GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及其影響

第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第一節(jié)：GPS測(cè)量主要誤差分類其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差第三節(jié)：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差第四節(jié)：與接收機(jī)有關(guān)的誤差第五節(jié)：其他誤差GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)內(nèi)容第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響學(xué)習(xí)目的:了解衛(wèi)星星歷誤差，衛(wèi)星鐘差及相對(duì)論效應(yīng)。理解接收機(jī)鐘誤差，相位中心位置誤差的產(chǎn)生與消減方法。駕馭電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差、多路徑誤差的產(chǎn)生與消減方法。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響學(xué)習(xí)內(nèi)容:一、GPS定位的誤差概述二、與衛(wèi)星有關(guān)的誤差三、衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差四、接收設(shè)備誤差五、衛(wèi)星幾何圖形強(qiáng)度GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第一節(jié)：GPS測(cè)量主要誤差分類GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響誤差來(lái)源誤差分類GPS衛(wèi)星①衛(wèi)星星歷誤差；②衛(wèi)星鐘誤差；③相對(duì)論效應(yīng)信號(hào)傳播①電離層折射誤差；②對(duì)流層折射誤差；③多路徑效應(yīng)接收設(shè)備①接收機(jī)鐘誤差；②接收機(jī)位置誤差；③天線相位中心變化其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響電離層折射對(duì)流層折射多路徑誤差其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差一、電離層折射1、電離層及其影響電離層——地球上空大氣圈的上層，距離地面高度在50～1000km之間的大氣層。當(dāng)GPS信號(hào)通過電離層時(shí)，信號(hào)的傳播路徑會(huì)發(fā)生彎曲，其傳播速度也會(huì)發(fā)生變更，由此產(chǎn)生的距離差對(duì)測(cè)量的精度影響較大，必需實(shí)行有效措施減弱其影響。

GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差應(yīng)當(dāng)明確，電離層中的相對(duì)折射率與群折射率是不同的。碼相位測(cè)量和載波相位測(cè)量應(yīng)分別接受群折射率和相對(duì)折射率。所以，載波相位測(cè)量時(shí)的電離層折射改正數(shù)和偽距測(cè)量時(shí)的改正數(shù)是不同的，兩者大小相等，符號(hào)相反。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差2、減弱電離層影響的有效措施（1）雙頻接收：如分別用兩個(gè)已知頻率f1和f2放射衛(wèi)星信號(hào)，則兩個(gè)不同頻率的信號(hào)就會(huì)沿同一路徑到達(dá)接收機(jī)。精度為cm。（2）利用電離層改正模型修正：沿著信號(hào)傳播路徑來(lái)進(jìn)行積分，精度優(yōu)于2mm。（3）相對(duì)定位：利用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī)對(duì)同一組衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差時(shí)可以有效地減弱電離層折射的影響，即使不對(duì)電離層折射進(jìn)行改正，對(duì)基線成果的影響一般也不會(huì)超過1×10-6。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差二、對(duì)流層折射1、對(duì)流層及其影響對(duì)流層是高度為50km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)變更更困難。對(duì)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(duì)流層中雖有少量帶電離子，但對(duì)電磁波傳播影響不大。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差對(duì)流層的折射率與大氣壓力、溫度和濕度親密相關(guān)。由于大氣的對(duì)流作用很強(qiáng)，大氣狀態(tài)變更困難。對(duì)流層折射的影響與信號(hào)的高度角有關(guān)，當(dāng)在天頂方向（高度角為90o），其影響達(dá)2.3m；當(dāng)在地面方向（高度角為10o），其影響達(dá)20m；所以，對(duì)流層及其影響難以精確地模型化。利用測(cè)站地面實(shí)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)，可以通過現(xiàn)有的各種數(shù)字模型消退92%～95%的對(duì)流層折射影響。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差2、減弱對(duì)流層影響的措施（1）用改正模型進(jìn)行對(duì)流層改正該方法設(shè)備簡(jiǎn)潔，方法易行，但由于水氣在空間的分布不勻整，不同時(shí)間、不同地點(diǎn)水氣含量相差甚遠(yuǎn)，用同一模型很難精確描述，所以，對(duì)流層改正的濕氣部分精度較低，只能將濕重量消去80%~90%。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差（2）利用同步觀測(cè)值求差與電離層的影響類型相像，當(dāng)兩觀測(cè)站相距不太遠(yuǎn)時(shí)（例如<20km），由于信號(hào)通過對(duì)流層的路徑大體相同，所以，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，可以明顯地減弱對(duì)流層折射的影響。這一方法在精密相對(duì)定位中被廣泛應(yīng)用。不過，隨著同步觀測(cè)站之間距離的增大，大氣狀況的相關(guān)性減弱，當(dāng)距離>50~100km時(shí)，對(duì)流層折射的影響就成為制約GPS定位精度提高的重要因素。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差三、多路徑誤差多路徑是指衛(wèi)星信號(hào)通過多個(gè)不同路徑傳到接收到衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，還可能收到經(jīng)天線四周地物反射的衛(wèi)星信號(hào)，多種信號(hào)疊加就會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)（相對(duì)中心）的位置變更，這種由于多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響其次節(jié)：與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差多路徑誤差不僅與反射系數(shù)有關(guān)，也和反射物離測(cè)站的距離及衛(wèi)星信號(hào)方向有關(guān)，無(wú)法建立精確的誤差改正模型，只能恰當(dāng)?shù)剡x擇站址，避開信號(hào)反射物。例如：①選設(shè)點(diǎn)位時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離大面積安靜的水面，較好的站址可選在地面有草叢、農(nóng)作物等植被能較好吸取微波信號(hào)的能量的地方；②測(cè)站旁邊不應(yīng)有高層建筑物，觀測(cè)時(shí)測(cè)站旁邊也不要停放汽車；③測(cè)站不宜選在山坡、山谷和盆地中。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第三節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響

衛(wèi)星星歷誤差

衛(wèi)星鐘差

相對(duì)論效應(yīng)第三節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差一、衛(wèi)星星歷誤差星歷誤差來(lái)源星歷誤差相對(duì)定位的影響減弱星歷誤差影響的途徑GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第三節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差1、星歷誤差來(lái)源星歷：（1）廣播星歷（2）實(shí)測(cè)星歷廣播星歷：依據(jù)美國(guó)GPS限制中心跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，通過GPS衛(wèi)星發(fā)播的一種預(yù)報(bào)星歷。實(shí)測(cè)星歷：依據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行擬合處理而干脆得出的星歷。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第三節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星星歷誤差某一瞬間的衛(wèi)星位置，是由衛(wèi)星星歷供應(yīng)的，衛(wèi)星星歷誤差就是衛(wèi)星位置的確定誤差。星歷誤差來(lái)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(cè)值的數(shù)量及精度、軌道計(jì)算時(shí)所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第三節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差2、星歷誤差對(duì)定位的影響單點(diǎn)定位星歷誤差的徑向重量作為等價(jià)測(cè)距誤差進(jìn)入平差計(jì)算，配賦到星站坐標(biāo)和接收機(jī)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(guān)。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第三節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差相對(duì)定位利用兩站的同步觀測(cè)資料進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)，由于星歷誤差對(duì)兩站的影響具有很強(qiáng)的相關(guān)性，所以在求坐標(biāo)差時(shí)，共同的影響可自行消去，從而獲得高精度的相對(duì)坐標(biāo)。依據(jù)一次觀測(cè)的結(jié)果，可以導(dǎo)出星歷誤差對(duì)定位影響的估算式為：

b——基線長(zhǎng)；db——衛(wèi)星星歷誤差所引起的基線誤差；ρ——衛(wèi)星至測(cè)站的距離；ds——星歷誤差；——衛(wèi)星星歷的相對(duì)誤差。廣播星歷而言，相對(duì)定位精度能保證1~2*10-6GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第三節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差3、減弱星歷誤差影響的途徑（1）建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立定軌（2）同步觀測(cè)值求差：同一衛(wèi)星，多個(gè)測(cè)站間求差（3）軌道松弛法：在平差模型中把衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星軌道作為初始值，視其改正數(shù)為未知數(shù)。通過平差同時(shí)求得測(cè)站位置及軌道的改正數(shù)，即為。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第三節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差二、衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘接受的是GPS時(shí)，但盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘），它們與志向的GPS時(shí)之間仍存在著難以避開的頻率偏差或頻率漂移，也包含鐘的隨機(jī)誤差。這些偏差總量在1ms以內(nèi)，由此引起的等效距離可達(dá)300km。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第三節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星鐘差的改正經(jīng)上述鐘差改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差可保持在20ns以內(nèi)，由此引起的等效距離偏差不超過6m。衛(wèi)星鐘差或經(jīng)改正后的殘差，在相對(duì)定位中可通過差分法在一次求差中得到消退。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第三節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差相對(duì)論效應(yīng)相對(duì)論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)不同而引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘差的現(xiàn)象。狹義相對(duì)論觀點(diǎn)——一個(gè)頻率為f0的振蕩器安裝飛行速度為v的載體上，由于載體的運(yùn)動(dòng)，對(duì)地面觀測(cè)者來(lái)說(shuō)將產(chǎn)生頻率變更。衛(wèi)星上的時(shí)鐘比地球上的要慢。廣義相對(duì)論觀點(diǎn)——處于不同等位面的振蕩器，其頻率將由于引力位不同而發(fā)生變更。與狹義相對(duì)論影響相反，影響程度大于上者?？偟挠绊憽l(wèi)星上的原子鐘比地球上的頻率增加了4.449*10-10f0相對(duì)論效應(yīng)的影響并特殊數(shù)，經(jīng)改正后仍有殘差，它對(duì)GPS時(shí)的影響最大可達(dá)70ns，對(duì)精密定位仍不行忽視。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第四節(jié)：接收設(shè)備誤差接收機(jī)鐘差天線相位中心位置誤差等效距離誤差GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第四節(jié)：接收設(shè)備誤差一、接收機(jī)鐘差在GPS測(cè)量時(shí)，為了保證隨時(shí)導(dǎo)航定位的須要，衛(wèi)星鐘必需具有極好的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。而接收機(jī)鐘則只須要在一次定位的期間內(nèi)保持穩(wěn)定，所以，一般運(yùn)用短期穩(wěn)定交好、便宜敏捷的石英鐘，其穩(wěn)定度約為10-10。假如接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘間的同步差為1μs，則由此引起的等效距離差約為300m。減弱接收機(jī)鐘差比較有效的方法是：把每個(gè)觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中與觀測(cè)站的位置參數(shù)一并求解。偽距測(cè)量的數(shù)據(jù)處理就是依據(jù)這一原理進(jìn)行的。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第四節(jié)：接收設(shè)備誤差在靜態(tài)確定定位中，可以認(rèn)為各觀測(cè)時(shí)刻的接收機(jī)鐘差是相關(guān)的，設(shè)法建立一個(gè)鐘誤差模型，在平差計(jì)算中求解多項(xiàng)式系數(shù)。不過接收機(jī)鐘的穩(wěn)定性較差，鐘差模型不易反映真實(shí)狀況，難以充分消退其誤差影響。此外，還可以通過在衛(wèi)星間求一次差來(lái)減弱接收機(jī)鐘差的影響。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第四節(jié)：接收設(shè)備誤差二、天線相位中心位置誤差在GPS測(cè)量中，觀測(cè)值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)的，所以天線的相位中心該與其幾何中心保持一樣。但實(shí)際天線的相位中心位置隨信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同會(huì)發(fā)生變更，使其偏離幾何中心。這種偏差視天線性能的好壞可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米，對(duì)精密相對(duì)定位也是不容忽視的。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響天寶4800GPS結(jié)構(gòu)圖第四節(jié)：接收設(shè)備誤差實(shí)際工作中假如運(yùn)用同一類型天線，在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)測(cè)站同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，可以通過觀測(cè)值求差來(lái)減弱相位中心偏移的影響。不過這時(shí)各測(cè)站的天線均應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)記進(jìn)行定向，依據(jù)儀器說(shuō)明書的要求，羅盤指向磁北極，其定向偏差應(yīng)在3o以內(nèi)。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第四節(jié)：接收設(shè)備誤差三、等效距離誤差等效距離誤差——各項(xiàng)誤差投影到測(cè)站至衛(wèi)星方向的具體數(shù)值。假如認(rèn)為各項(xiàng)誤差之間相互獨(dú)立，就可以求出總的等效距離誤差，并用σ0表示。從而σ0就可以作GPS定位時(shí)衡量觀測(cè)精度的客觀標(biāo)準(zhǔn)。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第五節(jié)其它誤差一、衛(wèi)星幾何圖形強(qiáng)度GPS定位的精度除了取決于等效距離誤差σ0以外，還取決于空間后方交會(huì)的幾何圖形強(qiáng)度。GPS星座與測(cè)站所構(gòu)成的幾何圖形不同，權(quán)系數(shù)的數(shù)值亦不同，此時(shí)，即使相同精度的觀測(cè)值所求得的電位精度也會(huì)相同。為此須要探討衛(wèi)星星座幾何圖形與定位精度的關(guān)系。通常用圖形強(qiáng)度因子DOP來(lái)表示幾何圖形強(qiáng)度。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第五節(jié)其它誤差二、地球自轉(zhuǎn)的影響三、地球潮汐改正主要是固體潮和海潮的影響，可使測(cè)站的位移達(dá)到80cm。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響第七章GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及影響本章小結(jié)

GPS定位誤差主要分為：與衛(wèi)星有關(guān)、與傳播路徑有關(guān)、與接收機(jī)有關(guān)的誤差和其他影響；其減弱與消退方法主要分為：利用模型改正對(duì)流層延遲、電離層延遲、衛(wèi)星鐘差、相對(duì)論的影響、地球自轉(zhuǎn)影響、地球潮汐的影響。利用觀測(cè)值的線性組合差分消退對(duì)流層、電離層誤差、軌道誤差影響、衛(wèi)星鐘差的殘差等。作為未知參數(shù)參與平差或其他方法接收機(jī)鐘差作為未知數(shù)，天線相位中心的改正選擇合適的觀測(cè)環(huán)境和時(shí)間避開一些不利因素。GPS測(cè)量原理及應(yīng)用