GPS自主學習課件第七章

GPS原理及其應用

長春師范學院城市與環(huán)境科學學院第七章GPS測量的誤差來源及其影響

§7.1GPS測量主要誤差分類

§7.2與信號傳播有關的誤差

§7.3與衛(wèi)星有關的誤差

§7.4與接收機有關的誤差

§7.5其他誤差7.1GPS測量主要誤差分類誤差來源對距離測量的影響(m)衛(wèi)星部分1、星歷誤差；2、鐘誤差；3、相對論效應1.5～15信號傳播1、電離層；2、對流層；3、多路徑效應1.5～15信號接收1、鐘的誤差；2、位置誤差；3、天線相位中心變化1.5～5其他影響1、地球潮汐；2、負荷潮1.0GPS測量的誤差來源及其影響

>GPS測量主要誤差分類GPS測量的誤差來源及其影響

>GPS測量主要誤差分類按誤差性質可分為：系統(tǒng)誤差偶然誤差信號的多路徑效應星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差大氣折射的誤差GPS測量的主要誤差7.2與信號傳播有關的誤差與信號傳播有關的誤差有電離層折射誤差、對流層折射誤差及多路徑效應誤差。GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差7.2.1電離層折射1.電離層及其影響所謂電離層，指地球上空距地面高度在50～1000km之間的大氣層。當GPS信號通過電離層時，如同其它電磁波一樣，信號的路徑會發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化。所以用信號的傳播時間乘上真空中光速而得到的距離就會不等于衛(wèi)星至接收機間的幾何距離，這種偏差叫電離層折射誤差。GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差理論證明，電離層的群折射率為：因而群速為：式中，GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差若偽距測量中測得信號的傳播時間為Δt，那么衛(wèi)星至接收機的真正距離S為GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差電離層改正的大小取決于電子總量和信號頻率。載波相位測量時的電離層折射改正和偽距測量時的改正數(shù)大小相同，符號相反。對于GPS信號來講，這種距離改正在天頂方向最大可達50m，在接近地平方向時可達150m，因此必須仔細地加以改正，否則會嚴重損害觀測值的精度。GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差2.減弱電離層影響的措施利用雙頻觀測利用電離層改正模型加以改正利用同步觀測值求差

GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差2.減弱電離層影響的措施（1）利用雙頻觀測由于電離層的影響是信號頻率的函數(shù)，所以利用不同頻率的電磁波信號進行觀測。便能多確定其影響，而對觀測量加以修正。（2）利用電離層改正數(shù)模型加以修正對于單頻GPS接收機，為了減弱電離層的影響，一般是采用導航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對觀測量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率約為75％。改進模型的精度均優(yōu)于2mm。（3）利用同步觀測值求差這一方法是利用兩臺或多臺接收機，對同一衛(wèi)星的同步觀測求差，以減弱電離層折射的影響，尤其當觀測站間的距離較近時（<20km），由于衛(wèi)星信號到達各觀測站的路徑相近，所經(jīng)過的介質狀況相似，因此通過各觀測站對相同衛(wèi)星信號的同步觀測值求差，便可顯著的減弱電離層折射影響，其殘差將不會超過1ppm。對于單頻GPS接收機而言，這種方法的重要意義尤為明顯。7.2.2對流層折射1、對流層及其影響對流層是高度為40km以下的大氣底層，其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復雜。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，GPS信號通過對流層時，也使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差，這種現(xiàn)象叫做對流層折射。GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差2.對流層折射的改正模型

1）霍普菲爾德（Hopfield）公式

2）薩斯塔莫寧（Saastamoinen）公式

3）勃蘭克（Black）公式3.減弱對流層折射改正殘差影響的主要措施1）采用上述對流層模型加以改正。2）引入描述對流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得。3）利用同步觀測量求差。4）利用水汽輻射計直接測定信號傳播的影響。GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差7.2.3多路徑誤差GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差在GPS測量中，如果測站周圍的反射物所反射得衛(wèi)星信號（反射波）進入接收機天線，這就將和直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑效應”。GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差消弱多路徑誤差的方法1）選擇合適的站址

a、測站應遠離大面積平靜地水面

b、測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中

c、測站應離開高層建筑物2）對接收機天線的要求

a、在天線中設置仰徑板

b、接收機天線對于極化特性不同的反射信號應該有較強的抑制作用。

GPS測量的誤差來源及其影響

>與信號傳播有關的誤差7.3.1衛(wèi)星星歷誤差有星歷所給出的衛(wèi)星在空間的位置與實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。

1.星歷數(shù)據(jù)來源

1）廣播星歷是衛(wèi)星電文中攜帶的主要信息。

2）實測星歷

它是根據(jù)實測資料進行擬合處理而直接得出的星歷。

GPS測量的誤差來源及其影響

>與衛(wèi)星有關的誤差2.星歷誤差對定位的影響

1）對單點定位的影響廣播星歷誤差對測站坐標的影響一般可達數(shù)米、數(shù)十米、甚至上百米。2）對相對定位的影響相對定位時，因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，從而獲得精度很高的相對坐標。

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>與衛(wèi)星有關的誤差3.解決星歷誤差的方法

1）建立自己的衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨立定軌

2）軌道松馳法

3）同步觀測值法GPS測量的誤差來源及其影響

>與衛(wèi)星有關的誤差7.3.3衛(wèi)星鐘的鐘誤差衛(wèi)星鐘的鐘差包括由鐘差、頻偏、頻漂等產(chǎn)生的誤差，也包含鐘的隨機誤差。在GPS測量中，無論是碼相位觀測或載波相位觀測，均要求衛(wèi)星鐘和接收機保持嚴格同步。經(jīng)改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差可保持在20ns以內，由此引起的等效距離偏差不會超過6m，衛(wèi)星鐘差和經(jīng)改正后的殘余誤差，則需采用在接收機間求一次差等方法來進一步消除它。GPS測量的誤差來源及其影響

>與衛(wèi)星有關的誤差7.3.3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運動狀態(tài)（運動速度和重力位）不同而引起衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產(chǎn)生相對鐘誤差的現(xiàn)象。

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>與衛(wèi)星有關的誤差7.4與接收機有關的誤差

與接收機有關的誤差主要有接收機鐘差、接收機位置誤差、天線相位中心位置誤差以及幾何圖形強度誤差等。GPS測量的誤差來源及其影響

>與接收機有關的誤差7.4.1接收機鐘誤差

GPS接收機一般采用高精度的石英鐘，其穩(wěn)定度約為10－9。若接收機鐘與衛(wèi)星種間的同步差為1μs，則由此引起的等效距離誤差約為300m。

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>與接收機有關的誤差減弱接收機鐘差的方法：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置參數(shù)一并求解。認為各觀測時刻的接收機鐘差當作間是相關的，像衛(wèi)星鐘那樣，將接收機鐘差表示為時間多項式，并在觀測量的平差計算中求解多項式的系數(shù)。這種方法可以大大減少未知數(shù)個數(shù)，該方法成功與否得關鍵在于鐘誤差模型的有效程度。通過在衛(wèi)星間求一次差來消除接收機的鐘差。此法和（1）是等價的。GPS測量的誤差來源及其影響

>與接收機有關的誤差7.4.2接收機的位置誤差接收機天線相位中心相對觀測標石中心位置的誤差，叫接收機位置誤差。GPS測量的誤差來源及其影響

>與接收機有關的誤差7.3.2天線相位中心位置的偏差在GPS測量中，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準的，而天線的相位中心與其幾何中心，在理論上應保持一致?？墒菍嶋H上天線的相位中心隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，即觀測時相位中心的瞬時位置（一般稱相位中心）與理論上的相位中心將有所不同，這種差別叫天線相位中心的位置偏移。這種偏差的影響，可達數(shù)毫米至數(shù)厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設計中的一個重要問題。

GPS測量的誤差來源及其影響

>與接收機有關的誤差GPS測量的誤差來源及其影響

>與接收機有關的誤差7.3.