GPS測(cè)量的主要誤差來(lái)源及其影響(精)

1、第五章GPSGPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來(lái)源及影響第五章 GPSGPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來(lái)源及影響了解衛(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，相位中心位臵誤差的產(chǎn)生與消減方法。掌握電離層折 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。第五章 GPSGPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來(lái)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(guān)的誤差第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差第四節(jié)接收設(shè)備誤差第五節(jié)衛(wèi)星幾何圖形強(qiáng)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(guān)的誤差一、衛(wèi)星星歷誤差二、衛(wèi)星鐘差三、相對(duì)論效應(yīng)GPSGPS 衛(wèi)星的發(fā)射第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差一、衛(wèi)星星歷誤差

2、1 1 星歷來(lái)源2 2星歷誤差對(duì)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(guān)的誤差1 1 星歷來(lái)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(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。第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差1 1 星歷來(lái)源星歷(1) 廣播星歷(2)實(shí)測(cè)星歷廣播星歷根據(jù)美國(guó) GPSGPS 控制中心跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推， 通過(guò)GPSGPS 衛(wèi)星發(fā)播的一種預(yù)報(bào)星歷。實(shí)測(cè)星歷根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)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(guān)的誤差2.2.星歷誤差對(duì)定位的影響單點(diǎn)定位星歷誤差的徑向分量作為等價(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)。8 8第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差2 2.星歷誤差對(duì)定位的影響相對(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)。第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差2.2. 星歷誤差對(duì)定位的影響根據(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：基線長(zhǎng)；dbdb 衛(wèi)星星歷誤差所引起的基線誤差；p p 衛(wèi)星至測(cè)站的距離；dsds 星歷 誤差；d

4、sds衛(wèi)星星歷的相對(duì)誤差。第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)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(dú)立定軌(2) 相對(duì)定位(3) 軌道松弛法9 9第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差二、 衛(wèi)星鐘的鐘誤差衛(wèi)星鐘采用的是 GPSGPS 時(shí)， 但盡管 GPSGPS 衛(wèi)星均設(shè)有高精度的 原子鐘(銣鐘和銫鐘)，它們與理想的 GPSGPS 時(shí)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(jī)誤差。這些偏差總量在 1ms1ms 以內(nèi)，由此引起的等效距 離可達(dá) 300km300km。1111第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)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(guò)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(guān)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(guò) 6m6m。衛(wèi)星鐘差或經(jīng)改正后的殘差， 在相對(duì)定位中可通過(guò)差分法在一次求差中得到消除。第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差三、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)一一一個(gè)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(yùn)動(dòng)，對(duì)地面觀測(cè)者來(lái)說(shuō)將產(chǎn)生頻率變化。1212第二節(jié)三、相對(duì)論效應(yīng)廣義相對(duì)論觀點(diǎn) 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(duì)論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，經(jīng)改正后仍有殘差，它對(duì)GPSGPS 時(shí)的影響最大可達(dá) 70ns,70ns,對(duì)精密定位仍不可忽略。第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差一、電離層折射二、對(duì)流層折射三、多路徑誤差1313第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)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(dāng) GPGPS S信號(hào)通過(guò)電離層時(shí)，信號(hào)的傳播路徑會(huì)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(duì)測(cè)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(hào)傳播誤差1 1 電離層及

7、其影響應(yīng)該明確，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)分別采用群折射率和相折射率。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。第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差2 2、減弱電離層影響的有效措施(1 1)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-6-6 會(huì)超過(guò) 1 1 X10X10o1616第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)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(gè)已知頻率 flfl 和 f2f2 發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)，

8、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)。公式中積分值雖然無(wú)法計(jì)算，但對(duì)兩個(gè)頻率 的信號(hào)卻是相同的。第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差二、對(duì)流層折射、對(duì)流層及其影響、減弱對(duì)流層影響的措施j j、用霍普非爾德公式進(jìn)行對(duì)流層折射改正1717第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差1 1、 對(duì)流層及其影響對(duì)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(fù)雜。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。1818第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差2 2、 減弱對(duì)流層影響的措施用改正模型進(jìn)行對(duì)流層改正利用同步觀測(cè)值

9、求差2020第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差2 2、減弱對(duì)流層影響的措施用改正模型進(jìn)行對(duì)流層改正 該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，方法易行，但由于水氣在空間的分布不均勻，不同時(shí)間、不同 地點(diǎn)水氣含量相差甚遠(yuǎn)，用通一模型很難準(zhǔn)確描述，所以，對(duì)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(hào)傳播誤差2 2、減弱對(duì)流層影響的措施利用同步觀測(cè)值求差與電離層的影響類型相似，當(dāng)兩觀測(cè)站相距不太遠(yuǎn)時(shí)(例如20km20km)，由于信號(hào)通過(guò)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。2222第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播

10、誤差2 2、減弱對(duì)流層影響的措施利用同步觀測(cè)值求差不過(guò)，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50100km50100km 時(shí)，對(duì)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(hào)傳播誤差三、多路徑誤差多路徑是指衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)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)天線周圍地物反射的衛(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）的位臵變化，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)。直接信號(hào)反射物2323第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)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(guān)，也和反射物離測(cè)站的距離及衛(wèi)星信號(hào)方向有

11、關(guān)，無(wú)法建立準(zhǔn)確的誤差改正模型，只能恰當(dāng)?shù)剡x擇站址，避開(kāi)信號(hào)反射物。2424第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差三、多路徑誤差例如：1選設(shè)點(diǎn)位時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)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(hào)的能量的地方；2測(cè)站附近不應(yīng)有高層建筑物，觀測(cè)時(shí)測(cè)站附近也不要停放汽車；3測(cè)站不宜選在山坡、山谷和盆地中。 第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度一、接收機(jī)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(qiáng)度2525第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度一、接收機(jī)鐘誤差在 GPSGPS 測(cè)量時(shí)，為了保證隨時(shí)導(dǎo)航定位的需要，衛(wèi)星鐘必須具有極好的長(zhǎng)期穩(wěn)定 度。而接收機(jī)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(jī)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(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度 一、接收機(jī)鐘誤差減弱接收機(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)站的位臵參數(shù)一并求解。偽距測(cè)量的數(shù)據(jù)處理就 是根據(jù)這一原理進(jìn)行的。第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度一、接收機(jī)鐘誤差在靜態(tài)絕對(duì)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(guò)接收機(jī)鐘的穩(wěn)定性較差，鐘差 模型

13、不易反映真實(shí)情況，難以充分消除其誤差影響。此外，還可以通過(guò)在衛(wèi)星間求一次差來(lái)削弱接收機(jī)鐘差的影響。2727第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度二、天線相位中心位臵誤差在 GPSGPS 測(cè)量中，觀測(cè)值都是以接收 機(jī)天線的相位中心位臵為準(zhǔn)的，所以天線的相位中心該與其幾何中心保持一致。 但實(shí)際天線的相位中心位臵隨信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同會(huì)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(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。天寶 4800GPS4800GPS 結(jié)構(gòu)圖2828第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度二、天線相位中心位臵誤差實(shí)際工作中如果使用同一類型天線，在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)測(cè)站同步

14、觀測(cè)同一 組衛(wèi)星，可以通過(guò)觀測(cè)值求差來(lái)減弱相位中心偏移的影響。不過(guò)這時(shí)各測(cè)站的天 線均應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)志進(jìn)行定向，根據(jù)儀器說(shuō)明書(shū)的要求，羅盤(pán)指向磁北 極，其定向偏差應(yīng)在 3o3o 以內(nèi)。2929第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度三、等效距離誤差等效距離誤差一一各項(xiàng)誤差投影到測(cè)站至衛(wèi)星方向的具體數(shù)值。如果認(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，并用表示。從而就可以作 GPSGPS 定位時(shí)衡量觀測(cè)精度的客觀標(biāo)準(zhǔn)。3030第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度四、幾何圖形強(qiáng)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(huì)的幾 何圖形強(qiáng)度。3131第四節(jié)：

15、接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度四、幾何圖形強(qiáng)度GPSGPS 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。為此需要研究衛(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 DOPDOP 來(lái)表示幾何圖形強(qiáng)度，其定義是 第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度四、幾何圖形強(qiáng)度ITIXDOPDOP 0 0 式中（T T 0 0 效距離的標(biāo)準(zhǔn)差 mxmx 某定位元素的標(biāo)準(zhǔn)差DOPDOP實(shí)際是權(quán)系數(shù)陣中主對(duì)角 線元素的函數(shù)3232第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度四、幾何圖形強(qiáng)度 圖形強(qiáng)度因子是一個(gè)直接影響定位精度、但又獨(dú)立于觀測(cè)值和其他誤差之外的一 個(gè)量。其值恒

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

17、備誤差與圖形強(qiáng)度四、幾何圖形強(qiáng)度4接收機(jī)鐘差圖形強(qiáng)度因子 TDOPTDOP 及其鐘差精度TDOP ml TDOP 03636第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度四、幾何圖形強(qiáng)度5幾何圖形強(qiáng)度因子 GDOPGDOP 及其三維坐標(biāo)和時(shí)間誤差的綜合影響GDOP mG GDOP 0第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度四、幾何圖形強(qiáng)度如果測(cè)站與 4 4 顆衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)六面體時(shí)，圖形強(qiáng)度因子 GDOPGDOP 與該六面體體積成 反比。意味著所測(cè)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(jiān)強(qiáng)，定位精度越高。第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度四、幾何圖形強(qiáng)度衛(wèi)星的分布與 GDOPGDOPGDO

18、PGDOP 良好3737第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度四、幾何圖形強(qiáng)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(hào)被暫時(shí)阻擋，或受到外界干 擾影響，引起衛(wèi)星跟蹤的暫時(shí)中斷，使計(jì)數(shù)器無(wú)法累積計(jì)數(shù)，出現(xiàn)信號(hào)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(yàn)和修正利用高次插值公式外推觀測(cè)值的正確整周計(jì)數(shù)，或者根據(jù)相鄰的幾個(gè)正確相位觀 測(cè)量，采用 n n 階多項(xiàng)式擬合的方法來(lái)推求整周計(jì)數(shù)的正確性，從而發(fā)現(xiàn)周跳并修 正整周計(jì)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(duì)定位法(1)整數(shù)解；(2 2)實(shí)數(shù)解。2 2.動(dòng)態(tài)”測(cè)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(duì)所有觀測(cè)值作周跳修正，解算基線向量和整周未知數(shù)向量(實(shí)數(shù)解)以 及相應(yīng)的協(xié)因數(shù)陣