測量誤差及其影響

測量誤差及其影響第1頁/共74頁

GPS定位是通過地面接收設備接收衛(wèi)星傳送的信息確定地面點的位置誤差主要來源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號的傳播過程和地面接收設備在高精度GPS測量中，地球潮汐及相對論效應等的影響也是導致誤差的重要原因。第2頁/共74頁第3頁/共74頁GPS測量誤差的性質①偶然誤差內(nèi)容衛(wèi)星信號發(fā)生部分的隨機噪聲接收機信號接收處理部分的隨機噪聲其它外部某些具有隨機特征的影響特點隨機量級小–

毫米級第4頁/共74頁GPS測量誤差的性質②系統(tǒng)誤差（偏差-Bias）內(nèi)容其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差特點具有某種系統(tǒng)性特征量級大–

最大可達數(shù)百米第5頁/共74頁第6頁/共74頁與衛(wèi)星有關的誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差相對論效應與傳播途徑有關的誤差電離層延遲對流層延遲多路徑效應與接收設備有關的誤差接收機天線相位中心的偏移和變化接收機鐘差接收機內(nèi)部噪聲GPS測量誤差的來源第7頁/共74頁GPS測量誤差的大?、賁PS（無SA）第8頁/共74頁GPS測量誤差的大?、赟PS（有SA）第9頁/共74頁GPS測量誤差的大?、跴PS，雙頻，P/Y-碼第10頁/共74頁消除或消弱各種誤差影響的方法①模型改正法原理：利用模型計算出誤差影響的大小，直接對觀測值進行修正適用情況：對誤差的特性、機制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗公式所針對的誤差源相對論效應電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星鐘差限制：有些誤差難以模型化第11頁/共74頁消除或消弱各種誤差影響的方法②求差法原理：通過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測值中所包含的相同或相似的誤差影響適用情況：誤差具有較強的空間、時間或其它類型的相關性。所針對的誤差源電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星軌道誤差…限制：空間相關性將隨著測站間距離的增加而減弱第12頁/共74頁消除或消弱各種誤差影響的方法③參數(shù)法原理：采用參數(shù)估計的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來適用情況：幾乎適用于任何的情況限制：不能同時將所有影響均作為參數(shù)來估計第13頁/共74頁消除或消弱各種誤差影響的方法④回避法原理：選擇合適的觀測地點，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測方法；采用特殊的硬件設備，消除或減弱誤差的影響適用情況：對誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解；具有特殊的設備。所針對的誤差源電磁波干擾多路徑效應限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性第14頁/共74頁與衛(wèi)星有關的誤差與衛(wèi)星有關的誤差主要包括:衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星鐘的誤差地球自轉的影響相對論效應的影響第15頁/共74頁衛(wèi)星星歷（軌道）誤差定義 由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星在空間的位置與衛(wèi)星的實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。廣播星歷（預報星歷）的精度

(無SA)20～30米

(有SA)100米精密星歷（后處理星歷）的精度 可達1厘米應對方法精密定軌(后處理)相對定位或差分定位第16頁/共74頁星歷誤差對單點定位的影響星歷誤差對單點定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機的距離以及用于定位或導航的GPS衛(wèi)星與接收機構成的幾何圖形星歷誤差對相對定位的影響db為基線誤差，b為基線長，ds為星歷誤差，ρ為衛(wèi)星到測站的距離。適合短基線相對定位。第17頁/共74頁解決星歷誤差的方法1)建立區(qū)域性衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)可提高單點定位精度，使相對長基線定位精度提高。2)軌道松弛法在平差模型中，把衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星軌道坐標作為初始值，視其改正數(shù)為未知數(shù)，通過平差求得測站和衛(wèi)星軌道改正數(shù)。半短弧法將軌道切向、徑向、法向的三個改正作為未知數(shù)，計算較簡單；短弧法把六個軌道偏差改正數(shù)作為未知數(shù)，計算量大，精度與半短弧法相當。3)同步觀測值求差（也即相對定位）在兩個或多個測站上對同一顆衛(wèi)星的同步觀測值求差，減弱衛(wèi)星星歷誤差的影響。第18頁/共74頁衛(wèi)星鐘差定義 物理同步誤差 數(shù)學同步誤差應對方法模型改正 鐘差改正多項式

其中a0為ts時刻的時鐘偏差，a1為鐘速，a2為鐘速變化率。相對定位或差分定位第19頁/共74頁狹義相對論和廣義相對論狹義相對論1905運動將使時間、空間和物質的質量發(fā)生變化廣義相對論1915將相對論與引力論進行了統(tǒng)一第20頁/共74頁相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響①狹義相對論原理：時間膨脹。鐘的頻率與其運動速度有關。第21頁/共74頁對GPS衛(wèi)星鐘的影響：結論：在狹義相對論效應作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢第22頁/共74頁相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響②廣義相對論原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關對GPS衛(wèi)星鐘的影響：結論：在廣義相對論效應作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快第23頁/共74頁相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響③相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響狹義相對論＋廣義相對論第24頁/共74頁解決相對論效應對衛(wèi)星鐘影響的方法制造衛(wèi)星鐘時預先把頻率降低。第25頁/共74頁與信號傳播有關的誤差電離層折射誤差對流層折射誤差多路徑效應誤差第26頁/共74頁電離層延遲第27頁/共74頁地球大氣結構地球大氣層的結構第28頁/共74頁大氣折射效應大氣折射信號在穿過大氣時，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。也稱大氣延遲。在GPS測量定位中，通常僅考慮信號傳播速度的變化。色散介質與非色散介質色散介質：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應也不同非色散介質：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應相同對GPS信號來說，電離層是色散介質，對流層是非色散介質第29頁/共74頁相速與群速①相速群速相速與群速的關系相折射率與群折射率的關系第30頁/共74頁相速與群速②第31頁/共74頁電離層折射①第32頁/共74頁電離層折射②第33頁/共74頁電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量電子密度：單位體積中所包含的電子數(shù)?？傠娮雍浚═EC–TotalElectronContent）：底面積為一個單位面積時沿信號傳播路徑貫穿整個電離層的一個柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。第34頁/共74頁電子密度與大氣高度的關系第35頁/共74頁電子含量與地方時的關系第36頁/共74頁電子含量與太陽活動情況的關系與太陽活動密切相關，太陽活動劇烈時，電子含量增加太陽活動周期約為11年1700年–1995年太陽黑子數(shù)第37頁/共74頁電子含量與地理位置的關系2002.5.151:00–23:002小時間隔全球TEC分布第38頁/共74頁常用電離層延遲改正方法分類經(jīng)驗模型改正方法：根據(jù)以往觀測結果所建立的模型改正效果：差雙頻改正方法：利用雙頻觀測值直接計算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測量效果：改正效果最好實測模型改正方法：利用實際觀測所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），建立模型（如內(nèi)插）效果：改正效果較好第39頁/共74頁電離層改正的經(jīng)驗模型簡介Bent模型由美國的R.B.Bent提出描述電子密度是經(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（IRI–InternationalReferenceIonosphere）由國際無線電科學聯(lián)盟（URSI–InternationalUnionofRadioScience）和空間研究委員會（COSPAR-CommitteeonSpaceResearch）提出描述高度為50km-2000km的區(qū)間內(nèi)電子密度、電子溫度、電離層溫度、電離層的成分等以地點、時間、日期等為參數(shù)第40頁/共74頁電離層延遲的雙頻改正第41頁/共74頁電離層延遲的實測模型改正①基本思想利用基準站的雙頻觀測數(shù)據(jù)計算電離層延遲利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的的TEC實測模型類型局部模型適用于局部區(qū)域全球模型適用于全球區(qū)域第42頁/共74頁電離層延遲的實測模型改正②局部（區(qū)域性）的實測模型改正方法適用范圍：局部地區(qū)的電離層延遲改正第43頁/共74頁電離層延遲的實測模型改正③全球（大范圍）的實測模型改正方法適用范圍：用于大范圍和全球的電離層延遲改正格網(wǎng)化的電離層延遲改正模型第44頁/共74頁對流層折射誤差1．概念40km以下大氣層為對流層。GPS信號經(jīng)過此層時，傳播路徑會發(fā)生彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差，稱為對流層折射誤差。2．克服措施1)利用模型改正。實測地區(qū)氣象資料利用模型改正，能減少對流層對電磁波延遲達92％一95％；2)引入對流層影響附加未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得；3)利用同步觀測值求差。第45頁/共74頁對流層延遲第46頁/共74頁對流層的色散效應對流層的色散效應折射率與信號波長的關系對流層對不同波長的波的折射效應結論對于GPS衛(wèi)星所發(fā)送的電磁波信號，對流層不具有色散效應第47頁/共74頁大氣折射率N與氣象元素的關系大氣折射率N與溫度、氣壓和濕度的關系Smith和Weintranb，1954對流層延遲與大氣折射率N第48頁/共74頁經(jīng)驗模型霍普菲爾德（Hopfield）改正模型薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型勃蘭克（Black）改正模型第49頁/共74頁對流層改正模型綜述不同模型所算出的高度角30以上方向的延遲差異不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型與Hopfield模型的差異要大于Black模型與Hopfield模型的差異第50頁/共74頁氣象元素的測定氣象元素干溫、濕溫、氣壓干溫、相對濕度、氣壓測定方法普通儀器：通風干濕溫度表、空盒氣壓計自動化的電子儀器第51頁/共74頁對流層模型改正的誤差分析模型誤差模型本身的誤差氣象元素誤差量測誤差儀器誤差讀數(shù)誤差測站氣象元素的代表性誤差實際大氣狀態(tài)與大氣模型間的差異第52頁/共74頁多徑誤差第53頁/共74頁多路徑誤差與多路徑效應多路徑（Multipath）誤差在GPS測量中，被測站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號（反射波）被接收機天線所接收，與直接來自衛(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”。多路徑效應由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應稱為多路徑效應。第54頁/共74頁反射波反射波的幾何特性反射波的物理特性反射系數(shù)a極化特性GPS信號為右旋極化反射信號為左旋極化第55頁/共74頁多路徑誤差①受多路徑效應影響的情況下的接收信號第56頁/共74頁多路徑誤差②第57頁/共74頁多路徑誤差③多路徑的數(shù)值特性受多個反射信號影響的情況第58頁/共74頁多路徑誤差的特點與測站環(huán)境有關與反射體性質有關與接收機結構、性能有關第59頁/共74頁應對多路徑誤差的方法①觀測上選擇合適的測站，避開易產(chǎn)生多路徑的環(huán)境易發(fā)生多路徑的環(huán)境第60頁/共74頁應對多路徑誤差的方法②硬件上采用抗多路徑誤差的儀器設備抗多路徑的天線：帶抑徑板或抑徑圈的天線，極化天線抗多路徑的接收機：窄相關技術MEDLL(MultipathEstimatingDelayLockLoop)等抗多路徑效應的天線第61頁/共74頁應對多路徑誤差的方法③數(shù)據(jù)處理上加權參數(shù)法濾波法信號分析法第62頁/共74頁與接收機有關的誤差與接收機有關的誤差：接收機鐘誤差接收機安置誤差天線相位中心位置誤差第63頁/共74頁接收機鐘差定義GPS接收機一般采用石英鐘，接收機鐘與理想的GPS時之間存在的偏差和漂移。穩(wěn)定度10-6

～10-9

。衛(wèi)星與接收機同步差為1微秒可引起等效距離誤差為300m。應對方法作為未知數(shù)處理相對定位差分定位認為各時刻接收機鐘差是相關的 將其表示為時間多項式通過在衛(wèi)星間求一次差消除第64頁/共74頁接收機的位置誤差定義接收機天線的相位中心相對測站標石中心位置的偏差。包括天線的整平和對中誤差以及天線高的量測誤差。毫米級應對方法正確的對中整平采用強制對中裝置（變形監(jiān)測時）第65頁/共74頁天線相位中心位置誤差觀測時天線相位的瞬時位置即相位中心與理論上的相位中心不一致導致的偏差稱為天線相位中心位置偏差毫米、厘米級第66頁/共74頁天線相位中心偏差改正衛(wèi)星天線相位中心偏差改正接收機天線相位中心變化的改正GP