GPS測量的誤差來源及其影響課件

1GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來源及影響第五章1GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來源及影響第五章1

了解衛(wèi)星星歷誤差，衛(wèi)星鐘差及相對論效應(yīng)。理解接收機鐘誤差，相位中心位置誤差的產(chǎn)生與消減方法。掌握電離層折射誤差、對流層折射誤差、多路徑誤差的產(chǎn)生與消減方法。2第五章GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來源及影響學(xué)習(xí)目標(biāo)2第五章GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來源及影響學(xué)習(xí)目標(biāo)2第一節(jié)GPS定位的誤差概述第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差第四節(jié)接收設(shè)備誤差第五節(jié)衛(wèi)星幾何圖形強度3第五章GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差來源及影響學(xué)習(xí)內(nèi)容第一節(jié)GPS定位的誤差概述第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差第三節(jié)3第一節(jié)GPS定位的誤差概述誤差來源誤差分類對距離測量的影響/mGPS衛(wèi)星①衛(wèi)星星歷誤差；②衛(wèi)星鐘誤差；③相對論效應(yīng)1.5～15信號傳播①電離層折射誤差；②對流層折射誤差；

③多路徑效應(yīng)1.5～15接收設(shè)備①接收機鐘誤差；②接收機位置誤差；③天線相位中心變化1.5～15其他影響①地球潮汐;②負荷潮1.04第一節(jié)GPS定位的誤差概述誤差來源誤差分類對距離測量的影響4

一、衛(wèi)星星歷誤差二、衛(wèi)星鐘差三、相對論效應(yīng)GPS衛(wèi)星的發(fā)射5第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差一、衛(wèi)星星歷誤差GPS衛(wèi)星的發(fā)射5第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差5

1．星歷來源2．星歷誤差對定位的影響3．減弱星歷誤差影響的途徑GPS衛(wèi)星工作星座6一、衛(wèi)星星歷誤差第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差1．星歷來源GPS衛(wèi)星工作星座6一、衛(wèi)星星歷誤差第二節(jié)61．星歷來源衛(wèi)星星歷誤差

某一瞬間的衛(wèi)星位置，是由衛(wèi)星星歷提供的，衛(wèi)星星歷誤差就是衛(wèi)星位置的確定誤差。星歷誤差來源

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完善程度。第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差1．星歷來源衛(wèi)星星歷誤差第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差7廣播星歷根據(jù)美國GPS控制中心跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)進行外推，通過GPS衛(wèi)星發(fā)播的一種預(yù)報星歷。

實測星歷

根據(jù)實測資料進行擬合處理而直接得出的星歷。星歷（1）廣播星歷（2）實測星歷7第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差1．星歷來源廣播星歷根據(jù)美國GPS控制中心跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)進行8

單點定位

星歷誤差的徑向分量作為等價測距誤差進入平差計算，配賦到星站坐標(biāo)和接收機鐘差改正數(shù)中去，具體配賦方式則與衛(wèi)星的幾何圖形有關(guān)。82．星歷誤差對定位的影響第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 82．星歷誤差對定位的影響第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差9相對定位

利用兩站的同步觀測資料進行相對定位時，由于星歷誤差對兩站的影響具有很強的相關(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)。

2．星歷誤差對定位的影響第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差相對定位2．星歷誤差對定位的影響第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)10b——基線長；db——衛(wèi)星星歷誤差所引起的基線誤差；p——衛(wèi)星至測站的距離；ds——星歷誤差；——衛(wèi)星星歷的相對誤差。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：第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差2．星歷誤差對定位的影響b——基線長；根據(jù)一次觀測的結(jié)果，可以導(dǎo)出星歷11（1）建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨立定軌（2）相對定位（3）軌道松弛法93．減弱星歷誤差影響的途徑第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差（1）建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨立定軌93．減弱星歷誤差影12

衛(wèi)星鐘采用的是GPS時，但盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)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移,也包含鐘的隨機誤差。這些偏差總量在1ms以內(nèi)，由此引起的等效距離可達300km。主要誤差源11二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星鐘采用的是GPS時，但盡管GPS13

衛(wèi)星鐘差的改正衛(wèi)星鐘差可通過下式得到改正：11二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星鐘差的改正衛(wèi)星鐘差可通過下式得到改正：114

經(jīng)上述鐘差改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差可保持在20ns以內(nèi)，由此引起的等效距離偏差不超過6m。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。第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差經(jīng)上述鐘差改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差可保持在215

相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)不同而引起的衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產(chǎn)生相對鐘差的現(xiàn)象。

狹義相對論觀點——一個頻率為f0的振蕩器安裝飛行速度為v的載體上，由于載體的運動，對地面觀測者來說將產(chǎn)生頻率變化。不可忽視12三、相對論效應(yīng)第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)不同而引16

廣義相對論觀點

——

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。

相對論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，經(jīng)改正后仍有殘差，它對GPS時的影響最大可達70ns，對精密定位仍不可忽略。三、相對論效應(yīng)不可忽視第二節(jié)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差廣義相對論觀點——處于不同等位面的振蕩器，其17一、電離層折射二、對流層折射三、多路徑誤差13第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差一、電離層折射13第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差18電離層——地球上空大氣圈的上層，距離地面高度在50~1000km之間的大氣層。當(dāng)GPS信號通過電離層時，信號的傳播路徑會發(fā)生彎曲，使其傳播速度發(fā)生變化，由此產(chǎn)生的距離差對測量的精度影響較大，必須采取有效措施削弱其影響。15一、電離層折射1．電離層及其影響第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差電離層——地球上空大氣圈的上層，距離地面高度在519應(yīng)該明確，電離層中的相對折射率與群折射率是不同的。碼相位測量和載波相位測量應(yīng)分別采用群折射率和相折射率。所以，載波相位測量時的電離層折射改正數(shù)和偽距測量時的改正數(shù)是不同的，兩者大小相等，符號相反。第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差1．電離層及其影響應(yīng)該明確，電離層中的相對折射率與群折射率是不同的。碼20第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差

（1）相對定位：利用兩臺或多臺接收機對同一組衛(wèi)星的同步觀測值求差時可以有效地減弱電離層折射的影響，即使不對電離層折射進行改正，對基線成果的影響一般也不會超過1×10-6。

162、減弱電離層影響的有效措施第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差（1）相對定位：利21第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差

（2）雙頻接收：如分別用兩個已知頻率f1和f2發(fā)射衛(wèi)星信號，則兩個不同頻率的信號就會沿同一路徑到達接收機。公式中積分值雖然無法計算，但對兩個頻率的信號卻是相同的。2、減弱電離層影響的有效措施第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差（2）雙頻接收：如分別用兩221、對流層及其影響2、減弱對流層影響的措施3、用霍普非爾德公式進行對流層折射改正17第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差二、對流層折射1、對流層及其影響17第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差二、對流層折射23第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差

對流層是高度為50km以下的大氣層，由于離地面更近，其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)變化更復(fù)雜。對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的上升而降低。對流層中雖有少量帶電離子，但對電磁波傳播影響不大。18

1、對流層及其影響第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差對流層是高度為50k24用改正模型進行對流層改正利用同步觀測值求差

2、減弱對流層影響的措施20第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差用改正模型進行對流層改正2、減弱對流層影響的措施20第三節(jié)25第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差

該方法設(shè)備簡單，方法易行，但由于水氣在空間的分布不均勻，不同時間、不同地點水氣含量相差甚遠，用通一模型很難準(zhǔn)確描述，所以，對流層改正的濕氣部分精度較低，只能將濕分量消去80%~90%。21用改正模型進行對流層改正2、減弱對流層影響的措施第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差該方法設(shè)備簡單，26第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差

與電離層的影響類型相似，當(dāng)兩觀測站相距不太遠時（例如<20km），由于信號通過對流層的路徑大體相同，所以，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯地減弱對流層折射的影響。這一方法在精密相對定位中被廣泛應(yīng)用。22利用同步觀測值求差2、減弱對流層影響的措施第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差22利用同步觀測值求差227第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差

不過，隨著同步觀測站之間距離的增大，大氣狀況的相關(guān)性減弱，當(dāng)距離>50~100km時，對流層折射的影響就成為制約GPS定位精度提高的重要因素。2、減弱對流層影響的措施利用同步觀測值求差第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差不過，隨著同步觀測站之間28第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差

多路徑是指衛(wèi)星信號通過多個不同路徑傳到接收到衛(wèi)星信號的同時，還可能收到經(jīng)天線周圍地物反射的衛(wèi)星信號，多種信號疊加就會引起測量參考點（相對中心）的位置變化，這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)。

直接信號多路徑信號反射物23三、多路徑誤差第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差多路徑是指衛(wèi)星信29第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差

多路徑誤差不僅與反射系數(shù)有關(guān)，也和反射物離測站的距離及衛(wèi)星信號方向有關(guān)，無法建立準(zhǔn)確的誤差改正模型，只能恰當(dāng)?shù)剡x擇站址，避開信號反射物。24三、多路徑誤差第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差多路徑誤差不僅與反射30第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差例如：①選設(shè)點位時應(yīng)遠離大面積平靜的水面，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量的地方；②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；③測站不宜選在山坡、山谷和盆地中。三、多路徑誤差第三節(jié)衛(wèi)星信號傳播誤差例如：三、多路徑誤差31第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度

一、接收機鐘誤差二、天線相位中心位置誤差三、等效距離誤差四、幾何圖形強度25第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度一、接收機鐘誤差2532

在GPS測量時，為了保證隨時導(dǎo)航定位的需要，衛(wèi)星鐘必須具有極好的長期穩(wěn)定度。而接收機鐘則只需要在一次定位的期間內(nèi)保持穩(wěn)定，所以，一般使用短期穩(wěn)定交好、便宜輕便的石英鐘，其穩(wěn)定度約為10-10。如果接收機鐘與衛(wèi)星鐘間的同步差為1μs，則由此引起的等效距離差約為300m。

26第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度一、接收機鐘誤差在GPS測量時，為了保證隨時導(dǎo)航定位的需要，衛(wèi)星33第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度

減弱接收機鐘差比較有效的方法是：把每個觀測時刻的接收機鐘差當(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。偽距測量的數(shù)據(jù)處理就是根據(jù)這一原理進行的。一、接收機鐘誤差第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度減弱接收機鐘差34在靜態(tài)絕對定位中，可以認(rèn)為各觀測時刻的接收機鐘差是相關(guān)的，設(shè)法建立一個鐘誤差模型，在平差計算中求解多項式系數(shù)。不過接收機鐘的穩(wěn)定性較差，鐘差模型不易反映真實情況，難以充分消除其誤差影響。此外，還可以通過在衛(wèi)星間求一次差來削弱接收機鐘差的影響。27第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度一、接收機鐘誤差在靜態(tài)絕對定位中，可以認(rèn)為各觀測時刻的接收機鐘差35第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度

在GPS測量中，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準(zhǔn)的，所以天線的相位中心該與其幾何中心保持一致。但實際天線的相位中心位置隨信號輸入的強度和方向不同會發(fā)生變化，使其偏離幾何中心。這種偏差視天線性能的好壞可達數(shù)毫米至數(shù)厘米，對精密相對定位也是不容忽視的。

天寶4800GPS結(jié)構(gòu)圖28二、天線相位中心位置誤差第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度在GPS36第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度

29實際工作中如果使用同一類型天線，在相距不遠的兩個或多個測站同步觀測同一組衛(wèi)星，可以通過觀測值求差來減弱相位中心偏移的影響。不過這時各測站的天線均應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)志進行定向，根據(jù)儀器說明書的要求，羅盤指向磁北極，其定向偏差應(yīng)在3o以內(nèi)。二、天線相位中心位置誤差第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度2937第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度

等效距離誤差——各項誤差投影到測站至衛(wèi)星方向的具體數(shù)值。如果認(rèn)為各項誤差之間相互獨立，就可以求出總的等效距離誤差，并用σ0表示。從而σ0就可以作GPS定位時衡量觀測精度的客觀標(biāo)準(zhǔn)。30三、等效距離誤差第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度等效距離誤38第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度

GPS定位的精度除了取決于等效距離誤差σ0以外，還取決于空間后方交會的幾何圖形強度。

31四、幾何圖形強度第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度GPS定位39第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度

GPS星座與測站所構(gòu)成的幾何圖形不同，權(quán)系數(shù)的數(shù)值亦不同，此時，即使相同精度的觀測值所求得的定位精度也會不同。為此需要研究衛(wèi)星星座幾何圖形與定位精度的關(guān)系。通常用圖形強度因子DOP來表示幾何圖形強度，其定義是四、幾何圖形強度第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度GPS星座與測站40

式中σ0——等效距離的標(biāo)準(zhǔn)差mx——某定位元素的標(biāo)準(zhǔn)差DOP——實際是權(quán)系數(shù)陣中主對角 線元素的函數(shù)

32第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度式中σ0——等效距離的標(biāo)準(zhǔn)差32第四節(jié)：接收41第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度圖形強度因子是一個直接影響定位精度、但又獨立于觀測值和其他誤差之外的一個量。其值恒大于1，最小值1，其大小隨時間和測站位置而變化。在GPS測量中，希望DOP值越小越好。四、幾何圖形強度第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度圖形強度因子是一42在實際工作中，常根據(jù)不同的要求采用不同的評價模型和相應(yīng)的圖形強度因子。①平面位置圖形強度因子HDOP及其相應(yīng)的平面位置精度

33第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度在實際工作中，常根據(jù)不同的要求采用不同的評價模型43②高程圖形強度因子VDOP及相應(yīng)的高程精度

34第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度34第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度44

③空間位置的圖形強度因子PDOP及其相應(yīng)的三維定位精度

35第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度35第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度45④接收機鐘差圖形強度因子TDOP及其鐘差精度

36第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度四、幾何圖形強度④接收機鐘差圖形強度因子TDOP及其鐘差精度36第46第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度⑤幾何圖形強度因子GDOP及其三維坐標(biāo)和時間誤差的綜合影響四、幾何圖形強度第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度⑤幾何圖形強度因子47第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度如果測站與4顆衛(wèi)星構(gòu)成一個六面體時，圖形強度因子GDOP與該六面體體積成反比。意味著所測衛(wèi)星在空間分布越大，六面體的體積越大，GDOP值越小，圖形越堅強，定位精度越高。四、幾何圖形強度第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度如果測站與4顆衛(wèi)48GDOP良好37第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度衛(wèi)星的分布與GDOP四、幾何圖形強度GDOP良好37第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度衛(wèi)星的分布與49GDOP較差38第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度衛(wèi)星的分布與GDOP四、幾何圖形強度GDOP較差38第四節(jié)：接收設(shè)備誤差與圖形強度衛(wèi)星的分布與50第五節(jié)整周跳變分析與整周未知數(shù)的確定1．整周跳變及其發(fā)生整周跳變（周跳）—在定位工作中可能由于衛(wèi)星信號被暫時阻擋，或受到外界干擾影響，引起衛(wèi)星跟蹤的暫時中斷，使計數(shù)器無法累積