《符合教材》第四章_GPS測量誤差分析

1、甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析1甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析2誤差來源誤差來源誤差分類誤差分類GPS衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星星歷誤差；衛(wèi)星鐘誤差；相對論效應(yīng)衛(wèi)星星歷誤差；衛(wèi)星鐘誤差；相對論效應(yīng)信號傳播信號傳播電離層折射誤差；對流層折射誤差；多路徑效應(yīng)電離層折射誤差；對流層折射誤差；多路徑效應(yīng)接收設(shè)備接收設(shè)備接收機(jī)鐘誤差；接收機(jī)位置誤差；天線相位中心變化接收機(jī)鐘誤差；接收機(jī)位置誤差；天線相位中心變化其他其他地球潮汐；地球潮汐； 負(fù)荷潮等負(fù)荷潮等甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析3甘甘林林院院測測繪

2、繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析4| 衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差| 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差| 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析5 在進(jìn)行在進(jìn)行GPS定位時，計算在某時刻定位時，計算在某時刻GPS衛(wèi)星位置所需衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過各種類型的星歷提供的，但不論采的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過各種類型的星歷提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計算出的衛(wèi)星位置都會與其真實位用哪種類型的星歷，所計算出的衛(wèi)星位置都會與其真實位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。|廣播星歷廣播星歷 根據(jù)美國根據(jù)美國GPS控制中

3、心跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行控制中心跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，通過外推，通過GPS衛(wèi)星發(fā)播的一種預(yù)報星歷。衛(wèi)星發(fā)播的一種預(yù)報星歷。|實測星歷實測星歷 根據(jù)實測資料進(jìn)行擬合處理而直接得出的星歷。根據(jù)實測資料進(jìn)行擬合處理而直接得出的星歷。其大小主要取決于衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)量及空間分布、觀測值其大小主要取決于衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)量及空間分布、觀測值的數(shù)量及精度、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟件的的數(shù)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。完善程度。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析6單點定位：單點定位： 星歷誤差的徑向分量作為等價測距誤差進(jìn)入平差計算，星歷誤差的徑

4、向分量作為等價測距誤差進(jìn)入平差計算，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)。與衛(wèi)星的幾何圖形有關(guān)。相對定位：相對定位： 利用兩站的同步觀測資料進(jìn)行相對定位時，由于星歷誤利用兩站的同步觀測資料進(jìn)行相對定位時，由于星歷誤差對兩站的影響具有很強(qiáng)的相關(guān)性，所以在求坐標(biāo)差時，共差對兩站的影響具有很強(qiáng)的相關(guān)性，所以在求坐標(biāo)差時，共同的影響可自行消去，從而獲得高精度的相對坐標(biāo)。根據(jù)一同的影響可自行消去，從而獲得高精度的相對坐標(biāo)。根據(jù)一次觀測的結(jié)果，可以導(dǎo)出星歷誤差對定位影響的估算式為：次觀測的結(jié)果，可以導(dǎo)出星歷誤差對定位影

5、響的估算式為： dbdsb由衛(wèi)星星歷誤差所引起的基線誤差由衛(wèi)星星歷誤差所引起的基線誤差基線長基線長衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星至測站的距離衛(wèi)星至測站的距離甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析7 a. a. 同步觀測值求差：同步觀測值求差：因為在相對定位中，同一衛(wèi)因為在相對定位中，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，所以對兩個或多個觀測站對同一衛(wèi)星有系統(tǒng)性，所以對兩個或多個觀測站對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差可以減弱星歷誤差的影響。的同步觀測值求差可以減弱星歷誤差的影響。 b. b. 軌道松弛法：軌道松弛

6、法：在平差模型中把衛(wèi)星星歷給出的在平差模型中把衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星軌道視為初始值，將其改正數(shù)作為未知數(shù)，衛(wèi)星軌道視為初始值，將其改正數(shù)作為未知數(shù)，通過平差同時求得測站位置及軌道改正數(shù)的方法。通過平差同時求得測站位置及軌道改正數(shù)的方法。 c. c. 建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨立定軌。建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨立定軌。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析8 衛(wèi)星鐘差是衛(wèi)星鐘差是GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時與的鐘面時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間的誤差。標(biāo)準(zhǔn)時間的誤差。 衛(wèi)星鐘采用的是衛(wèi)星鐘采用的是GPS 時，但盡管時，但盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘）

7、，它們與理想的有高精度的原子鐘（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(jī)誤差。這些偏差總量在移，也包含鐘的隨機(jī)誤差。這些偏差總量在1ms以以內(nèi)，由此引起的等效距離可達(dá)內(nèi)，由此引起的等效距離可達(dá)300km。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析9 式中式中t t0 0為一參考?xì)v元，系數(shù)為一參考?xì)v元，系數(shù)a a0 0、a a1 1、a a2 2分別表示鐘在分別表示鐘在t t0 0時時刻的鐘差、鐘速及鐘速的變率。這些數(shù)值由衛(wèi)星的地面控刻的鐘差、鐘速及鐘速的變率。這些數(shù)值由衛(wèi)星的地面

8、控制系統(tǒng)根據(jù)前一段時間的跟蹤資料和制系統(tǒng)根據(jù)前一段時間的跟蹤資料和GPSGPS標(biāo)準(zhǔn)時推算出來，標(biāo)準(zhǔn)時推算出來，并通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶。并通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶。衛(wèi)星鐘差可通過下式得到改正：衛(wèi)星鐘差可通過下式得到改正：201020()()staa tta tt 經(jīng)上述鐘差改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差可經(jīng)上述鐘差改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差可保持在保持在20ns20ns以內(nèi)，由此引起的等效距離偏差不超過以內(nèi)，由此引起的等效距離偏差不超過6m6m。衛(wèi)星鐘差或經(jīng)改正后的殘差，在相對定位中可。衛(wèi)星鐘差或經(jīng)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。通過差分法在一次求差中得到

9、消除。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析10 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)不同而相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)不同而引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生相對鐘差的現(xiàn)象。相對論引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生相對鐘差的現(xiàn)象。相對論效應(yīng)主要取決于衛(wèi)星的運動速度和重力位，并且是以衛(wèi)星鐘效應(yīng)主要取決于衛(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)誤差的形式出現(xiàn) 。 狹義相對論觀點狹義相對論觀點一個頻率為一個頻率為f0的振蕩器安裝在飛行速的振蕩器安裝在飛行速度為度為v的的 載體上，由于載體的運動，對地面觀測者來說將產(chǎn)載體上，由于載體的運動，對地面

10、觀測者來說將產(chǎn)生頻率變化。生頻率變化。2122ssVffffC 1010.835 10ff 說明從地面觀測，衛(wèi)星鐘走得慢，影響電磁波傳播時間的說明從地面觀測，衛(wèi)星鐘走得慢，影響電磁波傳播時間的測定。測定。 甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析11廣義相對論觀點廣義相對論觀點處于不同等位面的振蕩器，其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。頻率將由于引力位不同而發(fā)生變化。 2211()ffCRr1025.284 10ff 事實上相對論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，所以經(jīng)改正后仍有殘事實上相對論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，所以經(jīng)改正后仍有殘差，它對差，它對GPSGP

11、S時的影響最大可達(dá)時的影響最大可達(dá)70ns70ns，對精密定位仍不可忽略。，對精密定位仍不可忽略。10124.449 10ffff 說明由于相對論效應(yīng)的影響，使一臺鐘放到高速運行的衛(wèi)說明由于相對論效應(yīng)的影響，使一臺鐘放到高速運行的衛(wèi)星后其頻率比在地面時增加了星后其頻率比在地面時增加了 ，所以最簡單的，所以最簡單的解解決辦法決辦法是在制造衛(wèi)星鐘時預(yù)先把頻率降低是在制造衛(wèi)星鐘時預(yù)先把頻率降低 。104.449 10f104.449 10f甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析12電離層折射電離層折射對流層折射對流層折射多路徑誤差多路徑誤差甘甘林林院院測測繪繪工工程程系

12、系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析13 電離層是高度位于電離層是高度位于50km至至1000km之間的大氣層。由于之間的大氣層。由于太陽的強(qiáng)烈輻射，電離層中的部分氣體分子將被電離形成大太陽的強(qiáng)烈輻射，電離層中的部分氣體分子將被電離形成大量的自由電子和正離子。當(dāng)電磁波信號穿過電離層時，信號量的自由電子和正離子。當(dāng)電磁波信號穿過電離層時，信號的路徑會產(chǎn)生彎曲（但對測距的影響很微小，一般可不顧的路徑會產(chǎn)生彎曲（但對測距的影響很微小，一般可不顧及），傳播速度會發(fā)生變化（其中自由電子起主要作用）。及），傳播速度會發(fā)生變化（其中自由電子起主要作用）。所以用信號的傳播時間乘上真空中的光速而得到的距離就會

13、所以用信號的傳播時間乘上真空中的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。對于誤差。對于GPS信號來講，這種距離差在天頂方向最大可達(dá)信號來講，這種距離差在天頂方向最大可達(dá)50m（太陽黑子活動高峰年（太陽黑子活動高峰年11月份的白天），在接近地平方月份的白天），在接近地平方向時（高度角為向時（高度角為20時）則可達(dá)時）則可達(dá)150m。 甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析142140.28GenN f 2(1 40.28)GeGCvCN fn電子密度電子密度若在測碼偽距測量中測

14、得信號得傳播時間為若在測碼偽距測量中測得信號得傳播時間為 ，則衛(wèi)星至，則衛(wèi)星至接收機(jī)的真正距離接收機(jī)的真正距離S S為：為：t2240.28(1 40.28)GeettSSv dtCN fdtCtCN dsf 240.28eionSCN dsdf電離層改正項電離層改正項eSN ds信號傳播路徑信號傳播路徑S的電子總量的電子總量甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析15 電離層影響具有以下三大特性：電離層影響具有以下三大特性： . .擴(kuò)散性：指它的折射系數(shù)是電磁波頻率的函數(shù)。擴(kuò)散性：指它的折射系數(shù)是電磁波頻率的函數(shù)。 . .互補(bǔ)性：指它對碼相位觀測值和載波相位觀測互

15、補(bǔ)性：指它對碼相位觀測值和載波相位觀測值的影響偏差大小相等，符號相反。值的影響偏差大小相等，符號相反。 載波相位觀測：載波相位觀測： 測碼偽距觀測：測碼偽距觀測： 式中：式中：d dionion為電離層改正，為電離層改正，C C為真空中的光速，為真空中的光速，f f為信號的頻率為信號的頻率(H(Hz z) )，N Ne e為電子密度，為電子密度， 表示沿著表示沿著信號傳播路徑信號傳播路徑SS對電子密度對電子密度N Ne e進(jìn)行積分，即電子總進(jìn)行積分，即電子總量量( (在天頂方向最小在天頂方向最小, ,地平方向最大地平方向最大) )。 . .瞬變性：指它對瞬變性：指它對GPSGPS測量的影響隨時

16、間、地點、測量的影響隨時間、地點、季節(jié)和年代等而發(fā)生較大變化。季節(jié)和年代等而發(fā)生較大變化。 dsNfCdseion228.40dsNfCdseion228.40 sedsN甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析16 a.利用雙頻觀測：利用雙頻觀測： 由以上電離層改正公式可知，由以上電離層改正公式可知，電磁波通過電離層所產(chǎn)生的折射改正數(shù)與電磁波電磁波通過電離層所產(chǎn)生的折射改正數(shù)與電磁波的頻率的平方成反比，如果分別用兩個不同頻率的頻率的平方成反比，如果分別用兩個不同頻率的載波來發(fā)射衛(wèi)星信號，這兩個信號就將沿著同的載波來發(fā)射衛(wèi)星信號，這兩個信號就將沿著同一路徑到達(dá)接收機(jī)

17、，雖然電子總量無法準(zhǔn)確知道，一路徑到達(dá)接收機(jī)，雖然電子總量無法準(zhǔn)確知道，但對兩個頻率來說是相同的，所以最后可以求得但對兩個頻率來說是相同的，所以最后可以求得電離層折射改正電離層折射改正(測碼偽距觀測測碼偽距觀測)或兩個改正項的或兩個改正項的相互關(guān)系相互關(guān)系(載波相位觀測載波相位觀測)。雙頻接收機(jī)正是利用。雙頻接收機(jī)正是利用該原理有效地削弱了電離層的影響該原理有效地削弱了電離層的影響,所以其定位精所以其定位精度比單頻接收機(jī)高。度比單頻接收機(jī)高。 dsNfCdseion228.40dsNfCdseion228.40甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析17240.28

18、:ionesdCN dsf 對于40.28esACN ds 令:2:ionAdf則則對于同一臺接收機(jī)來說，用調(diào)制在兩個不同頻率載波上則對于同一臺接收機(jī)來說，用調(diào)制在兩個不同頻率載波上的測距碼測得的站星偽距分別為的測距碼測得的站星偽距分別為 :122212AASff12, 211222122()10.6469ionionfAAddfff1122121.54573()2.54573()ioniondd利用載波相位觀測時的改正符號與其相反，且要引入利用載波相位觀測時的改正符號與其相反，且要引入N N0 0。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析18電子密度與大氣高度的關(guān)

19、系電子密度與大氣高度的關(guān)系甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析19 b. 利用電離層改正模型加以修正利用電離層改正模型加以修正：對于單：對于單頻頻GPS接收機(jī)的用戶，為了減弱電離層的接收機(jī)的用戶，為了減弱電離層的影響，一般采用由導(dǎo)航電文所提供的電離影響，一般采用由導(dǎo)航電文所提供的電離層模型，或其它適宜的電離層模型對觀測層模型，或其它適宜的電離層模型對觀測量加以改正。但是，實測資料表明，目前量加以改正。但是，實測資料表明，目前模型改正大體上只能消除電離層折射影響模型改正大體上只能消除電離層折射影響的的75%左右。左右。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測

20、測量量誤誤差差分分析析20|BentBent模型模型z由美國的由美國的R.B.BentR.B.Bent提出提出z描述電子密度描述電子密度z是經(jīng)緯度、時間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù)是經(jīng)緯度、時間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù)|國際參考電離層模型（國際參考電離層模型（IRI International IRI International Reference IonosphereReference Ionosphere）z由國際無線電科學(xué)聯(lián)盟（由國際無線電科學(xué)聯(lián)盟（URSI International URSI International Union of Radio ScienceUnion of R

21、adio Science）和空間研究委員會）和空間研究委員會（COSPAR - Committee on Space ResearchCOSPAR - Committee on Space Research）提出）提出z描述高度為描述高度為50km-2000km50km-2000km的區(qū)間內(nèi)電子密度、電的區(qū)間內(nèi)電子密度、電子溫度、電離層溫度、電離層的成分等子溫度、電離層溫度、電離層的成分等z以地點、時間、日期等為參數(shù)以地點、時間、日期等為參數(shù)電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喗殡婋x層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喗楦矢柿至衷涸簻y測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析21|KlobucharKlobuch

22、ar模型模型z由美國的由美國的J.A.KlobucharJ.A.Klobuchar提出提出z描述電離層的時延描述電離層的時延z廣泛地用于廣泛地用于GPSGPS導(dǎo)航定位中導(dǎo)航定位中zGPSGPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中播發(fā)其模衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中播發(fā)其模型參數(shù)供用戶使用型參數(shù)供用戶使用甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析22 c. c. 利用同步觀測值求差：利用同步觀測值求差：該方法是利用兩臺或多該方法是利用兩臺或多臺接收機(jī)對同一組衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減臺接收機(jī)對同一組衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱電離層折射的影響，尤其是當(dāng)觀測站的距離較弱電離層折射的影響，尤其是當(dāng)觀測站的

23、距離較近時近時( (如如20km)20km)，由于衛(wèi)星信號到達(dá)不同觀測站的，由于衛(wèi)星信號到達(dá)不同觀測站的傳播路程的大氣狀況很相似，因此通過不同觀測傳播路程的大氣狀況很相似，因此通過不同觀測站對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差更能顯著地減弱站對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差更能顯著地減弱電離層折射影響，改正后其殘差一般為電離層折射影響，改正后其殘差一般為1ppmD.1ppmD.所以在所以在GPSGPS測量中測量中, ,對于短距離的相對定位，使用對于短距離的相對定位，使用單頻接收機(jī)也能達(dá)到較高的精度，但隨著基線的單頻接收機(jī)也能達(dá)到較高的精度，但隨著基線的增長，其精度會明顯下降。所以單頻接收機(jī)的精增長，其精度會明

24、顯下降。所以單頻接收機(jī)的精度會受到測程的限制。度會受到測程的限制。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析23 d. d. 采用具有采用具有CCDCCD技術(shù)的單頻接收機(jī)：技術(shù)的單頻接收機(jī)：CCDCCD技術(shù)是技術(shù)是“碼碼/ /載波相位擴(kuò)散技術(shù)載波相位擴(kuò)散技術(shù)”的簡稱，由美國學(xué)者的簡稱，由美國學(xué)者B.WB.W雷蒙迪在雷蒙迪在19931993年首先提出。該技術(shù)的原理年首先提出。該技術(shù)的原理是利用電離層的互補(bǔ)特性即它對測碼偽距觀測值是利用電離層的互補(bǔ)特性即它對測碼偽距觀測值和載波相位觀測值影響的偏差大小相等，符號相和載波相位觀測值影響的偏差大小相等，符號相反。從而將這兩種觀

25、測值進(jìn)行加權(quán)組合，以削弱反。從而將這兩種觀測值進(jìn)行加權(quán)組合，以削弱電離層的影響。該技術(shù)在電離層的影響。該技術(shù)在19941994年成功地用于實踐，年成功地用于實踐，在邊長為在邊長為300km300km時得出的定位精度達(dá)到了時得出的定位精度達(dá)到了(13)(13) 1ppmD1ppmD。此后一些公司的單頻接收機(jī)先后采用。此后一些公司的單頻接收機(jī)先后采用了該技術(shù)，已能將單頻接收機(jī)的測程從了該技術(shù)，已能將單頻接收機(jī)的測程從20km20km急劇急劇的擴(kuò)大到的擴(kuò)大到100300km100300km。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析24 e.選擇最佳觀測時間：選擇最佳觀測時

26、間：由于電離層對由于電離層對GPS測量的影響隨時間，地點，季節(jié)和年代測量的影響隨時間，地點，季節(jié)和年代等而發(fā)生較大變化等而發(fā)生較大變化(瞬變性瞬變性)。實測資料表。實測資料表明，電離層對明，電離層對GPS測量的影響白天比夜間測量的影響白天比夜間大大5倍左右，每年倍左右，每年11月比月比7月大月大4倍左右。倍左右。所以要盡量避開在每天所以要盡量避開在每天1214時觀測，在時觀測，在夜間觀測最好。此外，在太陽黑子活動夜間觀測最好。此外，在太陽黑子活動高峰期也不宜觀測。高峰期也不宜觀測。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析25 由于地球周圍的對流層由于地球周圍的對流層

27、(高度在高度在40km以下的大氣層以下的大氣層)對電磁波的折射效應(yīng)，使對電磁波的折射效應(yīng)，使得得GPS信號的傳播速度發(fā)生變化，這種信號的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為對流層延遲。變化稱為對流層延遲。由于其大氣密度由于其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復(fù)雜，且比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復(fù)雜，且它的折射與地面氣候、大氣壓力它的折射與地面氣候、大氣壓力 、溫度、溫度和濕度變化都密切相關(guān)，所以對流層折和濕度變化都密切相關(guān)，所以對流層折射比電離層折射更復(fù)雜。射比電離層折射更復(fù)雜。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析26|對流層延遲的對流層延遲的90%是由大氣中干是由大氣

28、中干燥氣體引起的，稱為燥氣體引起的，稱為干分量干分量；其；其余余10%是由水汽引起的，稱為是由水汽引起的，稱為濕濕分量分量。由于大氣層中的水汽分布。由于大氣層中的水汽分布在時間和空間上變化很大，其折在時間和空間上變化很大，其折射誤差很難準(zhǔn)確預(yù)測，所以射誤差很難準(zhǔn)確預(yù)測，所以濕分濕分量成為限制對流層延遲改正精度量成為限制對流層延遲改正精度的主要因素。的主要因素。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析27 對流層對信號的影響與信號的高度角有關(guān)，對流層對信號的影響與信號的高度角有關(guān)，在天頂方向，信號穿過對流層的路線最短，其在天頂方向，信號穿過對流層的路線最短，其時延值約

29、為時延值約為2.3m2.3m，隨著天頂距的增加，時延也，隨著天頂距的增加，時延也加大，在地面方向最大，約為加大，在地面方向最大，約為20m20m。 這對于這對于GPSGPS導(dǎo)航和低精度定位而言可以滿足其精度要導(dǎo)航和低精度定位而言可以滿足其精度要求，所以此時可以不考慮該項誤差。但對高、求，所以此時可以不考慮該項誤差。但對高、中精度的定位測量而言，則必須顧及對流層誤中精度的定位測量而言，則必須顧及對流層誤差，尤其是它對垂直分量影響較大，差，尤其是它對垂直分量影響較大，如果對流如果對流層天頂時延有層天頂時延有1cm1cm的誤差，則將導(dǎo)致垂直分量的誤差，則將導(dǎo)致垂直分量產(chǎn)生產(chǎn)生3cm3cm的誤差。的誤

30、差。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析28削弱方法削弱方法: a. 采用對流層模型加以改正采用對流層模型加以改正：一般有：一般有Hopfield模型、模型、Saastamoinen模型和模型和Black模型等。如果用同一套氣象數(shù)據(jù)，模型等。如果用同一套氣象數(shù)據(jù)，用上述三種模型求得的天頂方向的對流層延遲的相互較差，用上述三種模型求得的天頂方向的對流層延遲的相互較差，一般僅為幾個毫米。但理論分析和實踐證明，目前不管是一般僅為幾個毫米。但理論分析和實踐證明，目前不管是哪種模型，都難以將對流層的影響減少到哪種模型，都難以將對流層的影響減少到92%95%。 b. 引入描

31、述對流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一引入描述對流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求解。并求解。 c. 利用同步觀測量求差利用同步觀測量求差(原理和削弱電離層相同原理和削弱電離層相同)：同樣該法同樣該法也只適用于短基線也只適用于短基線(100km時，對流層時，對流層誤差是制約誤差是制約GPS定位精度提高的重要因素。定位精度提高的重要因素。 d.利用水汽輻射計直接測定對流層對信號傳播的影響。利用水汽輻射計直接測定對流層對信號傳播的影響。此法此法求得的對流層折射濕分量的精度可優(yōu)于求得的對流層折射濕分量的精度可優(yōu)于1cm。 甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析

32、析29甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析30 由于接收機(jī)周圍環(huán)境的影響，使得接收機(jī)所接由于接收機(jī)周圍環(huán)境的影響，使得接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號中還包含有反射和折射信號的影響，收到的衛(wèi)星信號中還包含有反射和折射信號的影響，使信號產(chǎn)生延遲甚至使波形發(fā)生扭曲、失鎖、周跳使信號產(chǎn)生延遲甚至使波形發(fā)生扭曲、失鎖、周跳等，從而產(chǎn)生誤差，這就是所謂的多路徑效應(yīng)。如等，從而產(chǎn)生誤差，這就是所謂的多路徑效應(yīng)。如下圖所示。下圖所示。 甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析31甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析32甘甘林

33、林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析33 自美國政府于自美國政府于2000年年5月月1日取消日取消SA政策政策后，影響后，影響GPS接收機(jī)精度的接收機(jī)精度的最主要因素就是最主要因素就是多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)。根據(jù)大量資料的分析研究，當(dāng)根據(jù)大量資料的分析研究，當(dāng)基線小于基線小于10km時，時，GPS定位的主要誤差是天定位的主要誤差是天線的對中誤差和多路徑誤差。對中誤差可以線的對中誤差和多路徑誤差。對中誤差可以人為地減小到人為地減小到 13mm，而多路徑誤差在一，而多路徑誤差在一般情況下為般情況下為 15cm，在高反射條件下（如，在高反射條件下（如城鎮(zhèn)、山坡、河流、湖泊、

34、海洋、沙灘等）城鎮(zhèn)、山坡、河流、湖泊、海洋、沙灘等）可達(dá)可達(dá) 19cm。在一般反射環(huán)境下，多路徑。在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對測碼偽距的影響可達(dá)米級，對載波相效應(yīng)對測碼偽距的影響可達(dá)米級，對載波相位觀測的偽距影響可達(dá)厘米級。位觀測的偽距影響可達(dá)厘米級。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析34)sin4cos(1sin4sinHaHaarctg直接信號和反射信號之間的相位差直接信號和反射信號之間的相位差: 衛(wèi)星高度角。衛(wèi)星高度角。 減弱因子。減弱因子。 載波頻率的波長。載波頻率的波長。 天線高出地面點的高度。天線高出地面點的高度。H甘甘林林院院測測繪繪工工程程系

35、系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析35 削弱方法：削弱方法：|a. 選點時要盡量避開高反射體，如垂直面、平面、選點時要盡量避開高反射體，如垂直面、平面、斜面、水體等。斜面、水體等。選設(shè)點位時應(yīng)遠(yuǎn)離大面積平靜的水面；選設(shè)點位時應(yīng)遠(yuǎn)離大面積平靜的水面；測站不宜選在山坡、山谷和盆地中。測站附近不應(yīng)有高層測站不宜選在山坡、山谷和盆地中。測站附近不應(yīng)有高層建筑物，觀測時測站附近也不要停放汽車；較好的站址可建筑物，觀測時測站附近也不要停放汽車；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的能選在地面有草叢、農(nóng)作物等植被能較好吸收微波信號的能量的地方。量的地方。| b. 盡量選用能削弱多路

36、徑效應(yīng)的天線。盡量選用能削弱多路徑效應(yīng)的天線。如具有如具有Pinwheel技術(shù)的天線（技術(shù)的天線（Pinwheel技術(shù)在中文里又叫技術(shù)在中文里又叫“風(fēng)火風(fēng)火輪技術(shù)輪技術(shù)”，它采用，它采用12個饋源來穩(wěn)定接收信號的相位，使得個饋源來穩(wěn)定接收信號的相位，使得L1和和L2的波段的相位中心相重合的波段的相位中心相重合,相位中心和物理中心的兩相位中心和物理中心的兩個點相重合個點相重合,從而使接收信號的相位偏差幾乎為從而使接收信號的相位偏差幾乎為0，大大提，大大提高了高了GPS天線的接收性能）、天線的接收性能）、 扼流圈天線（阻斷較低高度扼流圈天線（阻斷較低高度角的衛(wèi)星信號和多路徑信號）或具有抑徑板的天線

37、（隔斷角的衛(wèi)星信號和多路徑信號）或具有抑徑板的天線（隔斷反射物反射的低于天線的多路徑信號）等反射物反射的低于天線的多路徑信號）等 。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析36|c. 適當(dāng)延長觀測時間，以削弱多路徑效應(yīng)的適當(dāng)延長觀測時間，以削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響。周期性影響。多路徑效應(yīng)的影響，一般包括多路徑效應(yīng)的影響，一般包括常數(shù)部分和周期性部分，其中常數(shù)部分在同常數(shù)部分和周期性部分，其中常數(shù)部分在同一地點會日復(fù)一日的重復(fù)出現(xiàn)。一地點會日復(fù)一日的重復(fù)出現(xiàn)。|d. 通過改進(jìn)跟蹤環(huán)路削弱多路徑通過改進(jìn)跟蹤環(huán)路削弱多路徑 。該方法是該方法是對接收機(jī)內(nèi)部跟蹤環(huán)路進(jìn)行改進(jìn)

38、來削弱多路對接收機(jī)內(nèi)部跟蹤環(huán)路進(jìn)行改進(jìn)來削弱多路徑，主要方法有：徑，主要方法有：甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析37 1 接收機(jī)鐘差接收機(jī)鐘差 接收機(jī)鐘差是接收機(jī)鐘差是GPS接收機(jī)所使用的鐘的鐘面時與接收機(jī)所使用的鐘的鐘面時與GPS標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)時之間的差異。時之間的差異。GPS接收機(jī)一般采用高精度的石英鐘，若接接收機(jī)一般采用高精度的石英鐘，若接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘間的同步差為收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘間的同步差為1s，則由此引起的等效距離誤，則由此引起的等效距離誤差為差為300m。 削弱方法：削弱方法： a. 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)，把每個觀測時刻的接收機(jī)

39、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。在數(shù)據(jù)處理中與觀測站的位置參數(shù)一并求解。 b. 和衛(wèi)星鐘差一樣，將接收機(jī)鐘差也表示為多項式形式，和衛(wèi)星鐘差一樣，將接收機(jī)鐘差也表示為多項式形式，并在觀測量的平差計算中求解多項式的系數(shù)，從而構(gòu)建接收并在觀測量的平差計算中求解多項式的系數(shù)，從而構(gòu)建接收機(jī)鐘差模型。機(jī)鐘差模型。 c. 通過對同一測站觀測到的不同衛(wèi)星間求差來消除接收機(jī)通過對同一測站觀測到的不同衛(wèi)星間求差來消除接收機(jī)的鐘差（如載波相位觀測中的雙差觀測方程）。的鐘差（如載波相位觀測中的雙差觀測方程）。 甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析38

40、 2、接收機(jī)的位置誤差、接收機(jī)的位置誤差 接收機(jī)天線相位中心相對測站標(biāo)石中心位置的誤差，接收機(jī)天線相位中心相對測站標(biāo)石中心位置的誤差，叫接收機(jī)位置誤差。這里包括了天線的對中誤差和整平誤叫接收機(jī)位置誤差。這里包括了天線的對中誤差和整平誤差以及量取天線高誤差。因此，在精密定位時必須仔細(xì)操差以及量取天線高誤差。因此，在精密定位時必須仔細(xì)操作，以盡量減少這種誤差的影響。在變形監(jiān)測中應(yīng)采用有作，以盡量減少這種誤差的影響。在變形監(jiān)測中應(yīng)采用有強(qiáng)制對中裝置的觀測墩。強(qiáng)制對中裝置的觀測墩。 3、天線相位中心位置的偏差、天線相位中心位置的偏差 接收機(jī)天線相位中心偏差是接收機(jī)天線相位中心偏差是GPS接收機(jī)天線的標(biāo)

41、稱相接收機(jī)天線的標(biāo)稱相位中心與其真實的相位中心之間的差異。這種偏差的影響，位中心與其真實的相位中心之間的差異。這種偏差的影響，可達(dá)數(shù)毫米至厘米。在實際工作中，如果使用同一類型的可達(dá)數(shù)毫米至厘米。在實際工作中，如果使用同一類型的天線，在相距不遠(yuǎn)的兩個或多個測站上同步觀測了同一組天線，在相距不遠(yuǎn)的兩個或多個測站上同步觀測了同一組衛(wèi)星，那么就可以通過觀測值求差來削弱相位中心偏移的衛(wèi)星，那么就可以通過觀測值求差來削弱相位中心偏移的影響。此時要求各測站的天線應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行影響。此時要求各測站的天線應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極。通常定向偏差應(yīng)保持在定向，使之根據(jù)羅盤指向磁

42、北極。通常定向偏差應(yīng)保持在3以內(nèi)。以內(nèi)。 甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析39 1、地球自轉(zhuǎn)的影響、地球自轉(zhuǎn)的影響 當(dāng)衛(wèi)星信號傳播到觀測站時，而與地球相固連的協(xié)議當(dāng)衛(wèi)星信號傳播到觀測站時，而與地球相固連的協(xié)議地球坐標(biāo)系相對衛(wèi)星的上述瞬時位置以饒地球坐標(biāo)系相對衛(wèi)星的上述瞬時位置以饒Z軸產(chǎn)生了旋軸產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了微小的誤差。轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了微小的誤差。 2、GPS控制部分人為或計算機(jī)造成的影響控制部分人為或計算機(jī)造成的影響 由于由于GPS控制部分的問題或用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時引控制部分的問題或用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時引入的誤差等。入的誤差等。 3、數(shù)據(jù)處理軟件的影

43、響、數(shù)據(jù)處理軟件的影響 數(shù)據(jù)處理軟件的算法不完善對定位結(jié)果的影響。數(shù)據(jù)處理軟件的算法不完善對定位結(jié)果的影響。 甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析40 4、地球潮汐改正、地球潮汐改正 因為地球并非是一個剛體，所以在太陽因為地球并非是一個剛體，所以在太陽和月球的萬有引力作用下，固體地球要產(chǎn)生和月球的萬有引力作用下，固體地球要產(chǎn)生周期性的彈性形變，稱為周期性的彈性形變，稱為固體潮固體潮。此外，在。此外，在日月引力的作用下，地球上的負(fù)荷也將發(fā)生日月引力的作用下，地球上的負(fù)荷也將發(fā)生周期性的變動，使地球產(chǎn)生周期的形別，稱周期性的變動，使地球產(chǎn)生周期的形別，稱為為負(fù)荷潮汐

44、負(fù)荷潮汐，如海潮。固體潮和負(fù)荷潮汐引，如海潮。固體潮和負(fù)荷潮汐引起的測站位移可達(dá)起的測站位移可達(dá)80cm，使不同時間的測，使不同時間的測量結(jié)果互不一致，在高精度相對定位時應(yīng)考量結(jié)果互不一致，在高精度相對定位時應(yīng)考慮其影響（構(gòu)造位移模型）。慮其影響（構(gòu)造位移模型）。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析41甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析42決定GPS絕對定位精度的兩個因素是： （1）所測衛(wèi)星在空間的幾何分布（衛(wèi)星分布的幾何圖形）。 （2）觀測量的精度。甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析43以測碼

45、偽距為觀測量，進(jìn)行動態(tài)絕對定位時，根據(jù)測碼偽距方程可以得到在空間直角坐標(biāo)系中權(quán)系數(shù)陣為1( ) ( )TziiQat a t11121314212223243132333441424344ZqqqqqqqqQqqqqqqqq或：1)()()(1)()()(1)()()(1)()()(444333222111)4()(tntmtltntmtltntmtltntmtliiiiiiiiiiiiintaj甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析44111213212223313233BgggQggggggTBXQHQ H111213212223313233XqqqQqqqq

46、qqsincossinsincossincos0coscoscossinsinBLBLBHLLBLBLB甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析析450XmDOP0為偽距測量中誤差。根據(jù)不同要求，可采用不同的精度評價模型和相應(yīng)的精度因子： 平面位置精度因子HDOP（Horizontal DOP)：相應(yīng)平面精度。 高程精度因子VDOP(Vertical DOP)：相應(yīng)的高程精度。 空間位置精度因子PDOP(Position DOP)：相應(yīng)的三維定位精度。 接收機(jī)鐘差精度因子TDOP（Time DOP)：鐘差精度。 幾何精度因子GDOP（Geometric DOP）：描述空間位置誤差 和時間誤差綜合影響的精度因子。在導(dǎo)航學(xué)中，估算未知參數(shù)解的精度，一般采用有關(guān)精度因子DOP（Dilution of precision）的概念，其定義為：甘甘林林院院測測繪繪工工程程系系GPSGPS測測量量誤誤差差分分析