第十章、GPS誤差來源及分析

第十章、GPS誤差來源及分析GPS測量的誤差來源第十章、GPS誤差來源及分析§5.5觀測量的誤差來源及其影響1.誤差的分類GPS定位中，影響觀測量精度的主要誤差來源分為三類：?與衛(wèi)星有關(guān)的誤差。?與信號傳播有關(guān)的誤差。?與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。為了便于理解，通常均把各種誤差的影響投影到站星距離上，以相應(yīng)的距離誤差表示，稱為等效距離誤差。第十章、GPS誤差來源及分析測碼偽距的等效距離誤差/m誤差來源P碼C/A碼衛(wèi)星星歷與模型誤差鐘差與穩(wěn)定度衛(wèi)星攝動相位不確定性其它合計4.23.01.00.50.95.44.23.01.00.50.95.4信號傳播電離層折射對流層折射多路徑效應(yīng)其它合計2.32.01.20.53.35.0-10.02.01.20.55.5-10.3接收機接收機噪聲其它合計1.00.51.17.50.57.5總計6.410.8-13.6第十章、GPS誤差來源及分析根據(jù)誤差的性質(zhì)可分為：（1）系統(tǒng)誤差：主要包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、以及大氣折射的誤差等。為了減弱和修正系統(tǒng)誤差對觀測量的影響，一般根據(jù)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因而采取不同的措施，包括：?引入相應(yīng)的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其它未知參數(shù)一并求解。?建立系統(tǒng)誤差模型，對觀測量加以修正。?將不同觀測站，對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱和消除系統(tǒng)誤差的影響。?簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。（2）偶然誤差：包括多路徑效應(yīng)誤差和觀測誤差等。第十章、GPS誤差來源及分析2.與衛(wèi)星有關(guān)的誤差（1）衛(wèi)星鐘差GPS觀測量均以精密測時為依據(jù)。GPS定位中，無論碼相位觀測還是載波相位觀測，都要求衛(wèi)星鐘與接收機鐘保持嚴格同步。實際上，盡管衛(wèi)星上設(shè)有高精度的原子鐘，仍不可避免地存在鐘差和漂移，偏差總量約在1ms內(nèi)，引起的等效距離誤差可達300km。衛(wèi)星鐘的偏差一般可通過對衛(wèi)星運行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測精確地確定，并用二階多項式表示：

tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的參數(shù)由主控站測定，通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶。經(jīng)鐘差模型改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差保持在20ns以內(nèi)，引起的等效距離偏差不超過6m。衛(wèi)星鐘經(jīng)過改正的殘差，在相對定位中，可通過觀測量求差（差分）方法消除。第十章、GPS誤差來源及分析（2）衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）：由于衛(wèi)星在運動中受多種攝動力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測站又難以可靠地測定這些作用力并掌握其作用規(guī)律，因此，衛(wèi)星軌道誤差的估計和處理一般較困難。目前，通過導(dǎo)航電文所得的衛(wèi)星軌道信息，相應(yīng)的位置誤差約20-40m。隨著攝動力模型和定軌技術(shù)的不斷完善，衛(wèi)星的位置精度將可提高到5-10m。衛(wèi)星的軌道誤差是當(dāng)前GPS定位的重要誤差來源之一。第十章、GPS誤差來源及分析衛(wèi)星軌道偏差對絕對定位的影響可達幾十米到一百米。而在相對定位中，由于相鄰測站星歷誤差具有很強的相關(guān)性，因此對相對定位的影響遠遠低于對絕對定位的影響，不過，隨著基線距離的增加，衛(wèi)星軌道偏差引起的基線誤差將不斷加大。GPS衛(wèi)星到地面觀測站的最大距離約為25000km，如果基線測量的允許誤差為1cm，則當(dāng)基線長度不同時，允許的軌道誤差大致如下表所示。從表中可見，在相對定位中，隨著基線長度的增加，衛(wèi)星軌道誤差將成為影響定位精度的主要因素?；€長度基線相對誤差容許軌道誤差1.0km1010-6250.0m10.km110-625.0m100.0km0.110-62.5m1000.0km0.0110-60.25m第十章、GPS誤差來源及分析在GPS定位中，根據(jù)不同要求，處理軌道誤差的方法原則上有三種；?忽略軌道誤差：廣泛用于實時單點定位。?采用軌道改進法處理觀測數(shù)據(jù)：衛(wèi)星軌道的偏差主要由各種攝動力綜合作用而產(chǎn)生，攝動力對衛(wèi)星6個軌道參數(shù)的影響不相同，而且在對衛(wèi)星軌道攝動進行修正時，所采用的各攝動力模型精度也不一樣。因此在用軌道改進法進行數(shù)據(jù)處理時，根據(jù)引入軌道偏差改正數(shù)的不同，分為短弧法和半短弧法。第十章、GPS誤差來源及分析短弧法：引入全部6個軌道偏差改正，作為待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中與其它待估參數(shù)一并求解。可明顯減弱軌道偏差影響，但計算工作量大。半短弧法：根據(jù)攝動力對軌道參數(shù)的不同影響，只對其中影響較大的參數(shù)，引入相應(yīng)的改正數(shù)作為待估參數(shù)。據(jù)分析，目前該法修正的軌道偏差不超過10m，而計算量明顯減小。?同步觀測值求差：由于同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影響具有系統(tǒng)性。利用兩個或多個觀測站上對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可減弱軌道誤差影響。當(dāng)基線較短時，有效性尤其明顯，而對精密相對定位，也有極其重要意義。第十章、GPS誤差來源及分析3.衛(wèi)星信號傳播誤差（1）電離層折射影響：主要取決于信號頻率和傳播路徑上的電子總量。通常采取的措施：?利用雙頻觀測：電離層影響是信號頻率的函數(shù)，利用不同頻率電磁波信號進行觀測，可確定其影響大小，并對觀測量加以修正。其有效性不低于95%.?利用電離層模型加以修正：對單頻接收機，一般采用由導(dǎo)航電文提供的或其它適宜電離層模型對觀測量進行改正。目前模型改正的有效性約為75%，至今仍在完善中。?利用同步觀測值求差：當(dāng)觀測站間的距離較近（小于20km）時，衛(wèi)星信號到達不同觀測站的路徑相近，通過同步求差，殘差不超過10-6。第十章、GPS誤差來源及分析（2）對流層的影響如第四章所述，對流層折射對觀測量的影響可分為干分量和濕分量兩部分。干分量主要與大氣溫度和壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度和高度有關(guān)。目前濕分量的影響尚無法準(zhǔn)確確定。對流層影響的處理方法：?定位精度要求不高時，忽略不計。?采用對流層模型加以改正。?引入描述對流層的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。?觀測量求差。第十章、GPS誤差來源及分析（3）多路徑效應(yīng)：也稱多路徑誤差，即接收機天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號。兩種信號迭加，將引起測量參考點位置變化，使觀測量產(chǎn)生誤差。在一般反射環(huán)境下，對測碼偽距的影響達米級，對測相偽距影響達厘米級。在高反射環(huán)境中，影響顯著增大，且常常導(dǎo)致衛(wèi)星失鎖和產(chǎn)生周跳。措施：?安置接收機天線的環(huán)境應(yīng)避開較強發(fā)射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。?選擇造型適宜且屏蔽良好的天線如扼流圈天線。?適當(dāng)延長觀測時間，削弱周期性影響。?改善接收機的電路設(shè)計。第十章、GPS誤差來源及分析4.接收設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測誤差、接收機鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不確定性影響。（1）觀測誤差：除分辨誤差外，還包括接收天線相對測站點的安置誤差。分辨誤差一般認為約為信號波長的1%。安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線相位中心高度（天線高）誤差。例如當(dāng)天線高1.6m,置平誤差0.10，則對中誤差為2.8mm。第十章、GPS誤差來源及分析碼相位與載波相位的分辨誤差信號波長觀測誤差P碼29.3m0.3mC/A碼293m2.9m載波L119.05cm2.0mm載波L224.45cm2.5mm第十章、GPS誤差來源及分析（2）接收機鐘差GPS接收機一般設(shè)有高精度的石英鐘，日頻率穩(wěn)定度約為10-11。如果接收機鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步差為1s，則引起的等效距離誤差為300m。處理接收機鐘差的方法：?作為未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。?利用觀測值求差方法，減弱接收機鐘差影響。?定位精度要求較高時，可采用外接頻標(biāo)，如銣、銫原子鐘，提高接收機時間標(biāo)準(zhǔn)精度。第十章、GPS誤差來源及分析（3）載波相位觀測的整周未知數(shù)無法直接確定載波相位相應(yīng)起始歷元在傳播路徑上變化的整周數(shù)。同時存在因衛(wèi)星信號被阻擋和受到干擾，而產(chǎn)生信號跟蹤中斷和整周變跳。（4）天線相位中心位置偏差GPS定位中，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準(zhǔn)，在理論上，天線相位中心與儀器的幾何中心應(yīng)保持一致。實際上，隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，同時與天線的質(zhì)量有關(guān)，可達數(shù)毫米至數(shù)厘米。如何減小相位中心的偏移，是天線設(shè)計的一個迫切問題。第十章、GPS誤差來源及分析5.其它誤差來源（1）地球自轉(zhuǎn)影響：當(dāng)衛(wèi)星信號傳播到觀測站時，與地球相固聯(lián)的協(xié)議地球坐標(biāo)系相對衛(wèi)星的瞬時位置已產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)（繞Z軸）。若取為地球的自轉(zhuǎn)速度，則旋轉(zhuǎn)的角度為=ij。ij為衛(wèi)星信號傳播到觀測站的時間延遲。由此引起衛(wèi)星在上述坐標(biāo)系中坐標(biāo)的變化為：第十章、GPS誤差來源及分析（2）相對論效應(yīng)根據(jù)狹義相對論，地面上一個頻率為f0的時鐘，安裝在運行速度為Vs（已知）的衛(wèi)星上后，鐘頻將發(fā)生變化，改變量為：上式中，am為地球平均半徑，Rs為衛(wèi)星軌道平均半徑。在狹義相對論的影響下，時鐘變慢。第十章、GPS誤差來源及分析根據(jù)廣義相對論，處于不同等位面的震蕩器，其頻率f0將由于引力位不同而產(chǎn)生變化，稱引力頻移。大小按下式估算：在狹義和廣義相對論的綜合影響下，衛(wèi)星頻率的變化為：因GPS衛(wèi)星鐘的標(biāo)準(zhǔn)頻率為10.23MHz，可得

f=0.00455Hz。說明GPS衛(wèi)星鐘比其安設(shè)在地面上走的快，每秒約差0.45ms。一般將衛(wèi)星鐘的標(biāo)準(zhǔn)頻率減小約4.510-3Hz。第十章、GPS誤差來源及分析由于地球運動、衛(wèi)星軌道高度和地球重力場的變化，上述相對論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，經(jīng)過改正后的殘差對衛(wèi)星鐘差、種速的影響約為：其中，es為軌道偏心率，as為衛(wèi)星軌道長半徑，Es為偏近點角。考慮偏近角隨時間的變化，可得第十章、GP