GPS測(cè)量誤差來(lái)源及其影響

1、第七章 GPS測(cè)量誤差源及其影響1第七章 GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及其影響7。1 GPS測(cè)量的誤差分類(lèi)7。2 與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差7。3 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差7。4 與接收機(jī)有關(guān)的誤差7。5 其他誤差27.1 GPS測(cè)量的誤差分類(lèi)一。誤差來(lái)源：與GPS衛(wèi)星、與信號(hào)傳播、與GPS接收機(jī)有關(guān)。此外與地球潮汐、負(fù)荷潮、相對(duì)論效應(yīng)有關(guān)。二。誤差分類(lèi)及影響誤差來(lái)源對(duì)距離影響(m)衛(wèi)星部分：星歷誤差；鐘誤差；相對(duì)論效應(yīng)1.515信號(hào)傳播：電離層；對(duì)流層；多路徑效應(yīng)1.515接收機(jī)：鐘誤差；位置誤差；天線(xiàn)相位中心1.55其他誤差：地球潮汐；負(fù)荷潮1.0 為了便于理解，通常均把各種誤差的影響投影到站星距離上，以相應(yīng)的

2、距離誤差表示，稱(chēng)為等效距離誤差。3測(cè)碼偽距的等效距離誤差/m4根據(jù)誤差的性質(zhì)可分為：（1）系統(tǒng)誤差：主要包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、以及大氣折射的誤差等。為了減弱和修正系統(tǒng)誤差對(duì)觀測(cè)量的影響，一般根據(jù)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因而采取不同的措施，包括：引入相應(yīng)的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其它未知參數(shù)一并求解。建立系統(tǒng)誤差模型，對(duì)觀測(cè)量加以修正。將不同觀測(cè)站，對(duì)相同衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，以減弱和消除系統(tǒng)誤差的影響。簡(jiǎn)單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。（2）偶然誤差：包括多路徑效應(yīng)誤差和觀測(cè)誤差等。5 GPS定位的基本觀測(cè)量是觀測(cè)站（用戶(hù)接收天線(xiàn)）至GPS衛(wèi)星（信號(hào)發(fā)射天線(xiàn)）的距離（或稱(chēng)信號(hào)傳播路徑

3、），它是通過(guò)測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)在該路徑上的傳播時(shí)間（時(shí)間延遲）或測(cè)定衛(wèi)星載波信號(hào)相位在該路徑上的變化周數(shù)（相位延遲）來(lái)導(dǎo)出的。7.2 衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差電磁波傳播特性61.電磁波的傳播速度與大氣折射假設(shè)電磁波在真空中的傳播速度為cvac，則有cvac= vacf= vac/T= /kvac。在衛(wèi)星大地測(cè)量中，國(guó)際上當(dāng)前采用的真空光速為c=2.99782458108(m/s)。對(duì)GPS而言，衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)傳播到接收機(jī)天線(xiàn)的時(shí)間約0.1秒，當(dāng)光速值的最后一位含有一個(gè)單位的誤差，將會(huì)引起0.1m的距離誤差。表明準(zhǔn)確確定電磁波傳播速度的重要意義。實(shí)際的電磁波傳播是在大氣介質(zhì)中，在到達(dá)地面接收機(jī)前要穿過(guò)性質(zhì)

4、、狀態(tài)各異且不穩(wěn)定的若干大氣層，這些因素可能改變電磁波傳播的方向、速度和強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為大氣折射。7大氣折射對(duì)GPS觀測(cè)結(jié)果的影響，往往超過(guò)了GPS精密定位所容許的精度范圍。如何在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中通過(guò)模型加以改正，或在觀測(cè)中通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)減弱，以提高定位精度，已經(jīng)成為廣大用戶(hù)普遍關(guān)注的重要問(wèn)題。電磁波在大氣中的傳播速度可以用折射率n來(lái)表示，n=c/v。折射率與大氣的組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其實(shí)際值接近于1，故常用折射數(shù)N0來(lái)表示，N0=(n-1)106。8 根據(jù)大氣物理學(xué)，如果電磁波在某種介質(zhì)中的傳播速度與頻率有關(guān)，則該介質(zhì)成為彌散介質(zhì)。介質(zhì)的彌散現(xiàn)象是由于傳播介質(zhì)的內(nèi)電場(chǎng)和入射波的外電場(chǎng)之間的

5、電磁轉(zhuǎn)換效應(yīng)而產(chǎn)生的。當(dāng)介質(zhì)的原子頻率與入射波的頻率接近一致時(shí)，將發(fā)生共振，由此而影響電磁波的傳播速度。通常稱(chēng)dv/df為速度彌散。如果把具有不同頻率的多種波疊加，所形成的復(fù)合波稱(chēng)為群波，則在具有速度彌散現(xiàn)象的介質(zhì)中，單一頻率正弦波的傳播與群波的傳播是不同的。9假設(shè)單一正弦波的相位傳播速度為相速vp，群波的傳播速度為群速vg，則有式中為通過(guò)大氣層的電磁波波長(zhǎng)。若取通過(guò)大氣層的電磁波頻率為f，則相應(yīng)的折射率為在GPS定位中，群速vg與碼相位測(cè)量有關(guān)，而相速vp與載波相位測(cè)量有關(guān)。10大氣層對(duì)電磁波傳播的影響1.大氣層的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)地球表面被一層很厚的大氣所包圍，大氣的總質(zhì)量約為3.9 1018（k

6、g），約為地球總質(zhì)量的百萬(wàn)分之一。由于地球引力的作用，大氣質(zhì)量在垂直方向上分布極不均勻，主要集中在大氣底部，其中75%的質(zhì)量分布在10km以下， 90%的以上質(zhì)量分布在30km以下。同時(shí)大氣在垂直方向上的物理性質(zhì)差異也很大，根據(jù)溫度、成分和荷電等物理性質(zhì)的不同，大氣可分為性質(zhì)各異的若干大氣層。按不同標(biāo)準(zhǔn)有不同的分層方法，根據(jù)對(duì)電磁波傳播的不同影響，一般分為對(duì)流層和電離層。11折射數(shù)隨高度的變化。12某一瞬間全球電子密度與測(cè)站間的關(guān)系13 電離層分布于地球大氣層的頂部，約在地面向上70km以上范圍。由于原子氧吸收了太陽(yáng)紫外線(xiàn)的能量，該大氣層的溫度隨高度上升而迅速升高，同時(shí)由于太陽(yáng)和其它天體的各種

7、射線(xiàn)作用，使大部分大氣分子發(fā)生電離，具有密度較高的帶電粒子。電離層中電子的密度決定于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和大氣密度，因而導(dǎo)致電離層的電子密度不僅隨高度而異，而且與太陽(yáng)黑子的活動(dòng)密切相關(guān)。電磁波在電離層中的傳播速度與頻率相關(guān)，電離層屬于彌散性介質(zhì)。7.2.1 電離層折射14（1）電離層折射影響：主要取決于信號(hào)頻率和傳播路徑上的電子總量。通常采取的措施：利用雙頻觀測(cè)：電離層影響是信號(hào)頻率的函數(shù)，利用不同頻率電磁波信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，可確定其影響大小，并對(duì)觀測(cè)量加以修正。其有效性不低于95%.利用電離層模型加以修正：對(duì)單頻接收機(jī)，一般采用由導(dǎo)航電文提供的或其它適宜電離層模型對(duì)觀測(cè)量進(jìn)行改正。目前模型改正的有效性約

8、為75%，至今仍在完善中。利用同步觀測(cè)值求差：當(dāng)觀測(cè)站間的距離較近（小于20km）時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)不同觀測(cè)站的路徑相近，通過(guò)同步求差，殘差不超過(guò)10-6。15在電離層中產(chǎn)生的各種延遲量，對(duì)確定的電磁波頻率，只有電子密度是唯一的獨(dú)立變量。實(shí)際資料分析表明，電離層的電子密度，白天約為夜間的5倍，一年中冬季與夏季相差4倍，太陽(yáng)活動(dòng)高峰期約為低峰期的4倍。電離層電子密度的大致變化范圍在109-31012電子數(shù)/m3。沿天頂方向電子密度總量，日間為51017電子數(shù)/m2，夜間為51016電子數(shù)/m2。此外，電子密度在不同高度、不同時(shí)間都有明顯差別。161。電離層折射：特點(diǎn)：與電子密度（不穩(wěn)定）和頻率有關(guān)

9、。大小50150m172.利用雙頻觀測(cè)減弱電離層影響18利用電離層改正模型加以修正：1.雙頻技術(shù)減弱電離層折射可達(dá)幾cm誤差。若再加模型改正精度可達(dá)mm級(jí)。2.單頻接收機(jī)一般采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型加以改正.這種模型把白天的電離層延遲看成余弦波的正半周,晚間為一常數(shù)(DC=5ns). 任意時(shí)刻t 的電離層延遲模型Tg:2. 用模型改正193.電離層模型改正實(shí)用公式:Tgh地方時(shí)時(shí)延04812162024電離層改正模型Tg是天頂方向電離層延遲。當(dāng)衛(wèi)星天頂距Z不為0時(shí)，電離層延遲Tg=Tg/cosZ。（衛(wèi)星垂直角E=90-Z）-/2/2204.利用同步觀測(cè)值求差用兩臺(tái)接收機(jī)在基線(xiàn)的兩端進(jìn)行同步

10、觀測(cè)，取其觀測(cè)量之差。因?yàn)楫?dāng)兩觀測(cè)站相距不太遠(yuǎn)時(shí)，衛(wèi)星至兩觀測(cè)站電磁波傳播路徑上的大氣狀況相似，大氣狀況的系統(tǒng)影響可通過(guò)同步觀測(cè)量的差分而減弱。該方法對(duì)小于20km的短基線(xiàn)效果尤為明顯，經(jīng)過(guò)電離層折射改正后，基線(xiàn)長(zhǎng)度的相對(duì)殘差約為10-6。故在短基線(xiàn)相對(duì)定位中，即使使用單頻接收機(jī)也能達(dá)到相當(dāng)高精度。但隨著基線(xiàn)長(zhǎng)度的增加，精度將明顯降低。21 對(duì)流層是指從地面向上約40km范圍內(nèi)的大氣底層，占整個(gè)大氣質(zhì)量的99%。對(duì)流層與地面接觸，從地面得到輻射熱能，溫度隨高度的上升而降低，平均每升高1km降低6.50C，而在水平方向（南北方向）上，溫差每100km 一般不超過(guò)10C。對(duì)流層雖僅有少量帶電離子，

11、但卻具有很強(qiáng)的對(duì)流作用，云、霧、雨、雪、風(fēng)等主要天氣現(xiàn)象均出現(xiàn)其中。該層大氣中除了含有各種氣體元素外，還含水滴、冰晶和塵埃等雜質(zhì)，對(duì)電磁波的傳播有很大影響。7.2.2 對(duì)流層折射22對(duì)流層折射對(duì)觀測(cè)量的影響可分為干分量和濕分量?jī)刹糠?。干分量主要與大氣溫度和壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號(hào)傳播路徑上的大氣濕度和高度有關(guān)。目前濕分量的影響尚無(wú)法準(zhǔn)確確定。對(duì)流層影響的處理方法：定位精度要求不高時(shí)，忽略不計(jì)。采用對(duì)流層模型加以改正。引入描述對(duì)流層的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。觀測(cè)量求差。23對(duì)流層折射：與地面溫度、氣壓、濕度有關(guān)，與衛(wèi)星高度角有關(guān)。天頂方向影響達(dá)2.3m。對(duì)流層折射改正模型：-常用霍普

12、菲爾德模型24目前采用的各種對(duì)流層模型，即使應(yīng)用實(shí)時(shí)測(cè)量的氣象資料，電磁波的傳播路徑，經(jīng)過(guò)對(duì)流層折射改正后的殘差，仍保持在對(duì)流層影響的5%左右。減弱對(duì)流層折射改正項(xiàng)殘差影響主要措施：盡可能充分地掌握觀測(cè)站周?chē)貐^(qū)的實(shí)時(shí)氣象資料。利用水汽輻射計(jì)，準(zhǔn)確地測(cè)定電磁波傳播路徑上的水汽積累量，以便精確的計(jì)算大氣濕分量的改正項(xiàng)。但設(shè)備龐大價(jià)格昂貴，一般難以普遍采用。當(dāng)基線(xiàn)較短時(shí)（20km），在穩(wěn)定的大氣條件下，利用相對(duì)定位的差分法來(lái)減弱大氣折射的影響。完善對(duì)流層大氣折射的改正模型。25也稱(chēng)多路徑誤差，即接收機(jī)天線(xiàn)除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，還可能收到經(jīng)天線(xiàn)周?chē)匚镆淮位蚨啻畏瓷涞男l(wèi)星信號(hào)。兩種信號(hào)迭加，將

13、引起測(cè)量參考點(diǎn)位置變化，使觀測(cè)量產(chǎn)生誤差。在一般反射環(huán)境下，對(duì)測(cè)碼偽距的影響達(dá)米級(jí)，對(duì)測(cè)相偽距影響達(dá)厘米級(jí)。在高反射環(huán)境中，影響顯著增大，且常常導(dǎo)致衛(wèi)星失鎖和產(chǎn)生周跳。措施：安置接收機(jī)天線(xiàn)的環(huán)境應(yīng)避開(kāi)較強(qiáng)發(fā)射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。選擇造型適宜且屏蔽良好的天線(xiàn)如扼流圈天線(xiàn)。適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，削弱周期性影響。改善接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)。7.2.3 多路徑效應(yīng)26多路徑誤差：接收機(jī)接收從衛(wèi)星發(fā)射的直接波，同時(shí)接收測(cè)站周?chē)系K物反射的衛(wèi)星信號(hào)，產(chǎn)生干涉引起時(shí)延。設(shè)程差為，有衛(wèi)星直接波反射波OAHGZZ2Z圖7-2 地面反射波277.3 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差1.衛(wèi)星星歷誤差 廣播星歷誤差較大（51

14、0m），后處理星歷（精密星歷）可達(dá)2m。 星歷誤差對(duì)定位精度的影響：將5-18式線(xiàn)性化。282.衛(wèi)星鐘誤差（同步精度約為20ns相當(dāng)于6m）3.相對(duì)論效應(yīng)（使接收載波頻率改變f，對(duì)GPS時(shí)間影響70ns） 由于衛(wèi)星鐘相對(duì)于接收機(jī)鐘的高速運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星鐘頻率改變。297.4 與接收機(jī)有關(guān)的誤差1.接收機(jī)鐘誤差 當(dāng)作未知數(shù)與測(cè)站坐標(biāo)一起解算。2.對(duì)中誤差接收機(jī)位置誤差 天線(xiàn)相位中心與測(cè)站標(biāo)石中心位置的誤差。3.天線(xiàn)相位中心位置誤差 天線(xiàn)相位中心（與信號(hào)強(qiáng)度和方向有關(guān)）與其幾何中心的位置偏差。相對(duì)定位觀測(cè)時(shí)，保持天線(xiàn)的方位不變，可以減小其影響。307.5 其他誤差1。地球自轉(zhuǎn)的影響：當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)離開(kāi)衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)時(shí)，接收機(jī)相對(duì)衛(wèi)星又轉(zhuǎn)動(dòng)了一定角度： 引起坐標(biāo)變化：2。地球潮汐改正： 地球?yàn)閺椥泽w，受日月引力產(chǎn)生彈性形變叫固體潮；在日月引力下，地球上的負(fù)荷產(chǎn)生周期負(fù)荷潮汐。單點(diǎn)定位時(shí)應(yīng)按（7-38）式進(jìn)行改正。 31各種誤差特性及減弱措施誤差特性減弱措施星歷誤差在一定觀測(cè)時(shí)間內(nèi)呈系統(tǒng)性精密定軌；觀測(cè)值求差星鐘誤差有系統(tǒng)性，也有隨機(jī)性電文改正；觀