GPS测量的主要误差来源及其影响

第五章差来源及影响星定位系统误GPS卫对论钟差及相历误差，卫星第五章 GPS卫星定位系统误差来源及影响了解卫星 星折射离层差，相位中心位臵误差的产生与消减方法。 掌握电效应。理解接收机钟 误产生与消减方法。误差、多路径误差的流层折射误差、对差概述定位的误差来源及影响第一节 GPS第五章GPS卫星定位系统误 差星有关的误节与卫第二差误星信号传播第三节卫差设备误第四节接收3度图形强第五节卫星几何4差概述GPS定位的误第一节差误卫星有关的节第二与差钟历误差二、卫星一、卫星星应效三、相对论射发卫星的GPS差误卫星有关的第二节与差星星历误一、卫来源星历1定位的影响差对2星历误差影响的途径减弱星历误 3星工作星座GPS卫差星有关的误节与卫第二来源历1 星差历误卫星星误星位臵的确定差就是卫历提供的，卫星星历误星位臵，是由某一瞬间的卫卫星 星差。差来源历误星算道计其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨轨软件的完善程度。轨道模型及定时所用的差误与卫星有关的第二节 来源历1 星历星历1) 广播星(2)实测星历广播星历根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行外推，通 过历。星预报播的一种发星卫GPS.历。行拟合处理而直接得出的星实测星历根据实测资料进7差星有关的误第二节与卫点定位定位的影响单星历误差对 2和接收机标计算，配赋到星站坐入平差差的径向分量作为等价测距误差进星历误 图形有关。星的几何方式则与卫钟差改正数中去，具体配赋8差误节与卫星有关的第二定位的影响对2 .星历误差定位对相强两站的影响具有很历误差对料进行相对定位时， 由于星利用两站的同步观测资 坐对，共同的影响可自行消去，从而获得高精度的相的相关性， 所以在求坐标差 时标。差卫星有关的误第二节与定位的影响历误差对2.星:对定位影响的估算式为果，可以导出星历误差根据一次观测的结;线长一一基dbds b bl 站的距离；ds卫星至测pdb 卫星星历误差所引起的基线误差； 差；历误星ds卫星星历的相对误差。 第二节与卫星有关的误差3.减弱星历误差影响的途径(1)建立自己的GPS卫星跟踪网独立定轨(2) 相对定位(3) 轨道松弛法9第二节与卫星有关的误差二、卫星钟的钟误差卫星钟采用的是 GPS时，但尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟(铷钟和铯钟)，它们与理想的GPS 时之间仍存在着难以避免的频率偏差或频率漂移，也包含钟的随机误差。这些偏差总 量在1ms以内，由此引起的等效距离可达 300km。11第二节与卫星有关的误差差的改正钟星卫差钟误的钟星二、卫下式得到改正：过钟差可通卫星ts a0 al(t t0) a2(t t0)211第二节与卫星有关的误差经上述钟差改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，由此引起的等效距离偏差不超过 6m。卫星钟差或经改正后的残差，在 相对定位中可通过差分法在一次求差中得到消除。第二节与卫星有关的误差三、相对论效应相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟差的现象。狭义相对论观点一一一个频率为f0的振荡器安装飞行速度为v的载体上，由于载体的运动，对地面 观测者来说将产生频率变化。12第二节三、相对论效应广义相对论观点一一处于不同等位面的振荡器，其频率将由于引力位不同而发生变化。 相对论效应的 影响并非常数，经改正后仍有残差，它对 GPS时的影响最大可达70ns，对精密定 位仍不可忽略。第三节卫星信号传播误差一、电离层折射二、对流层折射三、多路径误差13第三节卫星信号传播误差一、电离层折射1 电离层及其影响电离层一一地球上空大气圈的上层，距离地面高度在501000km之间的大气层。 当GPS信号通过电离层时，信号的传播路径会发生弯曲，使其传播速度发生变 化，由此产生的距离差对测量的精度影响较大，必须采取有效措施削弱其影响。15第三节卫星信号传播误差1 电离层及其影响应该明确，电离层中的相对折射率与群折射率是不同的。 码相位测量和载波相位 测量应分别采用群折射率和相折射率。 所以，载波相位测量时的电离层折射改正数 和伪距测量时的改正数是不同的，两者大小相等，符号相反。第三节卫星信号传播误差影响的有效措施层离、减弱电2.可以有效时同一组卫星的同步观测值求差（1）相对定位：利用两台或多台接收 机对成果的影响一般线进行改正，对基地减弱电离层折射的影响，即使不对电离层折 射也不。10-6会超过1X16差误节卫星信号传播第三影响的有效措施2、减弱电离层率的信号星信号，则两个不同频率f1和f2发射卫频（2）双频接收：如分别用 两个已知率的信号却对两个频值虽就会沿同一路径到达接收机。公式中积分然无法计算， 但是相同的。差传播误第三节卫星信号折射二、对流层及其影响层、对流影响的措施、用霍普非尔德公式进行流层对流层折射改正、减弱对3T 2 117差播误第三节卫星信号传及其影响层1、对流更大，电对流层是高度为50km以下的大气层，由于离地面更近，其大气密度比 离层 能，其温度随高度的大气状态变化更复杂。 对流层与地面接触并从地面得到辐射 热传播影响不大。磁波离子，但对电层中虽有少量带电上升而降低。对流18 差播误节卫第三星信号传 求差层对流改正利用同步观测值、减弱对 2 流层影响的措施用改正模型进行20 差传播误节卫第三星信号 改正流层、减弱对 2 流层影响的措施用改正模型进行对 时间、不同地的分布不均匀，不同该方法设备简单，方法易行，但由于水气在空 间改正的湿气部分精点水气含量相差甚远， 用通一模型很难准确描述， 所以，层对 流。80%90%较低，只能将湿分量消去度21差传节卫星信号播误第三 求差影响的措施利用同步观测值层 2、减弱对流 过层离的影响类型相似，当两50100k距离的增大，大气状况的相关性减弱，当距离站之间不过，随着同步 观测定位精度提高的重要因素。GPS制约m时，对流层折射的影响就成为 差误传播第三节卫星信号差三、多路径误 可能收到，还过多个不同路径传到接收到卫星信号的同时多路径是指卫星信号通 中心）量参考点（相对周围地物反射的卫星信号， 多种信号叠加就会引起测经天 线应。多路径效播所引起的干涉时延效应称为化， 的位臵变这种由于多路径的信号 传直接信号反射物23差误第三节卫星信号传播差三、多路径误星信号方向有关， 与反射系数有关， 也和反射物离差不仅测站的距离及卫多路径 误选择站址，避开信号反射物。无法建立准确的误差改正模型，只能恰当地24差节卫星信号传播误第三差三、多路径误例如：作物丛、农选在地面有草平静的水面，选设点位时应远离大面积较好的站址可 好吸收微波信号的能量的地方；较等植被能;站附近也不要停放汽车有高测站附近不应层建筑物，观测时测选在山坡、山谷和盆地中。测站不宜度图形强第四节：接收设备误差与一、接收机钟误差二、天线相位中心位臵误差三、等效距离误差四、几何图形强度25第四节：接收设备误差与图形强度一、接收机钟误差在GPS测量时，为了保证随时导航定位的需要，卫星钟必须具有极好的长期稳 定度0而接收机钟则只需要在一次定位的期间内保持稳定，所以，一般使用短期稳定 交好、便宜轻便的石英钟，其稳定度约为 10-10。如果接收机钟与卫星钟间的同步差为 1卩s,则由此引起的等效距离差约为 300m26 第四节：接收设备误差与图形强度 一、接收机钟误差 减弱接收机钟差比较有效的方法是： 把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立 的未知数， 在数据处理中与观测站的位臵参数一并求解。 伪距测量的数据处理就 是根据这一原理进行的。 第四节：接收设备误差与图形强度一、接收机钟误差在静态绝对定位中， 可以认为各观测时刻的接收机钟差是相关的， 设法建立一个 钟误差模型， 在平差计算中求解多项式系数。 不过接收机钟的稳定性较差， 钟差模 型不易反映真实情况，难以充分消除其误差影响。 此外，还可以通过在卫星间求一次差来削弱接收机钟差的影响。27 第四节：接收设备误差与图形强度二、天线相位中心位臵误差 在 GPS 测量中，观测值都是以接收 机天线的相位中心位臵为准的，所以天线的相位中心该与其几何中心保持一致。 但实际天线的相位中心位臵随信号输入的强度和方向不同会发生变化， 使其偏离几 何中心。这种偏差视天线性能的好坏可达数毫米至数厘米， 对精密相对定位也是 不容忽视的。天宝4800GPS结构图28第四节：接收设备误差与图形强度二、天线相位中心位臵误差 实际工作中如果使用同一类型天线， 在相距不远的两个或多个测站同步观测同一 组卫星，可以通过观测值求差来减弱相位中心偏移的影响。 不过这时各测站的天 线均应按天线附有的方位标志进行定向， 根据仪器说明书的要求， 罗盘指向磁北极， 其定向偏差应在 3o 以内。29 第四节：接收设备误差与图形强度三、等效距离误差 等效距离误差 各项误差投影到测站至卫星方向的具体数值。如果认为各项误差之间相互独立， 就可以求出总的等效距离误差，并用c 0表示。从而c 0就可以作GPS定位时衡量 观测精度的客观标准。度差与图形强：接收第四节设备误度四、几何图形强后方交会的几何以外，还取决于空间 GPS定位的精度除了取决于等效距离误差(T 0强度。图形31度图形强：接收第四节设备误差与度四、几何图形强，即使相同精值亦不同，此时星座与测站所构成的几何图形不同，权系数的数GPS形与定位卫星星座几何图度的观测值所求得的电位精度也会相同。为此需要研究是度，其定义度因子DOP来表示几何图形强精度的关系。通常用图形强 度形强节：接收设备误差与图第四度形强四、几何图mx DOP 0准差等效距离的标式中c 0准差某定位元素的标 mx角中主对是权系数阵DOP实际元素的函数线32度强设备误差与图形第四节：接收度强四、几何图形差之外的一误形强度因子是一个直接影响定位精度、但又独立于观测值和其他图 量中，希变化。在GPS测和值1，其大小随时间测站位臵而个量。其值恒大于1, 最大值越小越好。望DOP度形强差与第四节：接收设备误图度形强四、几何图强度因子。形应评价模型和相的图在实际工作中， 常根据不同的要求采用不同的 的平面位臵精度及其相应强度因子 HDOP平面位臵图形HDOP 33度强图形差与第四节：接收设备误度强四、几何图形高程图形强度因子VDOP及相应的高程精度VDOP mV VDOP 034第四节：接收设备误差与图形强度 度强形四、几何图PDOP及其相空定位精度应的三维度因子间位臵的图形强PDOP mP PDOP 035度强差与图形第四节：接收设备误度强四、几何图形差精度钟度因子TDOP及其钟接收机差图形强TDOP mT TDOP 036度强差与图形第四节：接收设备误度强四、几何图形几何图形强度因子GDOP及其三维坐标和时间误差的综合影响GDOP mG GDOP 0第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度如果测站与4颗卫星构成一个六面体时，图形强度因子 GDOP与该六面体体积 成反比。意味着所测卫星在空间分布越大，六面体的体积越大，GDOP值越小，图形越坚强，定位精度越高。第四节：接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度卫星的分布与GDOPGDOP良好37第四节：接收设备误差与图形强度四、几何图形强度卫星的分布与GDOPGDOP较差38第五节整周跳变分析与整周未知数的确定一、整周跳变分析1.整周跳变及其发生整周跳变（周跳）一在定位工作中可能由于卫星信号被暂时阻挡，或受到外界干扰影响，引起卫星跟踪锁。信号失现数，出积计数器无法累计中断，使暂时的.分析与整周未知数的确定整周跳变第五节分析一、整周跳变和修正检验变2.整周跳的观的几个正确相位值公式外推观测值的正确整周计数，或者根据相邻利用高次插 周跳并修正发现项式拟合的方法来推求整周计数的正确性，从而测量，采用 n 阶多计数。整周分析与整周未知数的确定第五节整周跳变的确定二、整周未知数 NO定位法.经典静态相对1实数解。（1）整数解；（2）量法.“动态”测2法线.交换天3分析与整周未知数的确定变第五节整周跳的确定NO二、整周未知数.快速确定整周未知数法4应实向量和整周未知数向量（数解）以及相（1）对所有观测值作周跳修正，解 算基线权方差。单位的协因数阵和检验。t对（2）整周未知数向量中的每个元素进行分析与整周未知数的确定变第五节整周跳的确定NO二、整周未知数阵计算工作量提高解算速度，可再次利用初次平差计算所得的协因数（3）为了减少统计检验。中的数据对进行项检验。可增加一 4）双频观测值还（习题强度思考与形第四节：接收设备误差与图差影响的途径有几种？对定位的影响有哪些？减弱星历误星历误差1层影响的有效措施有几种？电离 电离层折射及其影响有哪些？减弱2.多路径效应是什么？怎样防止？接收机天线的相位中心与其几何中心的区别在哪里？ 5.r 4.图形强度因子DOP的定义？我国采用哪种图形强度因子？39