GPS測量的誤差來源及其影響解析

1、 7.1 GPS7.1 GPS測量主要誤差分類測量主要誤差分類 1. 概述 GPSGPS測量測量是通過地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送的信息來確定地面點的三維坐標(biāo)。測量結(jié)果的誤差測量結(jié)果的誤差主要來源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號的傳播過程和地面接收設(shè)備。在高精度的GPS測量中，還應(yīng)注意到與地球整體運動有關(guān)的地球潮汐、負(fù)荷潮及相對論效應(yīng)的影響。2.GPS2.GPS測量誤差的分類及對距離測量的影響測量誤差的分類及對距離測量的影響來源分類來源分類誤差種類誤差種類對對距離測量距離測量（m）衛(wèi)星部分衛(wèi)星部分 星歷星歷誤差誤差 鐘鐘誤誤差差 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)1.5-15信號傳播信號傳播 電離層電離層 對流層對流層

2、多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng)1.5-15信號增收信號增收鐘鐘的誤的誤差差 位置誤差位置誤差 天線相位天線相位中心變化中心變化1.5-5其其 它它地球潮汐地球潮汐 負(fù)荷潮負(fù)荷潮1.03.3.誤差性質(zhì)及影響特點誤差性質(zhì)及影響特點 性質(zhì)分類：性質(zhì)分類：偶然誤差：偶然誤差：信號的多路徑效應(yīng)信號的多路徑效應(yīng)系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)誤差：衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及大氣折射的誤差等及大氣折射的誤差等。 影響特點：影響特點：系統(tǒng)誤差的大小及其對定位結(jié)果的危害均遠(yuǎn)大于偶然系統(tǒng)誤差的大小及其對定位結(jié)果的危害均遠(yuǎn)大于偶然誤差，是誤差，是GPSGPS測量的主要誤差源。測量的主要誤差源。系

3、統(tǒng)誤差有一定規(guī)律可循，可采取一定的措施加以消系統(tǒng)誤差有一定規(guī)律可循，可采取一定的措施加以消除，因而是本章研究的主要對象。除，因而是本章研究的主要對象。7.2 7.2 與信號傳播有關(guān)的誤差與信號傳播有關(guān)的誤差7.2.1、電離層折射誤差7.2.2、對流層折射誤差7.2.3、多路徑誤差 （偶然誤差）7.2.17.2.1、電離層折射誤差及其消減方法、電離層折射誤差及其消減方法1、電離層及其影響電離層及其影響所謂電離層，地球上空距地面高度在501000km之間的大氣層。用信號的傳播時間乘上真空中光速而得到的距離就會不等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離，這種偏差叫電離層折射誤差電離層折射誤差。 2 2、減弱電離

4、層影響的措施、減弱電離層影響的措施 利用雙頻觀測 利用電離層改正模型 利用同步觀測值求差7.2.2 7.2.2 對流層的折射對流層的折射1、對流層、對流層是高度為40km以下的大氣底層,其大氣密度比電離層更大，大氣密度更為復(fù)雜。2、對流層折射的改正模型、對流層折射的改正模型 霍普菲爾德(Hopfild)公式 薩斯塔莫寧(Saastamoinen)公式 勃蘭克(Black)公式霍普菲爾德霍普菲爾德(Hopfild)(Hopfild)公式公式為水氣壓）（swsdswsswsdssdwdwdehThhheTKhhTPKEKEKsss1100016.27372.14840136)(4810102 .1

5、55)(102 .155)25. 2sin()25. 6sin(277212212Ps為測站的氣壓hs為測站的高程Ts為測站的絕對溫度Hd為對流層外邊緣的高度薩斯塔莫寧(Saastamoinen)公式有關(guān)，可查表獲得。和與有關(guān)，可查表獲得；與其中：sssssssshERhBhhWRhWEtgBeTPEs00028. 02cos0026. 01),(),()05. 01255(sin002277. 02283210716. 01015. 016. 1)4810(16)05. 01255(sin002277. 0sssssssshhactgEeTPTEEEEEtgaeTPEs其中：原始模型：擬合后

6、的公式：勃蘭克勃蘭克(Black)(Black)公式公式20. 0)69. 3(002312. 013000)96. 3(98.148)6 . 0(92. 1)273(00015. 0076. 0833. 0)()1 (1cos(1)()1 (1cos(1123 . 002020wsssdwsdEswwsddKTPTKhThEbTlEbhhlEKEbhhlEKs其中：3 3、減弱對流層折射改正殘差影響的措施、減弱對流層折射改正殘差影響的措施采用對流層模型加以改正。其氣象參數(shù)在測站直接測定。引入描述對流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得。利用同步觀測量求差。7.2.3 多路徑誤差 在GP

7、S測量中,如果測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號進(jìn)入接收機(jī)天線，這就將和直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”，這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應(yīng)被稱做多路徑效應(yīng)。減弱多路徑誤差的方法：(一)選擇合適的站址v測站應(yīng)遠(yuǎn)離大面積平靜水面v測站不宜選在山坡、山谷和盆地中v測站應(yīng)離開高層建筑物(二)對接收機(jī)天線的要求v在天線中設(shè)置抑徑板v接受天線對于極化特性不同的反射信號該有較強(qiáng)的抑制作用7.3 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 與衛(wèi)星本身有關(guān)的誤差 衛(wèi)星星歷差 衛(wèi)星鐘誤差 相對論效應(yīng)7.3.1 7.3.1 衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差 由衛(wèi)星星歷所給出的衛(wèi)星在空間的位

8、置與衛(wèi)星的實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。一、星歷數(shù)據(jù)的來源一、星歷數(shù)據(jù)的來源1、 廣播星歷（預(yù)報星歷）：它是通過衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文傳遞給用戶，用戶接受這些信號，經(jīng)過解碼便可獲得需要的衛(wèi)星星歷。12、 實測星歷（精密星歷）：根據(jù)實測資料進(jìn)行擬合處理而直接得出的星歷。廣播、航和實時定位無任何意義。二、星歷誤差對定位的影響二、星歷誤差對定位的影響對單點定位的影響對相對定位的影響三、解決星歷誤差的方法三、解決星歷誤差的方法建立我國的衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨立定軌同步觀測值求差軌道松弛法：半短弧法、短弧法7.3.2 7.3.2 衛(wèi)星鐘的鐘誤差衛(wèi)星鐘的鐘誤差 衛(wèi)星鐘的鐘差包括由鐘差、頻偏、頻漂等產(chǎn)生的衛(wèi)

9、星鐘的鐘差包括由鐘差、頻偏、頻漂等產(chǎn)生的誤差，也包含鐘的隨機(jī)誤差。在誤差，也包含鐘的隨機(jī)誤差。在GPSGPS測量中，碼相測量中，碼相位觀測和載波相位觀測，均要求衛(wèi)星鐘和接收機(jī)位觀測和載波相位觀測，均要求衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘保持嚴(yán)格同步。鐘保持嚴(yán)格同步。7.3.3 相對論效應(yīng) 狹義相對論狹義相對論 原理：時間膨脹。鐘的頻率與其運動速度有原理：時間膨脹。鐘的頻率與其運動速度有關(guān)。關(guān)。對對GPSGPS衛(wèi)星鐘的影響衛(wèi)星鐘的影響：ffsmcsmVGPSfcVffffcVfcVffffVsssssssssss10222221210835. 029979245838742)21 ()(1 ，則光速和真空中的衛(wèi)星

10、的平均運動速度考慮到為即兩者的頻率差將變?yōu)椋郝嗜舭仓玫叫l(wèi)星上，其頻的鐘，則在地面頻率為系中的運動速度為若衛(wèi)星在地心慣性坐標(biāo)廣義相對論廣義相對論原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關(guān)原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關(guān)對對GPSGPS衛(wèi)星鐘的影響：衛(wèi)星鐘的影響：ffkmkmRsmrRfcfcWWffWWTsTs1022314222210284. 526560637810986005. 3)11(，則衛(wèi)星的地心距近似取，近似取，若地面處的地心距其中為：將的差異與放在地面上時鐘頻率則同一臺鐘放在衛(wèi)星上，為，地面測站處的重力位為若衛(wèi)星所在處的重力位結(jié)論：在廣義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快結(jié)論：在廣

11、義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快狹義相對論廣義相對論狹義相對論廣義相對論sff1令：令：fffff102110449. 4:為上時總的變化量鐘頻率相對于其在地面用下，衛(wèi)星上義相對論效應(yīng)的共同作在狹義相對論效應(yīng)和廣 相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)（運動速相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)（運動速度和重力位）不同而引起衛(wèi)星鐘和接收鐘之間產(chǎn)生相對鐘度和重力位）不同而引起衛(wèi)星鐘和接收鐘之間產(chǎn)生相對鐘誤差的現(xiàn)象。嚴(yán)格地說，將其歸入與衛(wèi)星有關(guān)的誤差不完誤差的現(xiàn)象。嚴(yán)格地說，將其歸入與衛(wèi)星有關(guān)的誤差不完全準(zhǔn)確。但由于相對論效應(yīng)主要取決于衛(wèi)星的運動速度和全準(zhǔn)確。但由于相對論效應(yīng)主要

12、取決于衛(wèi)星的運動速度和重力位，并且是以衛(wèi)星鐘誤差的形式出現(xiàn)的，因此將其歸重力位，并且是以衛(wèi)星鐘誤差的形式出現(xiàn)的，因此將其歸入此類誤差。入此類誤差。 7.4 7.4 與接收機(jī)有關(guān)的誤差與接收機(jī)有關(guān)的誤差與接收機(jī)有關(guān)的誤差主要有接收機(jī)誤差、接收機(jī)位置誤差、天線相位中心位置誤差及幾何圖形強(qiáng)度誤差等。7.4.17.4.1 接收機(jī)鐘誤差接收機(jī)鐘誤差 減弱接收機(jī)鐘差的方法： 把每個觀測時刻的接收機(jī)鐘差當(dāng)作一個獨立的未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中與觀測站的位置參數(shù)一并求解。 認(rèn)為各個時刻的接收機(jī)鐘差間是相關(guān)的，將接收機(jī)鐘差表示為時間多項式，并在觀測量的平差計算中求解多項式系數(shù)。 通過在衛(wèi)星間求一次差來消除接收機(jī)鐘差。

13、7.4.2 接收機(jī)的位置誤差 接收機(jī)天線相位中心相對于測站標(biāo)石中心位置的誤差，叫接收機(jī)位置誤差。7 7.4.3.4.3天線相位中心位置偏差天線相位中心位置偏差 觀測時相位中心的瞬時位置與理論上的相位中心將有所不同，這種差別叫天線相位中心的位置偏差。7 7.4.3 GPS.4.3 GPS天線相位中心的偏差：天線相位中心的偏差： 水平偏差 垂直偏差 7.5 其他誤差 7.5.1 地球自轉(zhuǎn)的影響地球自轉(zhuǎn)的影響 衛(wèi)星信號自衛(wèi)星發(fā)送 到測站接收要產(chǎn)生一個時間差，此時間差內(nèi)與地球相固聯(lián)的協(xié)議地球坐標(biāo)系相對于衛(wèi)星發(fā)送信號的瞬間，位置已產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)(繞Z軸)， 由此造成衛(wèi)星信號傳播到觀測站的時間延遲，引起坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變化，該影響可通過模型加以改正。 jjjZYXZYX00000sin0sin0二、地球潮汐改正二、地球潮汐改正 1、固體潮 地球并非剛體，在太陽和月球的萬有引 力作用下，固體地球產(chǎn)生周期性的彈性變形， 稱為固體潮。 2、負(fù)荷潮