GNSS定位測量技術（第二版）課件：GPS測量的主要誤差來源及其影響

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GNSS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)星鐘差及相對論效應。理解接收機鐘誤差，相位中心位置誤差的產生與消減方法。掌握電離層折射誤差、對流層折射誤差、多路徑誤差的產生與消減方法。2

GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來源及影響學習目標任務一GPS測量誤差的來源及分類任務二與衛(wèi)星有關的誤差任務三與衛(wèi)星信號傳播有關的誤差任務四與接收機有關的誤差任務五其他誤差3

GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來源及影響學習內容任務一GPS測量誤差的來源及分類L2P2D(t)L1C/AP1一、GPS測量誤差的來源與衛(wèi)星有關的誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差相對論效應與傳播途徑有關的誤差電離層延遲對流層延遲多路徑效應與接收設備有關的誤差接收機天線相位中心的偏移和變化接收機鐘差接收機內部噪聲二、GPS測量誤差的性質偶然誤差內容衛(wèi)星信號發(fā)生部分的隨機噪聲接收機信號接收處理部分的隨機噪聲其它外部某些具有隨機特征的影響特點隨機量級小–

毫米級系統(tǒng)誤差（偏差）內容其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差特點具有某種系統(tǒng)性特征量級大–

最大可達數百米7區(qū)分不同誤差，提出解決辦法粗差的解決？

盡量避免，粗差探測并修復系統(tǒng)誤差的解決？

分析它對觀測的影響規(guī)律，采取各種方法來消除系統(tǒng)誤差，或者減小它對觀測成果的影響。偶然誤差的解決？

進行多余觀測，通過測量平差、數據處理理論，確定被認為是最可靠的結果。三、GPS測量誤差的大小等效距離誤差

為了表明誤差對GPS測量影響的大小，將誤差換算為衛(wèi)星至觀測站的距離，用相應的距離誤差來表示，稱為等效距離誤差這樣能夠顯而易見的看出某誤差對GPS測量的影響有多大三、GPS測量誤差的大小SPS（有SA）三、GPS測量誤差的大小PPS，雙頻，P/Y-碼三、GPS測量誤差的大小SPS（無SA）四、消除或消弱各種誤差影響的方法模型改正法原理：利用模型計算出誤差影響的大小，直接對觀測值進行修正適用情況：對誤差的特性、機制及產生原因有較深刻了解，能建立理論或經驗公式所針對的誤差源相對論效應電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星鐘差限制：有些誤差難以模型化四、消除或消弱各種誤差影響的方法求差法原理：通過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測值中所包含的相同或相似的誤差影響適用情況：誤差具有較強的空間、時間或其它類型的相關性。所針對的誤差源電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星軌道誤差…限制：空間相關性將隨著測站間距離的增加而減弱四、消除或消弱各種誤差影響的方法參數法原理：采用參數估計的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來適用情況：幾乎適用于任何的情況限制：不能同時將所有影響均作為參數來估計四、消除或消弱各種誤差影響的方法回避法原理：選擇合適的觀測地點，避開易產生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測方法；采用特殊的硬件設備，消除或減弱誤差的影響適用情況：對誤差產生的條件及原因有所了解；具有特殊的設備。所針對的誤差源電磁波干擾多路徑效應限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性

一、衛(wèi)星星歷誤差二、衛(wèi)星鐘差三、相對論效應GPS衛(wèi)星的發(fā)射5任務二與衛(wèi)星有關的誤差1．星歷誤差來源

2．星歷誤差對定位的影響

3．減弱星歷誤差影響的途徑GPS衛(wèi)星工作星座6一、衛(wèi)星星歷誤差（衛(wèi)星軌道誤差）任務二與衛(wèi)星有關的誤差1．星歷誤差來源

衛(wèi)星星歷誤差

某一瞬間的衛(wèi)星位置，是由衛(wèi)星星歷提供的，衛(wèi)星星歷誤差就是衛(wèi)星位置的確定誤差，即衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星空間位置與真實位置的偏差。星歷誤差來源

其大小主要取決于衛(wèi)星跟蹤站的數量及空間分布、觀測值的數量及精度、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度。一、衛(wèi)星星歷誤差（衛(wèi)星軌道誤差）廣播星歷根據美國GPS控制中心跟蹤站的觀測數據進行外推，通過GPS衛(wèi)星發(fā)播的一種預報星歷。（精度米級）實測星歷

根據實測資料進行擬合處理而直接得出的星歷。（精度厘米級）星歷（1）廣播星歷（2）實測星歷7一、衛(wèi)星星歷誤差（衛(wèi)星軌道誤差）1．星歷來源

絕對定位

廣播星歷誤差對測站坐標的影響有SA政策時達100米，無SA政策時為20~30米星歷誤差對單點定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機的距離以及用于定位或導航的GPS衛(wèi)星與接收機構成的幾何圖形相對定位

利用兩站的同步觀測資料進行相對定位時，由于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，從而獲得高精度的相對坐標。82．星歷誤差對定位的影響b——基線長；db——衛(wèi)星星歷誤差所引起的基線誤差；p——衛(wèi)星至測站的距離；ds——星歷誤差；

——衛(wèi)星星歷的相對誤差。

根據一次觀測的結果，可以導出星歷誤差對定位影響的估算式為：2．星歷誤差對定位的影響

由此可見，隨著基線距離的增加，衛(wèi)星星歷誤差引起的誤差將不斷增加。如果要進行長距離，高精度的GPS測量，必須采用后處理星歷。（1）建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網獨立定軌（2）相對定位或者差分定位（3）采用后處理星歷93．減弱星歷誤差影響的途徑

衛(wèi)星鐘采用的是GPS時，但盡管GPS衛(wèi)星均設有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘）,它們與理想的GPS時之間仍存在著難以避免的頻率偏差或頻率漂移,也包含鐘的隨機誤差。這些偏差總量在1ms以內，由此引起的等效距離可達300km。主要誤差源11二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差任務二與衛(wèi)星有關的誤差

衛(wèi)星鐘差的改正衛(wèi)星鐘差可通過下式得到改正：11二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差

經上述鐘差改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差可保持在20ns以內，由此引起的等效距離偏差不超過6m。衛(wèi)星鐘差或經改正后的殘差，在相對定位中可通過差分法在一次求差中得到消除。二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差

相對論效應是由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)不同而引起的衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產生相對鐘差的現象。狹義相對論—1905年：運動將使時間、空間和物質的質量發(fā)生變化。廣義相對論—1915年：將相對論與引力論進行了統(tǒng)一。

不可忽視12三、相對論效應任務二與衛(wèi)星有關的誤差狹義相對論觀點——

一個頻率為f0的振蕩器在一個運動載體上相對于地面上的觀測者來說將產生頻率偏移。廣義相對論觀點——

處于不同等位面的振蕩器，其頻率將因引力位不同而發(fā)生變化。

相對論效應的影響并非常數，經改正后仍有殘差，它對GPS時的影響最大可達70ns，對精密定位仍不可忽略。三、相對論效應一、電離層折射二、對流層折射三、多路徑誤差13任務三與衛(wèi)星信號傳播有關的誤差衛(wèi)星軌道電離層對流層大氣折射大氣折射效應大氣折射信號在穿過大氣時，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。也稱大氣延遲。在GPS測量定位中，通常僅考慮信號傳播速度的變化。色散介質與非色散介質

色散介質：對不同頻率的信號，所產生的折射效應也不同

非色散介質：對不同頻率的信號，所產生的折射效應相同對GPS信號來說，電離層是色散介質，對流層是非色散介質

電離層折射誤差地面向上50~1000km的大氣層使路徑彎曲傳播速度變慢電離層影響天頂方向50米地平方向150米15一、電離層折射相波與群波

相波：按單一頻率傳播的波（載波）

群波：多種頻率疊加形成的波（測距碼）

相折射率:相波在電離層中的折射系數

群折射率:群波在電離層中的折射系數

相速:相波在電離層中的傳播速度

群速:群波在電離層中的傳播速度

電離層中的相對折射率與群折射率是不同的。碼相位測量和載波相位測量應分別采用群折射率和相折射率。所以，載波相位測量時的電離層折射改正數和偽距測量時的改正數是不同的，兩者大小相等，符號相反。電離層改正的大小主要取決于電子總量和信號頻率一、電離層折射

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電離層折射誤差大小因素白天比晚上嚴重夏季比冬季嚴重跟頻率有關跟接收機方位有關一、電離層折射電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量電子密度：單位體積中所包含的電子數。總電子含量：底面積為一個單位面積時沿信號傳播路徑貫穿整個電離層的一個柱體內所含的電子總數。電子密度與大氣高度的關系電子含量與地方時的關系電子含量與太陽活動情況的關系與太陽活動密切相關，太陽活動劇烈時，電子含量增加太陽活動周期約為11年1700年–1995年太陽黑子數一、電離層折射同步觀測求差適用于短基線利用碼/載波相位擴散技術選擇最佳的觀測時間進行

觀測（晚上或夜間）

16減弱電離層影響的有效措施一、電離層折射雙頻接收機雙頻接收機，獲得兩個觀測值求差雙頻修正后，距離殘差可達厘米級高精度導航和定位都用雙頻接收機電離層模型進行改正（D碼）適用于單頻接收機改正后殘差為實際的20%—40%減弱電離層影響的有效措施

對流層折射誤差地面向上40m的大氣底層使路徑彎曲傳播速度與信號頻率無關對流層影響天頂方向2.3米地平方向20米17二、對流層折射

1、對流層及其影響對流層的色散效應折射率與信號波長的關系對流層對不同波長的波的折射效應結論對于GPS衛(wèi)星所發(fā)送的電磁波信號，對流層不具有色散效應

1、對流層及其影響對流層折射率N與溫度、氣壓和濕度的關系Smith和Weintranb，1954

1、對流層及其影響利用模型進行改正（氣象參數）修正后仍有5%-10%誤差霍普菲爾德（Hopfield）改正模型薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型勃蘭克（Black）改正模型利用同步觀測求差法適用于短基線（<20km）衛(wèi)星間差分比測站間差分效果好作為未知數，平差時求解

2、減弱對流層影響的措施20注：不同模型所算出的高度角30以上方向的延遲差異不大不同模型所算出的高度角30以上方向的延遲差異不大該方法設備簡單，方法易行，但由于水氣在空間的分布不均勻，不同時間、不同地點水氣含量相差甚遠，用通一模型很難準確描述，所以，對流層改正的濕氣部分精度較低，只能將濕分量消去80%~90%。21用改正模型進行對流層改正2、減弱對流層影響的措施

多路徑是指衛(wèi)星信號通過多個不同路徑傳到接收到衛(wèi)星信號的同時，還可能收到經天線周圍地物反射的衛(wèi)星信號，多種信號疊加就會引起測量參考點（相對中心）的位置變化，這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應稱為多路徑效應。

直接信號多路徑信號反射物23三、多路徑誤差多路徑效應誤差影響因素取決于間接波的強弱與衛(wèi)星信號方向有關與反射物反射系數有關與反射物離測站遠近有關用戶接收天線抗御間接波的能力多路徑效應誤差的大小影響較大時可達米級，甚至更大嚴重時導致衛(wèi)星失鎖多路徑效應是GPS定位中重要的誤差源之一24三、多路徑誤差

消除多路徑效應的措施選擇合適的GPS測站遠離建筑物遠離大面積水域不宜選擇在山坡、山谷和盆地中觀測過程中避免人、車接觸天線三、多路徑誤差

消除多路徑效應的措施完善接收機設備在天線的底部設置抑徑板靜態(tài)定位中，延長觀測時間可削弱多路徑效應三、多路徑誤差振子天線抑徑圈任務四：與接收機有關的誤差

一、接收機鐘差二、接收機位置誤差三、天線相位中心位置誤差25

在GPS測量時，為了保證隨時導航定位的需要，衛(wèi)星鐘必須具有極好的長期穩(wěn)定度。而接收機鐘則只需要在一次定位的期間內保持穩(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10-10。如果接收機鐘與衛(wèi)星鐘間的同步差為1μs，則由此引起的等效距離差約為300m。

26一、接收機鐘誤差消除接收機鐘差的措施作為未知數，在平差過程中求解（偽距測量采用）將接收機鐘差表示為時間多項式，