GPS测量误差及其影响 (GPS课件)

第 7章GPS测 量 误 差 处 理 主 要 内 容7.1 误 差 的 分 类7.2 与 卫 星 有 关 的 误 差7.3 与 传 播 途 径 有 关 的 误 差7.4 与 接 收 设 备 有 关 的 误 差7.5 其 他 误 差 (因 素 ) 7.1 误 差 的 分 类7.1.1 按 性 质 分 类v 系 统 误 差v 偶 然 误 差v 其 它 误 差 系 统 误 差 （ 影 响 ）v系 统 误 差 （ 偏 差 - Bias）内 容具 有 某 种 系 统 性 特 征 的 误 差钟 差 、 对 流 层 延 迟 、 电 离 层 延 迟 等特 点具 有 某 种 系 统 性 特 征量 级 大 最 大 可 达 数 百 米 v偶 然 误 差 内 容卫 星 信 号 发 生 部 分 的 随 机 噪 声接 收 机 信 号 接 收 处 理 部 分 的 随 机 噪 声其 它 外 部 某 些 具 有 随 机 特 征 的 影 响偶 然 误 差 （ 影 响 ） 特 点随 机量 级 小 毫 米 级 偶 然 误 差 （ 观 测 噪 声 ） - Noise 一 般 优 于 波 长 /码 元 长 度 的 1/100。 C/A码 伪 距 ： 0.3m -3m P(Y)码 伪 距 ： 3cm -0.3m 载 波 相 位 ： 0.2mm -2mm GPS定 位 中 出 现 的 各 种 误 差 ， 按 误 差 性 质 可 分为 系 统 误 差 （ 偏 差 ） 和 偶 然 误 差 两 大 类 。 其 中 系统 误 差 无 论 从 误 差 的 大 小 还 是 对 定 位 结 果 的 危 害性 讲 都 比 偶 然 误 差 要 大 得 多 ， 而 且 有 规 律 可 循 ，可 以 采 取 一 定 措 施 来 加 以 消 除 ， 因 而 是 本 章 的 主要 内 容 其 它 误 差 其 它软 件 模 型 误 差GPS控 制 系 统 7.1.2 按 来 源 分 类v与 传 播 途 径 有 关 的 误 差电 离 层 延 迟对 流 层 延 迟多 路 径 效 应v 与 卫 星 有 关 的 误 差卫 星 轨 道 误 差卫 星 钟 差相 对 论 效 应v与 接 收 设 备 有 关 的 误 差接 收 机 天 线 相 位 中 心 的偏 差 和 变 化接 收 机 钟 差 接 收 机 内 部 噪 声 各 类 误 差 对 导 航 定 位 的 影 响 单 位 ： 米误 差 源 SA启 用 SA关 闭 SA 24.0 0.0 大 气 电 离 层 对 流 层 7.0 2.0 7.0 2.0 钟 和 星 历 误 差 2.3 2.3 接 收 机 噪 声 0.6 0.6 多 路 径 1.5 1.5 总 用 户 等 效 距 离 误 差 25.0 7.5 HDOP 1.5 1.5 水 平 误 差 95% 75.0 22.5 7.1.3 消 除 减 弱 上 述 系 统 误 差 的 措 施 和 方 法 建 立 误 差 改 正 模 型 差 分 法 参 数 估 计 法 随 机 模 型 外 部 观 测 数 据 改 正 回 避 法 上 述 各 项 误 差 对 测 距 的 影 响 可 达 数 十 米 ， 有时 甚 至 可 超 过 百 米 ， 比 观 测 噪 声 大 几 个 数 量 级 。因 此 必 须 加 以 消 除 和 削 弱 。 消 除 或 削 弱 这 些 误 差所 造 成 的 影 响 的 方 法 主 要 有 ： 建 立 误 差 改 正 模 型 原 理 ： 采 用 模 型 对 观 测 值 进 行 修 正 适 用 情 况 ： 对 误 差 的 特 性 、 机 制 及 产 生 原 因 有较 深 刻 了 解 ， 能 建 立 理 论 或 经 验 公 式 。 如 电 离层 延 迟 和 对 流 层 延 迟 改 正 模 型 等7.1.3 消 除 减 弱 上 述 系 统 误 差 的 措 施 和 方 法 误 差 改 正 模 型 既 可 以 是 通 过 对 误 差 特 性 、机 制 以 及 产 生 的 原 因 进 行 研 究 分 析 、 推 导而 建 立 起 来 的 理 论 公 式 （ 如 利 用 电 离 层 折射 的 大 小 与 信 号 频 率 有 关 这 一 特 性 （ 即 所谓 的 “ 电 离 层 色 散 效 应 ” ） 而 建 立 起 来 的双 频 电 离 层 折 射 改 正 模 型 基 本 上 属 于 理 论公 式 ） 。 也 可 以 是 通 过 大 量 观 测 数 据 的 分 析 、 拟合 而 建 立 起 来 的 经 验 公 式 。 在 多 数 情 况 下是 同 时 采 用 两 种 方 法 建 立 的 综 合 模 型 （ 各种 对 流 层 折 射 模 型 则 大 体 上 属 于 综 合 模 型 ） 由 于 改 正 模 型 本 身 的 误 差 （ 模 型 误 差 ） 以及 所 获 取 的 改 正 模 型 各 参 数 的 误 差 （ 参 数 测量 误 差 ） ， 仍 会 有 一 部 分 偏 差 残 留 在 观 测 值中 。 这 些 残 留 的 偏 差 通 常 仍 比 偶 然 误 差 要 大得 多 。 误 差 模 型 的 精 度 好 坏 不 等 。 有 的 误 差 改 正模 型 效 果 较 好 ， 例 如 双 频 电 离 层 折 射 改 正 模型 的 残 余 偏 差 约 为 总 量 的 1%左 右 或 更 小 ； 有的 效 果 一 般 ， 如 多 数 对 流 层 折 射 改 正 公 式 的残 余 偏 差 约 为 总 量 的 510%左 右 ； 有 的 改 正 模型 则 效 果 较 差 ， 如 由 广 播 星 历 所 提 供 的 单 频电 离 层 折 射 改 正 模 型 ， 残 余 误 差 高 达 3040%。 随 机 模 型 法 先 利 用 经 验 模 型 进 行 改 正 ， 然 后 把 残 余 的系 统 误 差 当 成 随 机 误 差 来 处 理 ， 给 观 测 值定 义 适 当 随 机 模 型 ， 即 给 误 差 较 大 的 观 测值 定 较 低 权 ， 以 达 到 削 弱 这 些 误 差 参 数 估计 影 响 的 目 的 。 7.1.3 消 除 减 弱 上 述 系 统 误 差 的 措 施 和 方 法 原 理 ： 仔 细 分 析 误 差 对 观 测 值 或 平 差 结 果 的 影 响 ，安 排 适 当 的 观 测 方 案 和 数 据 处 理 方 法 （ 如 同 步 观测 ， 相 对 定 位 等 ） ， 利 用 误 差 在 观 测 值 之 间 的 相 关性 或 在 定 位 结 果 之 间 的 相 关 性 和 相 似 性 ， 通 过 求差 来 消 除 或 削 弱 其 影 响 的 方 法 称 为 差 分 法 。 适 用 情 况 ： 误 差 具 有 较 强 的 空 间 、 时 间 或 其 它 类 型的 相 关 性 。 如 对 流 层 延 迟 、 对 流 层 延 迟 、 卫 星 轨 道误 差 的 影 响 等 具 有 较 强 的 空 间 相 关 性 ， 就 可 以 通 过相 距 不 远 的 不 同 地 点 的 同 步 观 测 值 相 互 求 差 ， 来 消弱 其 影 响差 分 法 例 如 ， 当 两 站 对 同 一 卫 星 进 行 同 步 观 测 时 ， 观 测 值 中 都 包含 了 共 同 的 卫 星 钟 误 差 ， 将 观 测 值 在 接 收 机 间 求 差 即 可 消 除此 项 误 差 。 同 样 ， 一 台 接 收 机 对 多 颗 卫 星 进 行 同 步 观 测 时 ，将 观 测 值 在 卫 星 间 求 差 即 可 消 除 接 收 机 钟 误 差 的 影 响 。 又 如 ， 目 前 广 播 星 历 的 误 差 可 达 数 十 米 ， 这 种 误 差 属于 起 算 数 据 的 误 差 ， 并 不 影 响 观 测 值 ， 不 能 通 过 观 测 值 相减 来 消 除 。 利 用 相 距 不 太 远 的 两 个 测 站 上 的 同 步 观 测 值 进行 相 对 定 位 时 ， 由 于 两 站 至 卫 星 的 几 何 图 形 十 分 相 似 ， 因而 星 历 误 差 对 两 站 坐 标 的 影 响 也 很 相 似 。 利 用 这 种 相 关 性在 求 坐 标 差 时 就 能 把 共 同 的 坐 标 误 差 消 除 掉 。 其 残 余 误 差（ 即 星 历 误 差 对 相 对 定 位 的 影 响 ） 一 般 可 用 下 列 经 验 公 式估 算 ： 引起的基 线起的基线由 两观测站间的基线长度 卫星轨道的误差 测站至卫星的距离 DDDD 参 数 法原 理 ： 采 用 参 数 估 计 的 方 法 ， 将 系 统 性 偏差 求 定 出 来适 用 情 况 ： 观 测 数 据 量 较 多 时当 观 测 量 较 少 时 ， 增 加 估 计 参 数 很 容 易 导 致 方程 病 态 ， 使 解 算 结 果 不 准 确 。 回 避 法原 理 ： 选 择 合 适 的 观 测 地 点 ， 避 开 易 产 生误 差 的 环 境 ； 采 用 特 殊 的 观 测 方 法 ； 采用 特 殊 的 硬 件 设 备 ， 消 除 或 减 弱 误 差 的影 响适 用 情 况 ： 对 误 差 产 生 的 条 件 及 原 因 有 所了 解 ； 具 有 特 殊 的 设 备 。 如 对 于 电 磁 波干 扰 、 多 路 径 效 应 等 的 应 对 方 法 等 。 7.2 与 卫 星 有 关 的 误 差卫 星 星 历 （ 轨 道 ） 误 差卫 星 钟 差相 对 论 效 应 7.2.1 卫 星 星 历 （ 轨 道 ） 误 差卫 星 星 历 （ 轨 道 ） 误 差 由 广 播 星 历 或 其 它 轨 道 信 息 所 给 出 的卫 星 位 置 与 卫 星 的 实 际 位 置 之 差 称 为 星 历误 差 。 在 一 个 观 测 时 间 段 中 （ 1 3小 时 ）它 主 要 呈 现 系 统 误 差 特 性 。 但 对 视 场 中 的 n颗 卫 星 而 言 ， 其 星 历 误 差 一 般 是 不 相 关 的 ，可 以 看 成 是 一 组 随 机 误 差 ， 预 报 星 历 （ 广 播 星 历 ） 与 实 测 星 历 （ 精 密 星 历 ） 预 报 星 历 由 全 球 定 位 系 统 的 地 面 控 制 部 分 提 供 的 经 GPS卫 星 全 球 所 有 用 户 播 发 的 广 播 星 历 是 一 种 最 典 型的 、 使 用 最 为 广 泛 的 预 报 星 历 。 由 于 对 作 用 在 卫星 上 的 各 种 摄 动 因 素 了 解 不 够 充 分 ， 因 而 预 报 会产 生 较 大 的 误 差 。 这 种 星 历 对 实 时 应 用 的 用 户 有着 极 其 重 要 的 作 用 ， 是 导 航 和 实 时 定 位 中 必 不 可少 的 数 据 。 在 精 密 定 位 的 事 后 处 理 中 也 得 到 广 泛的 应 用 。 预 报 星 历 的 精 度 由 广 播 星 历 提 供 的 17个 星 历 参 数 计 算 出 来 的卫 星 位 置 的 精 度 约 为 20 40m， 有 时 只 能 达 80m左右 。 全 球 定 位 系 统 正 式 投 入 工 作 后 ， 广 播 星 历 的精 度 提 高 到 5 10m。 但 是 只 有 特 定 的 用 户 才 能 使用 P码 （ Y码 ） 和 不 经 人 工 干 预 的 原 始 广 播 星 历 ，从 这 种 “ 精 密 定 位 服 务 ” （ PPS） 中 获 得 精 确 的定 位 结 果 。 向 全 球 所 有 用 户 开 放 的 标 准 定 位 服 务（ SPS） 的 精 度 被 人 为 地 大 幅 度 降 低 。 有 意 识 地降 低 调 制 在 C/A码 上 的 广 播 星 历 的 精 度 就 是 其 中的 一 个 重 要 措 施 ， 非 常 时 期 可 能 变 得 根 本 不 能 用 。 目 前 ， 许 多 国 家 和 组 织 都 在 建 立 自 己 的 GPS卫 星 跟 踪 网开 展 独 立 的 定 轨 工 作 。 如 由 国 际 大 地 测 量 协 会 （ IAG） 第八 委 员 会 领 导 的 国 际 GPS协 作 网 （ CIGNET） ， Aero Service的 GPS跟 踪 网 等 。实 测 星 历 （ 精 密 星 历 ） 实 测 星 历 （ 精 密 星 历 ） 是 根 据 实 测 资 料 进 行 事 后 处 理而 直 接 得 出 的 星 历 ， 精 度 较 高 。 这 种 星 历 用 于 进 行 精 密 定位 的 事 后 处 理 ， 对 于 提 高 精 密 定 位 精 度 ， 减 少 观 测 时 间 和作 业 费 用 等 具 有 重 要 作 用 ， 还 可 以 使 数 据 处 理 较 为 简 便 。由 于 这 种 星 历 要 在 观 测 后 一 段 时 间 （ 例 如 1 2个 星 期 ） 才能 得 到 ， 所 以 对 导 航 和 实 时 定 位 无 任 何 意 义 。 应 对 方 法 精 密 定 轨 相 对 定 位 星 历 误 差 的 大 小 主 要 取 决 于 卫 星 跟 踪 系 统 的 质 量 （如 跟 踪 站 的 数 量 及 空 间 分 布 ； 观 测 值 的 数 量 及 精 度 ， 轨 道 计算 时 所 用 的 轨 道 模 型 及 定 轨 软 件 的 完 善 程 度 等 ） 。 此 外 和 星历 的 预 报 间 隔 （ 实 测 星 历 的 预 报 间 隔 可 视 为 零 ） 也 有 直 接 关系 。 由 于 美 国 政 府 的 SA技 术 ， 星 历 误 差 中 还 引 入 了 大 量 人 为原 因 而 造 成 的 误 差 ， 它 们 主 要 也 呈 系 统 误 差 特 性 。 卫 星 星 历 误 差 对 相 距 不 远 的 两 个 测 站 的 定 位 结 果 产 生 的影 响 大 体 相 同 ， 各 个 卫 星 的 星 历 误 差 一 般 看 成 是 互 相 独 立 的。 然 而 由 于 SA技 术 的 实 施 ， 这 一 特 性 很 可 能 破 坏 。 7.2.2卫 星 钟 差v卫 星 钟 差 的 定 义v物 理 同 步 误 差 与 数 学 同 步 误 差 物 理 同 步 误 差 ： GPS卫 星 钟 直 接 给 出 的 时 间 和 标 准 的 GPS时 之 差 ， 物理 同 步 误 差 可 以 通 过 钟 差 模 型 来 改 正 ， 地 面 控 制 系 统 通 过遥 控 手 段 进 行 调 整 ， 限 制 在 1ms范 围 内 。 数 学 同 步 误 差 ： GPS卫 星 钟 读 数 和 标 准 的 GPS时 之 差 ， 数 学 同 步 误 差是 由 卫 星 导 航 电 文 给 出 的 钟 差 参 数 的 预 报 误 差 以 及 随 机 误 差 引 起 的 卫 星 上 虽 然 使 用 了 高 精 度 的 原 子 钟 ， 但 它 们 仍 不 可 避免 地 存 在 着 误 差 。 这 种 误 差 既 包 含 着 系 统 性 的 误 差 （ 由 钟差 、 频 偏 、 频 漂 等 产 生 的 误 差 ） ， 也 包 含 着 随 机 误 差 。 系统 误 差 远 比 随 机 误 差 大 ， 但 前 者 可 以 通 过 模 型 加 以 改 正 ，因 而 随 机 误 差 就 成 为 衡 量 钟 的 重 要 标 志 。 钟 误 差 主 要 取 决钟 的 质 量 。 SA技 术 实 施 后 ， 卫 星 钟 误 差 中 又 引 入 了 由 于 人 为 原 因 而 造成 的 信 号 的 随 机 抖 动 。 两 个 测 站 对 卫 星 进 行 同 步 观 测 时 ， 卫 星钟 的 误 差 对 两 站 观 测 值 的 影 响 是 相 同 的 。 各 卫 星 钟 的 误 差 一 般也 被 看 成 是 互 相 独 立 的 。 7.2.2卫 星 钟 差 卫星钟有偏差和漂移，差1ms，相当于300km；导航电文中提供修正模型 t0为参考历元， 改正后可达到20ns，约6m误差二站同步观测相对定位可消除其影响202010 )()( ttattaats 7.2.2卫 星 钟 差 7.2.2卫 星 钟 差解 决 方 法1） 忽 略 卫 星 钟 的 数 学 同 步 误 差 导 航 和 低 精 度 的 单 点 定 位2） 利 用 测 码 伪 距 单 点 定 位 法 来 确 定 接 收 机 的 钟 差 解 算 接 收 机 接 收 瞬 间 的 钟 差3） 通 过 获 取 精 确 的 卫 星 钟 差 值 通 过 IGS获 得 精 确 的 卫 星 钟 差4） 通 过 差 分 方 法 来 消 除 公 共 的 钟 差 项 载 波 相 位 测 量 相 对 论 效 应 对 卫 星 钟 的 影 响v狭 义 相 对 论原 理 ： 时 间 膨 胀 。 钟 的 频 率 与 其 运 动 速 度 有 关 。对 GPS卫 星 钟 的 影 响 ： ff smc smVGPS fcVfff f cVfcVff f fVs ssss s sss s s 1022 2221210835.0299792458 38742 )21()(1 ， 则光 速 和 真 空 中 的卫 星 的 平 均 运 动 速 度考 虑 到 为即 两 者 的 频 率 差 将 变 为 ：率若 安 置 到 卫 星 上 ， 其 频 的 钟， 则 在 地 面 频 率 为系 中 的 运 动 速 度 为若 卫 星 在 地 心 惯 性 坐 标结 论 ： 在 狭 义 相 对 论 效 应 作 用 下 ， 卫 星 上 钟 的 频 率 将 变 慢 相 对 论 效 应 对 卫 星 钟 的 影 响v广 义 相 对 论原 理 ： 钟 的 频 率 与 其 所 处 的 重 力 位 有 关对 GPS卫 星 钟 的 影 响 ： ff km kmRsm rRfcfc WWf fWWTs Ts 102 2314222 210284.5 26560 637810986005.3 )11( ， 则卫 星 的 地 心 距 近 似 取 ，近 似 取， 若 地 面 处 的 地 心 距其 中 为 ：将 的 差 异与 放 在 地 面 上 时 钟 频 率则 同 一 台 钟 放 在 卫 星 上 ，为， 地 面 测 站 处 的 重 力 位为若 卫 星 所 在 处 的 重 力 位 结 论 ： 在 广 义 相 对 论 效 应 作 用 下 ， 卫 星 上 钟 的 频 率 将变 快 相 对 论 效 应 对 卫 星 钟 的 影 响v相 对 论 效 应 对 卫 星 钟 的 影 响狭 义 相 对 论 广 义 相 对 论ffff f 1021 10449.4 :为上 时 总 的 变 化 量钟 频 率 相 对 于 其 在 地 面 用 下 ， 卫 星 上义 相 对 论 效 应 的 共 同 作在 狭 义 相 对 论 效 应 和 广sff 1令 ： 相 对 论 效 应 是 由 于 卫 星 钟 和 接 收 机 钟 所 处 的 状 态 （ 运 动 速度 和 重 力 位 ） 不 同 而 引 起 卫 星 钟 和 接 收 钟 之 间 产 生 相 对 钟 误 差的 现 象 。 严 格 地 说 ， 将 其 归 入 与 卫 星 有 关 的 误 差 不 完 全 准 确 。但 由 于 相 对 论 效 应 主 要 取 决 于 卫 星 的 运 动 速 度 和 重 力 位 ， 并 且是 以 卫 星 钟 误 差 的 形 式 出 现 的 ， 因 此 将 其 归 入 此 类 误 差 。 解 决 相 对 论 效 应 对 卫 星 钟 影 响 的 方 法v方 法 （ 分 两 步 ） ： 首 先 考 虑 假 定 卫 星 轨 道 为 圆 轨 道 的 情况 ； 然 后 考 虑 卫 星 轨 道 为 椭 圆 轨 道 的 情 况 。 第 一 步 ： MHzMHz 52299999954.10)10449.41(23.10 10 ， 调 低 后 的 频 率 为到 卫 星 上 去 的 钟 的 频 率在 地 面 上 调 低 将 要 搭 载 GDrococLr rTtttattaatt tt mscF tEAeFtt tt 22101 21102 21 )()()( )( 10442807633.42 )(sin)( ,应 为正因 而 ， 实 际 卫 星 钟 的 改 上 改 正 数时 ， 在 卫 星 钟 读 数 上 加在 时 刻 第 二 步 ： 7.3 与 传 播 途 径 有 关 的 误 差v 对 流 层 延 迟v 电 离 层 延 迟v 多 路 径 效 应 v 对 流 层 延 迟 对 流 层 对 流 层 延 迟 的 干 分 量 与 湿 分 量 相 对 与 GPS信 号 ， 与 信 号 的 频 率 无 关 （ 非 色 散 ） 应 对 方 法 差 分 法 参 数 估 计 法 模 型 改 正 气 象 元 素 - 干 温 、 湿 温 、 气 压 Hopefield模 型 、 Saastamoinen模 型 等 。7.3.1 对 流 层 延 迟 投 影 函 数 的 修 正 为 水 气 压 ）（sw sd swssw sdssd wdwdeh Th hheTK hhTPK E KE Ksss 11000 16.27372.14840136 )(4810102.155 )(102.155 )25.2sin()25.6sin( 277 212212 高 度 等 有 关 的 量 。是 与 测 站 气 压 、 温 度 、其 中 321 321, sinsin 1aaa aEatgE aEm v霍 普 菲 尔 德 （ Hopfield） 改 正 模 型 对 流 层 折 射 模 型 v萨 斯 塔 莫 宁 （ Saastamoinen） 改 正 模 型 原 始 模 型 有 关 ， 可 查 表 获 得 。和与 有 关 ， 可 查 表 获 得 ；与其 中 ： ss ss sssshER hB hhW RhWEtgBeTPEs 00028.02cos0026.01),( ),()05.01255(sin002277.0 2 283 210716.01015.016.1 )4810(16 )05.01255(sin002277.0 sssss sss hha ctgEeTPTE EEE EtgaeTPEs 其 中 ： 拟 合 后 的 公 式 v勃 兰 克 （ Black） 改 正 模 型 20.0 )69.3(002312.013000 )96.3(98.148 )6.0(92.1 )273(00015.0076.0833.0 )()1(1 cos(1)()1(1 cos(1 12 3.00 2020 w sssdw sd E swwsddK TPTKh Th Eb Tl EbhhlEKEbhhlEKs其 中 ： v对 流 层 改 正 模 型 综 述 不 同 模 型 所 算 出 的 高 度 角 30以 上 方 向 的 延 迟 差异 不 大 Black模 型 可 以 看 作 是 Hopfield模 型 的 修 正 形式 Saastamoinen模 型 与 Hopfield模 型 的 差 异 要 大于 Black模 型 与 Hopfield模 型 的 差 异 v气 象 元 素 的 测 定 气 象 元 素干 温 、 湿 温 、 气 压干 温 、 相 对 湿 度 、 气 压 水 气 压 es的 计 算 方 法由 相 对 湿 度 RH计 算 )000256908.0213166.02465.37( 2sTsTeRHes sPwTsTwTwese WTgWTgWTgwTg wTgeTe ww )()31068.11(4105.4 )(3)(2)(1)( )(02808.5)16.373(246.1013 由 干 温 、 湿 温 和 气 压 计 算 1)16.3731(1205.26 )116.373(03945.87321 101813.3)( )1(0187265.0)( )116.373(19728.18)( wT wTeTg eTg TTg ww ww v对 流 层 影 响 的 误 差 分 析 模 型 误 差 气 象 元 素 误 差量 测 误 差仪 器 误 差读 数 误 差测 站 气 象 元 素 的 代 表 性 误 差实 际 大 气 状 态 与 大 气 模 型 间 的 差 异 对 流 层 延 迟 参 数 估 计 把 天 顶 对 流 层 延 迟 或 经 过 模 型 改 正 后 的 残 余 天 顶 对 流层 延 迟 当 作 未 知 参 数 与 其 它 未 知 参 数 一 起 进 行 估 计 。 具 体可 分 为 单 参 数 法 、 多 参 数 法 、 随 机 过 程 法 以 及 分 段 函 数 随机 过 程 法 。 单 参 数 法 把 对 流 层 延 迟 经 模 型 改 正 后 的 残 余 天顶 对 流 层 延 迟 看 成 不 随 时 间 变 化 的 常 量 ， 即 为 附 加 参 数 一并 解 算 。 多 参 数 法 则 每 隔 一 段 时 间 附 加 一 个 残 余 对 流 层 延迟 参 数 进 行 估 计 ， 多 参 数 法 实 际 是 考 虑 了 残 余 对 流 层 延 迟的 变 化 ， 因 此 从 理 论 上 讲 ， 时 间 间 隔 越 短 ， 其 精 度 应 该 越高 ， 但 过 多 的 参 数 往 往 会 使 方 程 出 现 病 态 ， 从 而 降 低 解 算的 精 度 ， 因 此 时 间 间 隔 一 般 设 为 26小 时 。 结 论卫 星 信 号 通 过 对 流 层 时 传 播 速 度 要 发 生变 化 ， 从 而 使 测 量 结 果 产 生 系 统 误 差 。对 流 层 折 射 的 大 小 取 决 于 外 界 条 件 （ 气温 、 气 压 、 温 度 等 ） 。 对 流 层 折 射 对 伪距 测 量 和 载 波 相 位 测 量 的 影 响 相 同 。 7.3.3电 离 层 延 迟地 球 大 气 层 的 结 构 电 离 层 是 高 度 位 于 50km至 1000km之 间的 大 气 层 。 由 于 太 阳 的 强 烈 辐 射 ， 电 离 层中 的 部 分 气 体 分 子 将 被 电 离 形 成 大 量 的 自由 电 子 和 正 离 子 。 当 电 磁 波 信 号 穿 过 电 离层 时 ， 信 号 的 路 径 会 产 生 弯 曲 （ 但 对 测 距的 影 响 很 微 小 ， 一 般 可 不 顾 及 ） ， 传 播 速度 会 发 生 变 化 （ 其 中 自 由 电 子 起 主 要 作用 ） 。 所 以 用 信 号 的 传 播 时 间 乘 上 真 空 中的 光 速 而 得 到 的 距 离 就 会 不 等 于 卫 星 至 接收 机 间 的 几 何 距 离 。 对 于 GPS信 号 来 讲 ， 这种 距 离 差 在 天 顶 方 向 最 大 可 达 50m（ 太 阳 黑子 活 动 高 峰 年 11月 份 的 白 天 ） ， 在 接 近 地平 方 向 时 （ 高 度 角 为 20 时 ） 则 可 达 150m。 电 离 层 延 迟 电 离 层 自 由 电 子 与 信 号 的 频 率 有 关 与 信 号 频 率 的 平 方 成 反 比（ 色 散 效 应 ） 与 信 号 传 播 途 径 上 的 电 子 密 度 有 关 ， 而 电 子 密度 又 与 高 度 、 时 间 、 季 节 、 地 理 位 置 、 太 阳 活动 等 有 关 电 离 层 对 载 波 和 测 距 码 的 影 响 ， 大 小 相 等 ， 符号 相 反 应 对 方 法 模 型 改 正 单 层 电 离 层 模 型 双 频 改 正 差 分 法 v电 离 层 延 迟 的 改 正 方 法 概 述经 验 模 型 改 正双 频 改 正实 测 模 型 改 正 国 际 参 考 电 离 层 模 型 （ IRI International Reference Ionosphere）由 国 际 无 线 电 科 学 联 盟 （ URSI International Union of Radio Science） 和空 间 研 究 委 员 会 （ COSPAR - Committee on Space Research） 提 出描 述 高 度 为 50km-2000km的 区 间 内 电 子 密 度 、 电子 温 度 、 电 离 层 温 度 、 电 离 层 的 成 分 等以 地 点 、 时 间 、 日 期 等 为 参 数v电 离 层 改 正 的 经 验 模 型Bent模 型由 美 国 的 R.B.Bent提 出描 述 电 子 密 度是 经 纬 度 、 时 间 、 季 节 和 太 阳 辐 射 流 量 的 函 数 Klobuchar模 型特 点由 美 国 的 J.A.Klobuchar提 出描 述 电 离 层 的 时 延广 泛 地 用 于 GPS导 航 定 位 中GPS卫 星 的 导 航 电 文 中 播 发 其 模 型参 数 供 用 户 使 用 v Klobuchar模 型 （ 续 ）中 心 电 离 层 电 离 层 地 球 约 350km 中 心 电 离 层 电 离 层 穿 刺 点 IP 天 顶 方 向 Z v Klobuchar模 型 （ 续 ）模 型 算 法 文 提 供 ；由 卫 星 所 发 送 的 导 航 电；其 中 ： 天 顶 方 向 的 电 离 层 时 延信 号 的 电 离 层 穿 刺 点 处 )3,2,1,0()3,2,1,0( ; )14(2cos105sec3030 9 iiPA tPAZT ii i imii imi hg vKlobuchar模 型 （ 续 ）模 型 算 法 3)9096(21sec15 )0.291cos(6.11 4.780.291cossin cos , 4)20445( elZIPZ UTtIPt a aEA aEAIP elEAIPS IPIPIPIPm SSIP SIP IPIPm 处 的 天 顶 距 ：为 卫 星 信 号 在处 的 地 方 时为有 ， 北 纬于 东 经考 虑 到 目 前 地 磁 北 极 位为 卫 星 的 方 位 角 ； ：点 的 地 心 经 纬 度计 算 在 点 心 的 夹 角 ：和计 算 测 站 下 面 步 骤 计 算处 的 地 磁 纬 度 ， 可 采 用为 信 号 的 电 离 层 穿 刺 点 改 正 效 果 ： 可 改 正 60 左 右 电 离 层 延 迟 的 双 频 改 正 电 离 层 延 迟 的 双 频 改 正 （ 续 ） 电 离 层 地 球 约 350km 中 心 电 离 层 电 离 层 穿 刺 点 IP 天 顶 方 向 Z 地 心 测 站 S EA 电 离 层 延 迟 的 实 测 模 型 改 正基 本 思 想利 用 基 准 站 的 双 频 观 测 数 据 计 算 电 离 层 延 迟利 用 所 得 到 的 电 离 层 延 迟 量 建 立 局 部 或 全 球 的 的TEC实 测 模 型局 部 （ 区 域 性 ） 的 实 测 模 型 改 正方 法 为 原 点 坐 标 。 ） ；为 展 开 式 的 系 数 （ 待 求 展 开 式 的 最 高 阶 数 ；为 变 量 的 二 元 泰 勒 级 数和为 以 ；点 的 太 阳 时 ，为点 的 地 心 纬 度 ，为其 中 ：00 maxmax 0 0 00, , )()(),( max maxsE smn UTLTsIPsIP ssEsTECnm nn mm mnnm 适 用 范 围 ： 用 于 局 部 地 区 的 电 离 层 延 迟 改 正 电 离 层 延 迟 的 实 测 模 型 改 正全 球 （ 大 范 围 ） 的 实 测 模 型 改 正方 法为 球 谐 系 数 （ 待 求 ） 。 多 项 式 ；次 正 规 化 缔 合 勒 让 德阶 的多 项 式和 勒 让 德为 基 于 正 规 化 函 数 数 ；为 球 谐 展 开 式 的 最 高 阶 ；点 的 太 阳 时 ，为点 的 地 心 纬 度 ，为其 中 ： nmnm mnnmnm nn nm nmnmnmba Legendremn PLegendremnPmnPn UTLTsIPsIP msbmsaPsTEC, )( )(),(),( )sincos(sin),( ,max 0 0max 适 用 范 围 ： 用 于 大 范 围 和 全 球 的 电 离 层 延 迟 改 正格 网 化 的 电 离 层 延 迟 改 正 模 型 电 磁 波 信 号 通 过 电 离 层 时 传 播 速 度 会产 生 变 化 ， 致 使 量 测 结 果 产 生 系 统 性 的 偏离 ， 这 种 现 象 称 为 电 离 层 折 射 。 电 离 层 折射 的 大 小 取 决 于 外 界 条 件 （ 时 间 、 太 阳 黑子 数 、 地 点 等 ） 和 信 号 频 率 。 在 伪 距 测 量和 载 波 相 位 测 量 中 ， 电 离 层 折 射 的 大 小 相同 ， 符 号 相 反 。 结 论 7.3.4 多 路 径 效 应v多 路 径 （ Multipath） 误 差 在 GPS测 量 中 ， 被 测 站 附 近 的 物 体 所 反 射 的 卫 星 信 号（ 反 射 波 ） 被 接 收 机 天 线 所 接 收 ， 与 直 接 来 自 卫 星 的信 号 （ 直 接 波 ） 产 生 干 涉 ， 从 而 使 观 测 值 偏 离 真 值 产生 所 谓 的 “ 多 路 径 误 差 ” 。v多 路 径 效 应 由 于 多 路 径 的 信 号 传 播 所 引 起 的 干 涉 时 延 效 应 称 为 多路 径 效 应 。 经 某 些 物 体 表 面 反 射 后 到 达 接 收 机的 信 号 ， 将 和 直 接 来 自 卫 星 的 信 号 叠 加进 入 接 收 机 ， 使 测 量 值 产 生 系 统 误 差 。多 路 径 误 差 对 伪 距 测 量 的 影 响 比 载 波 相位 测 量 的 影 响 严 重 。 该 项 误 差 取 决 于 测 站 周 围 的 环 境 和 接 收 天 线 的 性 能 。 v 反 射 波 反 射 波 的 几 何 特 性 zH zHzzHzzH zGAzGAGAOAGA sin42 sin2)sin21(1(sin)2cos1(sin )2cos1(2cos 2 为 ：号 的 相 位 差反 射 信 号 相 对 于 直 接 信 为 ：号 多 经 过 的 路 径 长 度反 射 信 号 相 对 于 直 接 信 H A O G S S S zz 2z 反 射 波 的 物 理 特 性反 射 系 数 a极 化 特 性GPS信 号 为 右 旋 极 化反 射 信 号 为 左 旋 极 化 v多 路 径 误 差 受 多 路 径 效 应 影 响 的 情 况 下 的 接 收 信 号 tUtU tUtUtUS tUatUa tUatUatU tUatUSSS tUaS tUSrd rd sin)sin(cos)cos( sinsincoscos)cos( sin)sin(cos)cos1( sinsincoscoscos )cos(cos )cos( cos 为 ：因 为 接 收 信 号 也 可 表 示实 际 接 收 信 号 ：反 射 信 号 ：直 接 信 号 ： 卫 星 反 射 物直 射 信 号 反 射信 号天 线 )cos1 sin(cos1 sin cos21 )sin()cos()cos21( sin)cos(cos21(sincos1 sinsin coscos1 2 2222 2222 aaarctgaatg aaaa aaaaaa a得 ： 除 以 第 二 式 ， 有将 上 面 两 式 中 的 第 一 式得 ： ）（）（）（ 有对 上 面 两 式 求 平 方 和 ， 则 有 ： 多 路 径 的 数 值 特 性a a aaa aa a aaaaadd arcsin ;)arccos( 0)sincos1)(cos1( cos )cos1( sincos)cos1()cos1 sin(1 1 max 2 2 22 取 得 极 值时 ，则 ， 当 ) cos1 sin( 11 ni iini iiaaarctg 受 多 个 反 射 信 号 影 响 的 情 况 从 左 式 可 以 看 出 ： 由 多 路 径引 起 的 最 大 相 位 偏 移 为 90，也 就 是 1/4个 波 长 ， 对 L1载 波来 说 ， 大 约 为 4.8厘 米 ， 对 L2载 波 ， 约 为 6.2cm 观 测 上选 择 合 适 的 测 站 ： 避 开 易 发 生 多 路 径 的 环 境 ， 如 建构 筑 物 、 山 坡 、 成 片 水 域 等 。 硬 件 上采 用 抗 多 路 径 误 差 的 仪 器 设 备抗 多 路 径 的 天 线 ： 带 抑 径 板 或 抑 径 圈 的 天 线 ， 极化 天 线抗 多 路 径 的 接 收 机 ： 窄 相 关 技 术 等 数 据 处 理 上加 权参 数 法滤 波 法信 号 分 析 法v多 路 径 误 差 的 削 弱 方 法 载 波 相 位 测 量 中 残 留 在 观 测 值 中 的整 周 跳 变 （ 未 被 发 现 或 错 误 地 进 行 修 复所 造 成 的 ） 以 及 整 周 未 知 数 确 定 的 不 正确 ， 都 会 使 载 波 测 量 值 中 产 生 系 统 的 偏差 ， 它 们 通 常 也 被 归 入 与 传 播 有 关 的 误差 中 。 注 意 ： 7.4 与 接 收 设 备 有 关 的 误 差v 天 线 相 位 中 心 偏 差 和 变 化v 接 收 机 钟 差v 不 同 信 号 通 道 间 的 信 号 延 迟 偏 差 7.4.1 接 收 机 钟 差什 么 是 接 收 机 钟 差接 收 机 中 一 般 使 用 精 度 较 低 的 石 英 钟 ， 因 而 钟误 差 更 为 严 重 。 该 项 误 差 的 大 小 主 要 取 决 于 钟 的质 量 ， 和 使 用 环 境 也 有 一 定 关 系 。 它 对 伪 距 测 量和 载 波 相 位 测 量 的 影 响 是 相 同 的 。 同 一 台 接 收 机对 多 颗 卫 星 进 行 同 步 观 测 时 ， 接 收 机 钟 差 对 各 相应 观 测 值 的 影 响 是 相 同 的 ， 且 各 接 收 机 的 钟 差 之间 可 视 为 相 互 独 立 ， 但 接 收 机 钟 差 在 时 间 上 是 高度 相 关 的 。 v应 对 方 法 模 型 法模 型 的 有 效 性 受 限 于 接 收 机 钟 的 稳 定度 参 数 法 （ 单 点 定 位 中 一 般 要 估 计 ） 差 分 法 星 间 差 分 7.4.2天 线 相 位 中 心 偏 差 和 变 化v天 线 相 位 中 心 偏 差 和 变 化 天 线 相 位 中 心 偏 差 北 几 何 中 心 平 均 相 位 中 心 主 要 随 信 号 的 高 度 角的 变 化 而 变 化 与 信 号 的 方 位 角 关 系角 小天 线 相 位 中 心 的 变 化 -128mm -180-160-140-120-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Azimut () Rsiduelles relatives issues de la poutrelle (HS n=6 , m=3) Dome-488 L1 (masque=15)1525354555657585lvation ()1585-180 - 0BeamS.H . (n=6, m=4) 2 4-10-5 0 -1 10 1-1 234 0-4 天 线 相 位 中 心 改 正 cccccccccant HNEHNERZYXr sincos0 sinsinsinsincos coscossincossin 222 )()()( icAicAicAiA ZZZYYYXXXS SR antTSR rr rrr )(1 在 短 基 线 相 对 定 位 中 ， 如 果 天 线 指 北 方 向 对 准 正 北 （ 偏差 小 于 5度 ） ， 且 天 线 的 型 号 相 同 ， 则 随 高 度 角 变 化 的 相 位中 心 偏 移 部 分 通 过 差 分 被 极 大 的 削 弱 了 ， 因 此 通 常 被 忽 略 。 7.5 其 它 误 差 （ 因 素 ）v地 球 潮 汐 固 体 潮 负 荷 潮海 洋 负 荷 潮大 气 负 荷 潮v软 件 地 球 并 非 是 一 个 刚 体 ， 在 太 阳 和 月 球 的 万 有 引 力作 用 下 ， 固 体 地 球 要 产 生 周 期 性 的 弹 性 形 变 ， 这 种 现象 称 为 固 体 潮 。 此 外 在 日 月 引 力 的 作 用 下 ， 作 用 于 地球 上 的 负 荷 也 将 发 生 周 期 性 的 变 动 （ 如 海 潮 ） ， 从 而使 地 球 产 生 周 期 性 的 形 变 ， 这 种 现 象 称 为 负 荷 潮 汐 。固 体 潮 和 负 荷 潮 引 起 的 测 站 位 移 可 达 80cm， 从 而 使 不同 时 间 的 测 量 结 果 互 不 一 致 ， 因 而 在 高 精 度 相 对 定 位中 必 须 考 虑 。 地 球 潮 汐 思 考 题1、 GPS测 量 主 要 误 差 有 哪 几 类 ？2、 如 何 减 弱 电 离 层 、 对 流 层 的 折 射 误 差 ？3、 什 么 叫 多 路 径 误 差 ？ 如 何 减 弱 多 路 径误 差 ？4、 天 线 相 位 中 心 位 置 的 偏 差 。5、 求 差 法 能 消 除 哪 些 误 差 ？