GPS測量的主要誤差來源及其影響(精)

1、第五章GPSGPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來源及影響第五章 GPSGPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來源及影響了解衛(wèi)星星歷誤差，衛(wèi)星鐘差及相對論 效應。理解接收機鐘誤差，相位中心位臵誤差的產(chǎn)生與消減方法。掌握電離層折 射誤差、對流層折射誤差、多路徑誤差的產(chǎn)生與消減方法。第五章 GPSGPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來源及影響第一節(jié) GPSGPS 定位的誤差概述第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差第四節(jié)接收設備誤差第五節(jié)衛(wèi)星幾何圖形強度 3 3第一節(jié) GPSGPS 定位的誤差概述 4 4第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差一、衛(wèi)星星歷誤差二、衛(wèi)星鐘差三、相對論效應GPSGPS 衛(wèi)星的發(fā)射第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差一、衛(wèi)星星歷誤差

2、1 1 星歷來源2 2星歷誤差對定位的影響3 3減弱星歷誤差影響的途徑GPSGPS 衛(wèi)星工作星座第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差1 1 星歷來源衛(wèi)星星歷誤差某一瞬間的衛(wèi)星位臵，是由衛(wèi)星星歷提供的，衛(wèi)星星歷誤差就是衛(wèi)星位臵的確定 誤差。星歷誤差來源其大小主要取決于衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)量及空間分布、觀測值的數(shù)量及精度、軌道計 算時所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度。第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差1 1 星歷來源星歷(1) 廣播星歷(2)實測星歷廣播星歷根據(jù)美國 GPSGPS 控制中心跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)進行外推， 通過GPSGPS 衛(wèi)星發(fā)播的一種預報星歷。實測星歷根據(jù)實測資料進行擬合處理而直接得出的星歷。二 I I7 7第二

3、節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差2.2.星歷誤差對定位的影響單點定位星歷誤差的徑向分量作為等價測距誤差進入平差計算，配賦到星站坐標和接收機 鐘差改正數(shù)中去，具體配賦方式則與衛(wèi)星的幾何圖形有關。8 8第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差2 2.星歷誤差對定位的影響相對定位利用兩站的同步觀測資料進行相對定位時，由于星歷誤差對兩站的影響具有很強 的相關性，所以在求坐標差時，共同的影響可自行消去，從而獲得高精度的相對 坐標。第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差2.2. 星歷誤差對定位的影響根據(jù)一次觀測的結果，可以導出星歷誤差對定位影響的估算式為：基線長；dbdb 衛(wèi)星星歷誤差所引起的基線誤差；p p 衛(wèi)星至測站的距離；dsds 星歷 誤差；d

4、sds衛(wèi)星星歷的相對誤差。第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差3.3. 減弱星歷誤差影響的途徑(1) 建立自己的 GPSGPS 衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨立定軌(2) 相對定位(3) 軌道松弛法9 9第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差二、 衛(wèi)星鐘的鐘誤差衛(wèi)星鐘采用的是 GPSGPS 時， 但盡管 GPSGPS 衛(wèi)星均設有高精度的 原子鐘(銣鐘和銫鐘)，它們與理想的 GPSGPS 時之間仍存在著難以避免的頻率偏差 或頻率漂移, ,也包含鐘的隨機誤差。這些偏差總量在 1ms1ms 以內(nèi)，由此引起的等效距 離可達 300km300km。1111第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差衛(wèi)星鐘差的改正衛(wèi)星鐘差可通過下式得到改正：isis Li

5、ULiU al(tal(t 10)10) a2(a2( lU)2lU)21111第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差經(jīng)上述鐘差改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差可保持在20ns20ns 以內(nèi)，由此引起的等效距離偏差不超過 6m6m。衛(wèi)星鐘差或經(jīng)改正后的殘差， 在相對定位中可通過差分法在一次求差中得到消除。第二節(jié)與衛(wèi)星有關的誤差三、相對論效應相對論效應是由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)不同而引起的衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產(chǎn)生相對鐘差的現(xiàn)象。狹義相對論觀點一一一個頻率為 f0f0 的振蕩器安裝飛行速度為 v v 的載體上，由于載 體的運動，對地面觀測者來說將產(chǎn)生頻率變化。1212第二節(jié)三、相對論效應廣義相對論觀點 處于不同

6、等位面的振蕩器， 其頻率將由于引力位不同而發(fā)生 變化。相對論效應的影響并非常數(shù)，經(jīng)改正后仍有殘差，它對GPSGPS 時的影響最大可達 70ns,70ns,對精密定位仍不可忽略。第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差一、電離層折射二、對流層折射三、多路徑誤差1313第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差一、電離層折射1 1 電離層及其影響電離層一一地球上空大氣圈的上層，距離地面高度在 501000km501000km 之間的大氣層。當 GPGPS S信號通過電離層時，信號的傳播路徑會發(fā)生彎曲，使其傳播速度發(fā)生變 化，由此產(chǎn)生的距離差對測量的精度影響較大，必須采取有效措施削弱其影響。1515第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差1 1 電離層及

7、其影響應該明確，電離層中的相對折射率與群折射率是不同的。碼相位測量和載波相位 測量應分別采用群折射率和相折射率。所以，載波相位測量時的電離層折射改正 數(shù)和偽距測量時的改正數(shù)是不同的，兩者大小相等，符號相反。第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差2 2、減弱電離層影響的有效措施(1 1)相對定位：利用兩臺或多臺接收機對同一組衛(wèi)星的同步觀測值求差時可以 有效地減弱電離層折射的影響，即使不對電離層折射進行改正，對基線成果的影 響一般也不-6-6 會超過 1 1 X10X10o1616第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差2 2 減弱電離層影響的有效措施(2 2)雙頻接收：如分別用兩個已知頻率 flfl 和 f2f2 發(fā)射衛(wèi)星信號，

8、則兩個不同頻率 的信號就會沿同一路徑到達接收機。公式中積分值雖然無法計算，但對兩個頻率 的信號卻是相同的。第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差二、對流層折射、對流層及其影響、減弱對流層影響的措施j j、用霍普非爾德公式進行對流層折射改正1717第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差1 1、 對流層及其影響對流層是高度為 50km50km 以下的大氣層，由于離地面更近，其大氣密度比電離層更 大，大氣狀態(tài)變化更復雜。對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨 高度的上升而降低。對流層中雖有少量帶電離子，但對電磁波傳播影響不大。1818第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差2 2、 減弱對流層影響的措施用改正模型進行對流層改正利用同步觀測值

9、求差2020第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差2 2、減弱對流層影響的措施用改正模型進行對流層改正 該方法設備簡單，方法易行，但由于水氣在空間的分布不均勻，不同時間、不同 地點水氣含量相差甚遠，用通一模型很難準確描述，所以，對流層改正的濕氣部 分精度較低，只能將濕分量消去 80%90%80%90%。2121第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差2 2、減弱對流層影響的措施利用同步觀測值求差與電離層的影響類型相似，當兩觀測站相距不太遠時(例如20km20km)，由于信號通過對流層的路徑大體相同，所以，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯地 減弱對流層折射的影響。這一方法在精密相對定位中被廣泛應用。2222第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播

10、誤差2 2、減弱對流層影響的措施利用同步觀測值求差不過，隨著同步觀測站之間距離的增大，大氣狀況的相關性減弱，當距離50100km50100km 時，對流層折射的影響就成為制約 GPSGPS 定位精度提高的重要因素。 第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差三、多路徑誤差多路徑是指衛(wèi)星信號通過多個不同路徑傳到接收到衛(wèi)星信號的同時，還可能收到 經(jīng)天線周圍地物反射的衛(wèi)星信號，多種信號疊加就會引起測量參考點（相對中 心）的位臵變化，這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應稱為多路徑 效應。直接信號反射物2323第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差三、多路徑誤差多路徑誤差不僅與反射系數(shù)有關，也和反射物離測站的距離及衛(wèi)星信號方向有

11、關，無法建立準確的誤差改正模型，只能恰當?shù)剡x擇站址，避開信號反射物。2424第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差三、多路徑誤差例如：1選設點位時應遠離大面積平靜的水面，較好的站址可選在地面有草叢、農(nóng)作物 等植被能較好吸收微波信號的能量的地方；2測站附近不應有高層建筑物，觀測時測站附近也不要停放汽車；3測站不宜選在山坡、山谷和盆地中。 第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度一、接收機鐘誤差二、天線相位中心位臵誤差三、等效距離誤差四、幾何圖形強度2525第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度一、接收機鐘誤差在 GPSGPS 測量時，為了保證隨時導航定位的需要，衛(wèi)星鐘必須具有極好的長期穩(wěn)定 度。而接收機鐘則只需要在一次定位的期間

12、內(nèi)保持穩(wěn)定，所以，一般使用短期穩(wěn) 定交好、便宜輕便的石英鐘，其穩(wěn)定度約為10-1010-10。如果接收機鐘與衛(wèi)星鐘間的同步差為 1 1 卩則由此引起的等效距離差約為 300m300m。2626第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度 一、接收機鐘誤差減弱接收機鐘差比較有效的方法是：把每個觀測時刻的接收機鐘差當作一個獨立 的未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中與觀測站的位臵參數(shù)一并求解。偽距測量的數(shù)據(jù)處理就 是根據(jù)這一原理進行的。第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度一、接收機鐘誤差在靜態(tài)絕對定位中，可以認為各觀測時刻的接收機鐘差是相關的，設法建立一個 鐘誤差模型，在平差計算中求解多項式系數(shù)。不過接收機鐘的穩(wěn)定性較差，鐘差 模型

13、不易反映真實情況，難以充分消除其誤差影響。此外，還可以通過在衛(wèi)星間求一次差來削弱接收機鐘差的影響。2727第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度二、天線相位中心位臵誤差在 GPSGPS 測量中，觀測值都是以接收 機天線的相位中心位臵為準的，所以天線的相位中心該與其幾何中心保持一致。 但實際天線的相位中心位臵隨信號輸入的強度和方向不同會發(fā)生變化，使其偏離 幾何中心。這種偏差視天線性能的好壞可達數(shù)毫米至數(shù)厘米，對精密相對定位也 是不容忽視的。天寶 4800GPS4800GPS 結構圖2828第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度二、天線相位中心位臵誤差實際工作中如果使用同一類型天線，在相距不遠的兩個或多個測站同步

14、觀測同一 組衛(wèi)星，可以通過觀測值求差來減弱相位中心偏移的影響。不過這時各測站的天 線均應按天線附有的方位標志進行定向，根據(jù)儀器說明書的要求，羅盤指向磁北 極，其定向偏差應在 3o3o 以內(nèi)。2929第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度三、等效距離誤差等效距離誤差一一各項誤差投影到測站至衛(wèi)星方向的具體數(shù)值。如果認為各項誤 差之間相互獨立，就可以求出總的等效距離誤差，并用表示。從而就可以作 GPSGPS 定位時衡量觀測精度的客觀標準。3030第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度GPSGPS 定位的精度除了取決于等效距離誤差 cOcO 以外，還取決于空間后方交會的幾 何圖形強度。3131第四節(jié)：

15、接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度GPSGPS 星座與測站所構成的幾何圖形不同，權系數(shù)的數(shù)值亦不同，此時，即使相同 精度的觀測值所求得的電位精度也會相同。為此需要研究衛(wèi)星星座幾何圖形與定 位精度的關系。通常用圖形強度因子 DOPDOP 來表示幾何圖形強度，其定義是 第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度ITIXDOPDOP 0 0 式中（T T 0 0 效距離的標準差 mxmx 某定位元素的標準差DOPDOP實際是權系數(shù)陣中主對角 線元素的函數(shù)3232第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度 圖形強度因子是一個直接影響定位精度、但又獨立于觀測值和其他誤差之外的一 個量。其值恒

16、大于 1 1,最大值 1 1,其大小隨時間和測站位臵而變化。在 GPGPS S測量 中，希望 DOPDOP 值越小越好。第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度在實際工作中，常根據(jù)不同的要求采用不同的評價模型和相應的圖形強度因子。1平面位臵圖形強度因子 HDOPHDOP 及其相應的平面位臵精度HDOP33第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度2高程圖形強度因子 VDOPVDOP 及相應的高程精度VDOPmVVDOP03434第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度3空間位臵的圖形強度因子 PDOPPDOP 及其相應的三維定位精度PDOPniPPDOP03535第四節(jié)：接收設

17、備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度4接收機鐘差圖形強度因子 TDOPTDOP 及其鐘差精度TDOP ml TDOP 03636第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度5幾何圖形強度因子 GDOPGDOP 及其三維坐標和時間誤差的綜合影響GDOP mG GDOP 0第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度如果測站與 4 4 顆衛(wèi)星構成一個六面體時，圖形強度因子 GDOPGDOP 與該六面體體積成 反比。意味著所測衛(wèi)星在空間分布越大，六面體的體積越大， GDOPGDOP 值越小，圖 形越堅強，定位精度越高。第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度衛(wèi)星的分布與 GDOPGDOPGDO

18、PGDOP 良好3737第四節(jié)：接收設備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度衛(wèi)星的分布與 GDOPGDOPGDOPGDOP 較差3838第五節(jié)整周跳變分析與整周未知數(shù)的確定一、整周跳變分析1 1 整周跳變及其發(fā)生整周跳變（周跳）一在定位工作中可能由于衛(wèi)星信號被暫時阻擋，或受到外界干 擾影響，引起衛(wèi)星跟蹤的暫時中斷，使計數(shù)器無法累積計數(shù)，出現(xiàn)信號失鎖。 第五節(jié)整周跳變分析與整周未知數(shù)的確定一、整周跳變分析2 2.整周跳變的檢驗和修正利用高次插值公式外推觀測值的正確整周計數(shù)，或者根據(jù)相鄰的幾個正確相位觀 測量，采用 n n 階多項式擬合的方法來推求整周計數(shù)的正確性，從而發(fā)現(xiàn)周跳并修 正整周計數(shù)。第五節(jié)整周跳變分析與整周未知數(shù)的確定二、整周未知數(shù) NONO 的確定1 1 經(jīng)典靜態(tài)相對定位法(1)整數(shù)解；(2 2)實數(shù)解。2 2.動態(tài)”測量法3 3 交換天線法第五節(jié)整周跳變分析與整周未知數(shù)的確定二、整周未知數(shù) NONO 的確定4 4 快速確定整周未知數(shù)法(1) 對所有觀測值作周跳修正，解算基線向量和整周未知數(shù)向量(實數(shù)解)以 及相應的協(xié)因數(shù)陣