GPS測(cè)量的主要誤差來源及其影響

1、第五章GPS衛(wèi)星定位系 統(tǒng)誤差來源及影響第五章 GPS 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(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 GPS 衛(wèi)星定位系 統(tǒng)誤差來源及影響第一 節(jié) GPS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第一節(jié) GPS 定位的誤差概述 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)GPS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1星歷來源2星歷誤差對(duì) 定

2、位的影響3減弱星歷誤 差影響的途徑GPS衛(wèi)星工作星座第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的 誤差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(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星歷來源星歷（1）廣播星歷（2）實(shí)測(cè)星歷廣播星歷根據(jù)美國 GPS控制中心跟蹤站的 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)星歷根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行擬合處理而直接得出的星 歷。7第二節(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分量作

3、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第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的 誤差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；db 衛(wèi)星星歷誤差所引起的基 線誤差；p 衛(wèi)星至測(cè)站的距離；ds 星歷誤差；ds 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減弱星歷誤 差影響的途徑（1）建立

4、自己的 GPS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 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）,它們與理想的 GPS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 1ms 以內(nèi)，由此引起的等效距離可達(dá) 300km。11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)星鐘差可通過下式得到改正：11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 20n s 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

5、對(duì)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(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)者來說將產(chǎn)生頻率變化。12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) GPS 時(shí)的影響最大可達(dá) 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13第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳

6、播誤差一、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 501000km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，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。15第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差1電 離層及其影響應(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、減弱電 離層影響的有效措施（1）相對(duì)定位：利用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī) 對(duì)

7、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 會(huì)超過 110。16第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差2、減弱電 離層影響的有效措施（2）雙頻接收：如分別用兩個(gè)已知 頻率 f1 和 f2 發(fā)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)。公式中積 分值雖然無法計(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、用霍普非爾 德公式進(jìn)行對(duì)流層折射改正17第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差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

8、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。18第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差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)值求差20第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差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%。21第三節(jié)衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差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

9、型相似，當(dāng)兩觀測(cè)站相距不太 遠(yuǎn)時(shí)（例如50100k m 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。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23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)方向有關(guān)，無法建立準(zhǔn)確的 誤差改正模型，只能恰當(dāng)?shù)?選擇站址，避開信號(hào)反射物。24第三節(jié)

10、衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差三、多路徑誤 差例如： 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； 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； 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25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 GPS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 長期穩(wěn)定度。而接收機(jī)鐘則 只需要在一次定位的期 間內(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 1

11、0-10。如果接收機(jī)鐘 與衛(wèi)星鐘間的同步差 為 1s，則由此引起的等效距離差 約為 300m 。26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 接收機(jī)鐘的穩(wěn)定性較差，鐘差模型不易反映真 實(shí)情況，難以充分消除其 誤差影響。此外，還可以通過在衛(wèi)星間求一次差來削

12、弱接收機(jī) 鐘差的影響。27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 GPS 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 4800GPS結(jié)構(gòu)圖28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)站同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，可以通過觀測(cè)值求差來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

13、線附有的方位 標(biāo)志進(jìn)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(yīng)在 3o 以內(nèi)。29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 0表示。從而 0就可以作 GPS 定位時(shí)衡量觀測(cè)精度的客觀標(biāo)準(zhǔn)。30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GPS定位的精度除了取決于等效距離 誤差 0以外，還取決于空 間后方交會(huì)的幾何圖形強(qiáng)度。31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

14、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 DOP 來表示幾何 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)度式中 0 等效距離的 標(biāo)準(zhǔn)差mx 某定位元素的 標(biāo)準(zhǔn)差DOP 實(shí)際是權(quán)系數(shù)陣中主對(duì)角線元素的函數(shù)32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 恒大于 1，最大值 1，其大小隨時(shí)間和測(cè)站位臵而變化。在 GPS 測(cè)量中，希望 DOP 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

15、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。 平面位臵圖形強(qiáng)度因子 HDOP 及其相應(yīng)的平面位臵精度第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度四、幾何圖 形強(qiáng)度 高程圖形強(qiáng)度因子 VDOP 及相應(yīng)的高程精度34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 空間位臵的圖形強(qiáng)度因子 PDOP 及其相應(yīng)的三維定位精度35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 接收機(jī)鐘差圖形強(qiáng)度因子 TDOP 及其鐘差精度36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 幾何圖形強(qiáng)度因子 GDOP 及其三維坐標(biāo)和時(shí)間誤差的綜合影響第四節(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 顆衛(wèi)星

16、構(gòu)成一個(gè)六面體 時(shí)，圖形強(qiáng)度因子 GDOP 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，GDOP 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 GDOPGDOP 良好37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 GDOPGDOP 較差38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整周跳變及其 發(fā)生整周跳變（周跳）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 階多項(xiàng)式擬合的方法來推求整周 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) N0 的確定1經(jīng)典靜態(tài)相對(duì)定位法（1）整數(shù)解；2（）實(shí)數(shù)解。2“動(dòng)態(tài) ”測(cè)量法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) N0 的確定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)陣和單位權(quán)方差。（2）對(duì)整周未知數(shù)向量中的每