GPS主要誤差源及補(bǔ)償方法

1、GPS主要誤差源及補(bǔ)償方法學(xué)院：電子信息工程專業(yè)年級：自動化1306姓名：熊宇豪學(xué)號：13212054時間：2016年04月11日小組：熊峰、熊宇豪、張丹GPS主要誤差源及補(bǔ)償方法摘 要GPS測量誤差按其生產(chǎn)源可分3大部分：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差，包括衛(wèi)星時鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差和相對論效應(yīng)誤差；與信號傳播有關(guān)的誤差，包括電離層折射誤差、對流層折射誤差和多路徑效應(yīng)誤差；與接收機(jī)有關(guān)的誤差，主要包括接收機(jī)時鐘誤差、接收機(jī)位置誤差、接收機(jī)天線相位中心位置誤差。關(guān)鍵詞：GPS，誤差源。1、 GPS觀測中的誤差分類 1)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差：衛(wèi)星時鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、相對論效應(yīng)誤差； 2)與信號傳播有關(guān)的誤差：

2、電離層折射誤差、對流層折射誤差、多路徑效應(yīng)誤差； 3)與接收機(jī)有關(guān)的誤差：接收機(jī)時鐘誤差、接收機(jī)位置誤差、接收機(jī)天線相位中心位置誤差。 另外在進(jìn)行高精度GPS測量定位時(進(jìn)行地球動力學(xué)等方面的研究)，通常還應(yīng)該考慮與地球整體運(yùn)動有關(guān)的誤差，如地球自轉(zhuǎn)和地球潮汐的影響等。按誤差的性質(zhì)進(jìn)行區(qū)分，上述各種誤差有的屬于系統(tǒng)誤差、有的屬于偶然誤差。例如，衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星時鐘誤差、接收機(jī)時鐘誤差和大氣折射誤差等都屬于系統(tǒng)誤差，而多路徑效應(yīng)誤差等是屬于偶然誤差。其中系統(tǒng)誤差比偶然誤差無論是從誤差本身的大小或是其對測量定位結(jié)果影響程度來講都要大得多，所以說系統(tǒng)誤差應(yīng)該是進(jìn)行GPS測量定位時的主要誤差源。2、

3、 消除或消弱上述誤差影響的基本方法和措施1建立誤差改正模型對觀測值進(jìn)行改正,誤差改正模型通常有理論模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃途C合模型。理論模型是通過對誤差產(chǎn)生的原因、性質(zhì)及其對測量定位影響的規(guī)律進(jìn)行研究和分析，并從理論上進(jìn)行嚴(yán)格的推導(dǎo)而建立起來的誤差改正模型。經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛣t是通過對大量的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和研究，并經(jīng)過擬合而建立起來的誤差改正模型。而綜合模型則是綜合以上兩種方法建立起來的誤差改正模型。2選擇較好的硬件和良好的觀測條件,在GPS測量定位中，有的誤差是無法利用誤差改正模型進(jìn)行改正的。例如，多路徑效應(yīng)誤差的影響是比較復(fù)雜的，這與觀測站周圍的環(huán)境有很大的關(guān)系。要削弱多路徑效應(yīng)誤差的影響，一是選擇功

4、能完善的接收機(jī)天線；二是在選擇GPS點位時遠(yuǎn)離信號源和反射物。3利用同步觀測的方法，并對相應(yīng)的同步觀測值求差分,研究和分析誤差對觀測值或平差結(jié)果的影響情況，制定合理的觀測方案和采取有效的數(shù)據(jù)處理方法。通過對相應(yīng)的觀測值求差分來消除或削弱一些誤差的影響。4引入相應(yīng)的參數(shù),在GPS測量定位中。將某些參數(shù)設(shè)為未知參數(shù)，而將衛(wèi)星提供的參數(shù)值作為未知參數(shù)的初始值。在數(shù)據(jù)處理中與其他未知參數(shù)一起進(jìn)行解算，從而達(dá)到削弱誤差的影響，提高測量定位結(jié)果精度的目的。3、 各種誤差對導(dǎo)航和測量定位的影響以及消除措施3.1與衛(wèi)星有關(guān)的誤差與衛(wèi)星有關(guān)的誤差包括衛(wèi)星時鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差和相對論效應(yīng)誤差。衛(wèi)星時鐘誤差1.衛(wèi)

5、星時鐘誤差通常是指衛(wèi)星時鐘的時間讀數(shù)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差。雖然在每顆GPS衛(wèi)星上都裝備有原子鐘(銫原子鐘和銣原子鐘)，但是隨著時間的積累，這些原子鐘與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間也會有難以避免的偏差和漂移。通常衛(wèi)星時鐘的偏差總量約在1ms以內(nèi)(該項誤差通常也稱為物理同步誤差)，由此產(chǎn)生的等效距離誤差可達(dá)300km左右。對于衛(wèi)星時鐘的這種偏差，GPS系統(tǒng)是利用地面監(jiān)控系統(tǒng)對衛(wèi)星時鐘運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測而精確確定的，并以二階多項式的形式予以表示，,a0為t0時刻衛(wèi)星的鐘差、a1為t0時刻鐘速，a2為鐘速的變化率，這些參數(shù)是由地面監(jiān)控系統(tǒng)的主控站測定，并通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶使用。計算衛(wèi)星時鐘讀數(shù)的

6、改正數(shù)并加以改正，改正后通常能保證衛(wèi)星時鐘與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間的同步誤差在20ns以內(nèi)(該項誤差通常也稱為數(shù)學(xué)同步誤差)，由此產(chǎn)生的等效距離誤差不會超過6m。要想進(jìn)一步削弱衛(wèi)星時鐘殘差對測量定位的影響，可以在不同的觀測站上對同一顆衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測，并將相應(yīng)的同步觀測值進(jìn)行求差分處理。2.在GPS測量中一般可采用下列方法解決鐘誤差：()忽略衛(wèi)星鐘的數(shù)學(xué)同步誤差在導(dǎo)航和低精度單點定位中，由于測碼偽距觀測值的精度本來就較低，對衛(wèi)星導(dǎo)航定位結(jié)果的精度要求也不高，因而在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時通常就不顧及衛(wèi)星鐘的數(shù)學(xué)同步誤差，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電義中給出的鐘參數(shù)，用(32)式求得t值，把它當(dāng)成是衛(wèi)星鐘的鐘差。在這種情況下觀

7、測方程中只含4個未知參數(shù)：觀測瞬間用戶的三維坐標(biāo)及接收機(jī)鐘的鐘差。(2)利用測碼偽距單點定位法來確定接收機(jī)鐘的鐘差利用測距碼來測定從衛(wèi)星至接收機(jī)的距離，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文中給出的參數(shù)來確定觀測瞬間衛(wèi)星在空間的位置以及衛(wèi)星鐘的鐘差，據(jù)此即可用單點定位法解得觀測瞬間接收機(jī)鐘的鐘差，精度估計可達(dá)01-02ps。利用上述方法確定的接收機(jī)鐘差在計算衛(wèi)星在空間的精確位置及各種改正數(shù)時被廣泛使用。(3)通過其他渠道獲取精確的衛(wèi)星鐘差值在某些應(yīng)用中，例如利用載波相位觀測值進(jìn)行精密單點定位(PPPPreci，。PointPos山。nmg)時，觀測值的精度很高，對定位結(jié)果的精度要求也很高，自然對衛(wèi)星鐘差也會提出很高

8、的要求。(4)通過觀測值相減來消除公共的鐘差項利用載波相位觀測值進(jìn)行相對定位時，觀測值和定位結(jié)果的精度都很高。衛(wèi)星星歷誤差1.衛(wèi)星星歷誤差(衛(wèi)星的軌道誤差)是指由衛(wèi)星星歷計算得到的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星在空間的實際位置之差。要估計和處理衛(wèi)星星歷誤差一般是比較困難的，主要原因在于，衛(wèi)星在運(yùn)行過程中要受到多種攝動力的復(fù)雜影響，利用地面監(jiān)控系統(tǒng)對衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測，難以可靠地、準(zhǔn)確地測定這些作用力，且無法掌握它們的作用規(guī)律，所以在星歷預(yù)報時會產(chǎn)生較大的誤差。在一個觀測時段內(nèi)衛(wèi)星星歷誤差具有系統(tǒng)誤差的特性，應(yīng)該屬于起算數(shù)據(jù)誤差。2.GPS衛(wèi)星的廣播星歷和精密星歷精密星歷全球定位系統(tǒng)是美國國防部研制、組建、管理的

9、一個衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度(含相應(yīng)的廣播星歷精度)是根據(jù)軍方用戶的需要來確定的，并非以追求最高的精度為目的。精密星歷則是為滿足大地測量、地球動力學(xué)研究等精密應(yīng)用領(lǐng)域的需要而研制、生產(chǎn)的一種高精度的事后星歷(目前IGS也開始提供精密預(yù)報星歷，以滿足高精度實時定位用戶的需要)：目前的GPS精密星歷主要有兩種：由美國國防制圖局(DMA)生產(chǎn)的精密星歷以及由國際GPS服務(wù)(1GS)生產(chǎn)的精密星歷：前者的星歷精度約為2m；后者的星歷精度則優(yōu)于5m。(1)衛(wèi)星星歷誤差對單點絕對定位的影響，在觀測站上利用接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號獲得偽距觀測值，并根據(jù)衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星位置坐標(biāo)進(jìn)行單點絕對定位，

10、衛(wèi)星的位置誤差，對觀測站位置坐標(biāo)和接收機(jī)時鐘的影響取決于衛(wèi)星的位置誤差的大小，而具體的配賦方式則與衛(wèi)星至觀測站的幾何圖形有關(guān)。衛(wèi)星星歷誤差對觀測站位置坐標(biāo)的影響通常可達(dá)數(shù)米、數(shù)十米，有時甚至可達(dá)百米左右。(2)衛(wèi)星星歷誤差對相對定位的影響。利用相鄰兩個觀測站受衛(wèi)星星歷誤差影響的相關(guān)性，將相應(yīng)的觀測量求差分可以有效地消除衛(wèi)星星歷誤差影響的共同部分，從而獲得高精度的相對坐標(biāo)，達(dá)到削弱衛(wèi)星星歷誤差影響。2.削弱衛(wèi)星星歷誤差影響的方法和措施：（1）采用精密星歷，在高精度的應(yīng)用領(lǐng)域中，可使用精密星歷。（2）采用相對定位模式，對于進(jìn)行長距離、高精度GPS測量定位，應(yīng)該使用高精度的精密星歷。一方面可以向有償

11、提供精密星歷的部門預(yù)訂，另一方面可以建立GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)，進(jìn)行獨(dú)立定軌，自己提供高精度的精密星歷，滿足精密GPS測量定位的要求。這樣不僅可以擺脫在非常時期受美國政府有意降低衛(wèi)星廣播星歷精度的影響，而且還可以向?qū)崟r動態(tài)測量定位的用戶提供無人干擾的預(yù)報星歷。3、相對論效應(yīng)，相對論效應(yīng)誤差是指由于衛(wèi)星上的時鐘和地球上的時鐘所處的狀態(tài)(主要是指運(yùn)動速度和重力位)不同而引起的衛(wèi)星時鐘與地球上時鐘產(chǎn)生相對鐘誤差的現(xiàn)象。由于相對論效應(yīng)誤差取決于衛(wèi)星時鐘所處的狀態(tài)衛(wèi)星的狀態(tài)，而且相對論效應(yīng)誤差是以衛(wèi)星時鐘誤差的形式出現(xiàn)的，所以將相對論效應(yīng)誤差歸入與衛(wèi)星有關(guān)的誤差。該誤差對測距碼偽距觀測值和載波相位測量觀測值的

12、影響是相同的。將各數(shù)值代入(4-8)式中，可得f2=5284X10fo.這表明：由于廣義相對論效應(yīng)的影響，衛(wèi)星上的時鐘比地球上的同類時鐘走得快。3相對論效應(yīng)影響的處理，從以上具體數(shù)值可以看出：就GPS衛(wèi)星而言，廣義相對論效應(yīng)的影響比狹義相對論效應(yīng)的影響要大得多，而且它們的符號相反。事實上衛(wèi)星上的時鐘是同時受到廣義相對論效應(yīng)和狹義相對論效應(yīng)的共同影響，所以總的相對論效應(yīng)的影響應(yīng)該為 由此可見：由于相對論效應(yīng)的影響，同一臺時鐘當(dāng)它位于GPS衛(wèi)星上的頻率比在地球表面上時要增加4449X10-10fo。所以要解決相對論效應(yīng)的影響，最簡單的方法即是在制造GPS衛(wèi)星時鐘時應(yīng)該先將其頻率降低444910-1

13、0fo。因為GPS衛(wèi)星上時鐘的標(biāo)準(zhǔn)頻率應(yīng)該為1023MHz，那么GPS衛(wèi)星的時鐘在廠家生產(chǎn)時應(yīng)該把頻率調(diào)為1023MHz(1444910-10)=1022999999545MHz這樣，當(dāng)該時鐘隨GPS衛(wèi)星進(jìn)入軌道運(yùn)行并受到相對論效應(yīng)影響后，其頻率正好變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)頻率1023MHz。在此應(yīng)該說明，實際上由于GPS衛(wèi)星的運(yùn)行軌道是一個橢圓，因此衛(wèi)星離地心的距離r以及衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系中運(yùn)動的速度K均是隨時間變化的，是時間的函數(shù)。于是可以將相對論效應(yīng)誤差看成是衛(wèi)星軌道為圓時的相對論效應(yīng)和衛(wèi)星的非嚴(yán)格圓軌道引起的一個微小的附加偏差項的總和。在實際應(yīng)用GPS定位時，采用預(yù)先將衛(wèi)星時鐘頻率降低444910一的方

14、法來克服圓軌道時相對論效應(yīng)的影響；對于非嚴(yán)格圓軌道引起的一個微小的附加偏差，由計算式加以改正。所以經(jīng)上面方法改正后仍然存在殘差，殘差最大值可達(dá)70ns，其對衛(wèi)星時鐘鐘速的影響可達(dá)001nss，這一項誤差在進(jìn)行高精度GPS測量定位中應(yīng)該予以考慮。3.2與信號傳播有關(guān)的誤差與信號傳播有關(guān)的誤差包括電離層折射誤差、對流層折射誤差和多路徑效應(yīng)誤差。32.1電離層延遲1.電離層延遲的基本概念: 由于地球周圍的電離層對電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為電離層延遲。2.電子密度和總電子含量，求電離層延遲改正的關(guān)鍵在于求電子密度Ne, 影響電子密度的因素：1)電子密度和高度間的關(guān)

15、系：電子密度Ne將隨著高度的變化而變化。這是因為一方面大氣密度將隨著高度的增加而減小。另一方面隨著高度的降低，太陽光中的紫外線、X射線和高能粒子的輻射通量也將在傳播過程中不斷被大氣吸收而變得越來越弱。在這兩種相反因素的作用下，電子密度一般在高度為300400km間取最大值 。2)總電子含量及其與地方時之間的關(guān)系：在討論電離層延遲時常引人總電子含量TEC這一概念：TEC：IsNedp總電子含量即為沿著信號傳播路徑對電子密度進(jìn)行積分所獲得的結(jié)果，也即為底面積為一個單位面積時沿著信號傳播路徑的貫穿整個電離層的一個柱體內(nèi)所含的總電子數(shù)，通常以電子數(shù)m2或電子數(shù)cm為單位。3) .總電子含量與太陽活動間

16、的關(guān)系：因為地球大氣層產(chǎn)生電離的主要源是太陽，因而總電子含量與太陽活動間有密切的關(guān)系。在研究電離層延遲時，太陽的活動通常是用太陽黑子數(shù)或l07cm波長的太陽輻射流量來表示。當(dāng)太陽的黑子數(shù)增加或10.7cm的輻射流量增加時，總電子含量也會相應(yīng)增加。在太陽活動高年與太陽活動低年之間TEC可相差4倍左右。太陽活動的周期約為11年，故TEC也呈周期為11年左右的周期性變化。4）影響總電子含量的其它因素除上述因素外，總電子含量還將隨季節(jié)變化，地磁場變化。3.減弱電離層的影響的措施(1)利用雙頻觀測電離層的影響是信號頻率的函數(shù)。在太陽輻射的正午或在太陽黑子活動的異常期，應(yīng)盡量避免觀測，尤其是對精密定位的測

17、量。雙頻改正模型：信號所受到的電離層延遲是與信號地心中心電離層頻率的平方成反比的。如果我們能同時用兩種頻率來發(fā)射信號，這兩種不同頻率的信號將沿著同一路徑傳播到達(dá)接收者處。由于信號頻率不同，這兩種信號所受的電離層延遲也不同,因此同時發(fā)射的這兩種信號將先后到達(dá)接收者處。(2)利用電離層模型加以修正對于單頻GPS接收機(jī)，為了減弱電離層的影響，一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型，或其他適合的電離層模型對觀測量加以修正。但是，這種模型至今仍在完善之中。目前，模型改正的有效率約為75。常用的計算總電子含量的模型有：本特(Bent)模型用該模型可計算l000km以下的電子密度高程剖面圖，從而獲得TEC和電離

18、層延遲等參數(shù)。國際參考電離層(International Reference -lonosphere)模型?？肆_布歇(Klobuchar)模型這是一個被單頻GPS用戶所廣為采用的電離層延遲改正模型。(3)利用同步觀測值求差這一方法是利用兩臺或多臺接收機(jī)，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱電離層折射的影響。尤其當(dāng)觀測站間的距離較近時(20km)，由于衛(wèi)星信號到達(dá)各觀測站的路徑相近，所經(jīng)過的介質(zhì)狀況相似。因此，通過各觀測站對相同衛(wèi)星信號的同步觀測值求差，便可顯著減弱電離層折射影響，其殘差將不會超過0000001。對于單頻GPS接收機(jī)而言，這種方法的重要意義尤為明顯。對流層延遲衛(wèi)星導(dǎo)航定位中的對流層

19、延遲通常是泛指電磁波信號在通過高度在50km以下的未被電離的中性大氣層時所產(chǎn)生的信號延遲。1.基本原理,真空中的折射系數(shù)n為1，電磁波信號在真空中的傳播速度c=299792458kms，若對流層中某處的大氣折射系數(shù)為n，則電磁波信號在該處的傳播速度為：v=cn。所以當(dāng)電磁波信號在對流層中的傳播時間為t、時，其真正的路徑長度為：從式(3-69)知，要求得對流層延遲改正就需知道信號傳播路徑上各處的大氣折射系數(shù)n。而從式(372)知，要知道信號傳播路徑：各處的大氣折射系數(shù)n，實際上就是要知道各處的氣象元素。然而一般說來，信號傳播路徑上各處的氣象元素是難以實際量測的，我們能量測的只是測站上的氣溫T，、

20、氣壓P，和水汽壓e,所以首先必須建立一個依據(jù)測站上的氣象元素T、P、e來計算空中各點的氣象元素的數(shù)學(xué)模型，然后再代人式(372)和式(3-69)求出對流層延遲改正。2.常用的幾種對流層延遲模型（1）霍普菲爾德(Hopfield)模型（2）薩斯塔莫寧(Saastamoinen)模型（3）勃蘭克(Black)模型3、氣象元素的測定測站上的氣溫了，和氣壓戶，可用溫度計和氣壓計直接測定(通過直接量測的氣溫是用攝氏度表示的，加27316。將其化算為絕對溫度即可)。量測應(yīng)在接收天線的相位中心(VLBI，GPS等)或儀器中心(電磁波測距儀等)附近進(jìn)行。而另氣象元累水汽壓e，則通常用下列方法間接求得：（1）根

21、據(jù)測站上的相對濕度RH來計算e。（2）. 用干濕溫度計測定測站上的干溫和濕溫,然后再按公式計算e。 4、誤差分析及提高改正精度的方法利用上述模型來計算對流層延遲時影響精度的主要因素有：1）模型誤差模型誤差取決于建立模型過程中所作假設(shè)的可靠程度以及在公式推導(dǎo)過程中為計算方便而作的各種近似的影響程度。 2）氣象元素誤差(1)地面測站氣象元素的量測誤差反映了量測的氣象元素與實際的地面氣象元素之間的不一致程度。（2)GPS測量規(guī)范中規(guī)定，當(dāng)測站附近的小環(huán)境與周圍的大環(huán)境有明顯差別時，應(yīng)在與周圍大環(huán)境一致的地方量測氣象元素，然后根據(jù)量測地點與測站間的高差，經(jīng)高差改正后將其歸算為測站上的氣象元素。(3)

22、實際大氣狀態(tài)與大氣模型間的差異計算對流層延遲時所用的大氣模型不可能與實際的大氣狀態(tài)完全相同。第一，在對流層延遲模型中一般均采用對稱球形大氣模型；第二，大氣模型是對全球大氣的平均狀況的一種模擬，它描述了在正常情況下大氣的標(biāo)準(zhǔn)分布狀態(tài)。 4提高對流層延遲改正精度的方法：將對流層延遲當(dāng)做待定參數(shù)；采用隨機(jī)模型用隨機(jī)模型來描述天頂方向?qū)α鲗訚裱舆t隨時間的變化規(guī)律。 多路徑誤差在GPS測量中，被測站附近的反射物所反射的衛(wèi)星信號(反射波)如果進(jìn)入接收機(jī)天線，就將和直接來自衛(wèi)星的信號(直射波)產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值，產(chǎn)生“多路徑誤差”。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)。多路徑

23、效應(yīng)將嚴(yán)重?fù)p害GPS測量的精度，嚴(yán)重時還將引起信號的失鎖。1反射波實際測量中，GPS天線接收到的信號是直射波和反射波發(fā)生干涉后的組合信號。反射物可以是地面、山坡和測站附近的建筑物等。2消除和削弱多路徑誤差的方法和措施(1)選擇合適的站址。灌木叢、草地和其他地面植被能較好地吸收微波信號的能量，反射很弱，是較為理想的設(shè)站地址。測站不宜選擇在山坡上、山谷和盆地中。當(dāng)山坡的坡度過大時，在截止高度角以上便會出現(xiàn)障礙物，影響衛(wèi)星信號的接收。即使當(dāng)坡度較小時，反射信號也能從天線抑徑板上方進(jìn)入天線，產(chǎn)生多路徑誤差。選站時應(yīng)注意離開這些建筑物，觀測時汽車也不要停放得離測站過近。(2)選擇合適的GPS接收機(jī)。在天線下設(shè)置抑徑板或抑徑圈；接收機(jī)天線對極化方向相反的反射信號應(yīng)