GPS測(cè)量的主要誤差來(lái)源及其影響

1、第五章 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來(lái)源及影響 第五章 GPS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 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來(lái)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(lái)源 2星歷誤差對(duì)定位的影

2、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(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) GPS控制中心跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推， 通過(guò) 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為

3、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(zhǎng)；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）建立自己的

4、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(guò)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 20ns以內(nèi)，由此引起的等效距離偏差不超過(guò) 6m。衛(wèi)星鐘差或經(jīng)改正后的殘差， 在相對(duì)定位中可

5、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(lái)說(shuō)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)傳播誤差一、電離層折

6、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(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。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)同一組衛(wèi)星的同步觀

7、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(guò) 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(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 、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，其大氣密度比電離層更 大，大氣狀

8、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(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%。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 與電離層的影響類型相似，當(dāng)兩觀測(cè)

9、站相距不太遠(yuǎn)時(shí)（例如 20km），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。22 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50100km 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(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?chē)匚锓瓷涞男l(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

10、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(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。24 第三節(jié)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(chē)； 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

11、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(zhǎng)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 10-10。如果接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘間的 同步差為 1，s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

12、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。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 480

13、0GPS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(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 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)

14、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(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

15、、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

16、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

17、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(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(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) 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