折射改正和伪距测量时的改正数大小相同，符号相反。对于GPS信号来讲，这种距离改正在天顶方向最大可达50m，在接近地平方向时可达150m，因此必须仔细地加以改正，否则会严重损害观测值的精度。GPS测量的误差来源及其影响

>与信号传播有关的误差2.减弱电离层影响的措施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

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>与信号传播有关的误差2.减弱电离层影响的措施（1）利用双频观测由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频率的电磁波信号进行观测。便能多确定其影响，而对观测量加以修正。（2）利用电离层改正数模型加以修正对于单频GPS接收机，为了减弱电离层的影响，一般是采用导航电文提供的电离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率约为75％。改进模型的精度均优于2mm。（3）利用同步观测值求差这一方法是利用两台或多台接收机，对同一卫星的同步观测求差，以减弱电离层折射的影响，尤其当观测站间的距离较近时（<20km），由于卫星信号到达各观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差，便可显著的减弱电离层折射影响，其残差将不会超过1ppm。对于单频GPS接收机而言，这种方法的重要意义尤为明显。7.2.2对流层折射1、对流层及其影响对流层是高度为40km以下的大气底层，其大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂。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，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。GPS测量的误差来源及其影响

>与信号传播有关的误差GPS测量的误差来源及其影响

>与信号传播有关的误差2.对流层折射的改正模型

1）霍普菲尔德（Hopfield）公式

2）萨斯塔莫宁（Saastamoinen）公式

3）勃兰克（Black）公式3.减弱对流层折射改正残差影响的主要措施1）采用上述对流层模型加以改正。2）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。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。GPS测量的误差来源及其影响

>与信号传播有关的误差7.2.3多路径误差GPS测量的误差来源及其影响

>与信号传播有关的误差在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”。GPS测量的误差来源及其影响

>与信号传播有关的误差消弱多路径误差的方法1）选择合适的站址

a、测站应远离大面积平静地水面

b、测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中

c、测站应离开高层建筑物2）对接收机天线的要求

a、在天线中设置仰径板

b、接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。

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>与信号传播有关的误差7.3.1卫星星历误差有星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差。

1.星历数据来源

1）广播星历是卫星电文中携带的主要信息。

2）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。

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>与卫星有关的误差2.星历误差对定位的影响

1）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、甚至上百米。2）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。

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>与卫星有关的误差3.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GPS测量的误差来源及其影响

>与卫星有关的误差7.3.3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。在GPS测量中，无论是码相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟和接收机保持严格同步。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。GPS测量的误差来源及其影响

>与卫星有关的误差7.3.3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）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。

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>与卫星有关的误差7.4与接收机有关的误差

与接收机有关的误差主要有接收机钟差、接收机位置误差、天线相位中心位置误差以及几何图形强度误差等。GPS测量的误差来源及其影响

>与接收机有关的误差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10－9。若接收机钟与卫星种间的同步差为1μs，则由此引起的等效距离误差约为300m。

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>与接收机有关的误差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。这种方法可以大大减少未知数个数，该方法成功与否得关键在于钟误差模型的有效程度。通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。此法和（1）是等价的。GPS测量的误差来源及其影响

>与接收机有关的误差7.4.2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。GPS测量的误差来源及其影响

>与接收机有关的误差7.3.2天线相位中心位置的偏差在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，而天线的相位中心与其几何中心，在理论上应保持一致。可是实际上天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即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。

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>与接收机有关的误差GPS测量的误差来源及其影响

>与接收机有关的误差7.3.