16GNSS定位誤差源及改正方法概述目錄TOC\o"1-3"\h\u6181GNSS定位誤差源及改正方法概述 1165621.1與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 2140451.1.1衛(wèi)星星歷誤差 2230021.1.2衛(wèi)星鐘差 286001.1.3衛(wèi)星天線相位中心偏差 3134871.1.4異常衛(wèi)星的影響 318261.2與信號傳播有關(guān)的誤差 4196031.2.1對流層延遲誤差 4261301.2.2電離層延遲誤差 5152491.2.3多路徑效應(yīng) 5304131.3與接收機(jī)有關(guān)的誤差 5278671.1.1接收機(jī)鐘差 5170521.1.2接收機(jī)天線相位中心偏差 6194691.1.3接收機(jī)的觀測噪聲與安置誤差 6144171.4其他誤差 681061.4.1相對論效應(yīng) 6213421.4.2地球自轉(zhuǎn) 7287901.4.3地球潮汐改正 720547參考文獻(xiàn) 7GNSS測量原理和工作過程是：安置在地表面的GNSS接收機(jī)通過接收用于導(dǎo)航定位的測距信號和導(dǎo)航電文，同時測定地面接收機(jī)天線的相位中心到衛(wèi)星信號發(fā)射中心間的相對距離，并根據(jù)導(dǎo)航電文所給出的衛(wèi)星軌道參數(shù)，計算該觀測歷元衛(wèi)星在對應(yīng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，再采用后方交會的原理計算出接收機(jī)的在地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)、速度和鐘差等參數(shù)。在這一過程中，影響接收機(jī)天線定位精度的誤差主要來源于GNSS衛(wèi)星本身的系統(tǒng)誤差、電磁波信號在傳輸過程中發(fā)生的變化、地面接收機(jī)的儀器誤差。此外，在高精度的動靜態(tài)GNSS測量中，與地球自轉(zhuǎn)運動有關(guān)的固體潮、海洋負(fù)荷潮等，還有衛(wèi)星的硬件延遲，IGS傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，粗差的影響導(dǎo)致的誤差必須予以考慮。1.1與衛(wèi)星有關(guān)的誤差1.1.1衛(wèi)星星歷誤差在GNSS定位過程中，首先要獲取衛(wèi)星在軌道中的位置，接收機(jī)通過衛(wèi)星星歷提供的各項參數(shù)計算衛(wèi)星在軌道中的位置和運動狀態(tài)，通過這一方法計算的結(jié)果與實際的數(shù)值之差就是衛(wèi)星星歷誤差，其誤差大小與多種因素有關(guān)。在GNSS相對定位中，由于星歷誤差對距離較近的兩個接收機(jī)之間的影響具有很強(qiáng)的相關(guān)性，通過站間差分能夠有效削弱該誤差的影響，一般情況下，利用IGS所發(fā)布的各種星歷都能夠獲得精度可靠的定位結(jié)果[22]。精密單點定位因為之使用了一臺接收機(jī)而無法采取站間差分的方法來消除誤差，所以通常會利用更高精度的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品來削弱衛(wèi)星星歷誤差帶來的影響[23]。IGS的資料中心和分析中心提供的星歷產(chǎn)品主要包括預(yù)報星歷和后處理星歷兩大類。預(yù)報星歷從名字上就可以看出它具有實時性，能夠滿足實時用戶的需求，但是這種星歷所獲得的衛(wèi)星軌道精度較低，精度不能進(jìn)行高精度定位；后處理星歷雖然具有延遲性，但精度相對較高。表3-1IGS所提供的衛(wèi)星星歷產(chǎn)品參數(shù)Table3-1SatelliteephemerisproductparametersprovidedbyIGS星歷產(chǎn)品精度時間延遲更新率數(shù)據(jù)采樣間隔廣播星歷100cm實時超快星歷（IGU預(yù)報部分）5cm實時6h15min超快星歷（IGU實測部分）3cm3-9h6h15min快速星歷2.5cm17-41h24h15min最終星歷2.2cm12-18d7天15min1.1.2衛(wèi)星鐘差在GPS測量中，衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘都采用GPS時，此時的衛(wèi)星鐘差是指：衛(wèi)星上的鐘與標(biāo)準(zhǔn)的GPS時之間的誤差，主要是鐘差、頻漂、鐘速偏差等各種系統(tǒng)誤差，同時也包含一些偶然誤差（小到一定程度可以忽略不記）。由于每顆衛(wèi)星都有一個鐘差參數(shù)存在，所以在計算時，必須先對衛(wèi)星鐘差進(jìn)行估計，不能把它當(dāng)作合格參數(shù)進(jìn)行計算，否則參與計算的參數(shù)過多導(dǎo)致方程秩虧。衛(wèi)星鐘差一般可根據(jù)對衛(wèi)星的資料記錄推算得出，然后以導(dǎo)航電文的形式提供給用戶。目前，一般采用二階多項式的形式對其進(jìn)行誤差改正，表達(dá)式為：δ=a0+a1（式中a0為參考?xì)v元t0時刻的鐘差，a1為t0時刻該鐘的鐘速，1.1.3衛(wèi)星天線相位中心偏差從儀器的結(jié)構(gòu)出發(fā)來看，衛(wèi)星天線的相位中心將電磁波信號傳輸出去，然后由地面的接收機(jī)天線中心所接收。同理，GNSS測定的是這兩根天線之間的距離。但是IGS所提供的是衛(wèi)星的質(zhì)心坐標(biāo)，這樣就產(chǎn)生了一個差值，該偏差對高精度的GNSS定位的干擾必須加以考慮，因此需要進(jìn)行衛(wèi)星天線相位中心的誤差改正。天線相位中心偏差一般可分為兩種：一種是天線的瞬時相位中心的平均值和天線參考點之間的偏差，通常被稱為天線相位中心偏差（PhaseCenterOffset，PCO）；另一種是天線的瞬時相位中心與平均相位中心之間的差值，一般叫做天線的相位中心變化（PhaseCenterVariation，PVC）[24]。在2007年之前，IGS中心一直采用的是相對天線相位中心改正模型，但是在應(yīng)用研究是發(fā)現(xiàn)，使用該模型所求得的相位中心誤差實際上并非是所要求得的數(shù)據(jù)，而是相對于參考天線AOAD/MT的相位中心誤差。如今隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，IGS在發(fā)現(xiàn)這一問題之后就開始設(shè)計一種新的模型來取代原有的數(shù)學(xué)模型，以此來計算天線相位中心誤差，并且取得了良好的效果。1.1.4異常衛(wèi)星的影響全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)GNSS不是一個簡單的衛(wèi)星系統(tǒng)，它實際上是由是由美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗和歐盟的伽利略（Galileo）系統(tǒng)等各種各自獨立運行的衛(wèi)星系統(tǒng)組合起來形成的。由于組合在一起的衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展時間、系統(tǒng)運行時間、覆蓋范圍的不同、技術(shù)水平的不等，再加上各系統(tǒng)衛(wèi)星使用年限的長短等因素的影響，能夠使用的衛(wèi)星其質(zhì)量也是參差不齊。這樣就會導(dǎo)致用戶在觀測的時候，接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號來源雜亂且不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的可靠性較低。特別是精確定位時，尤其是在地震監(jiān)測等領(lǐng)域需要高精度要求條件下，異常衛(wèi)星所傳輸?shù)男盘柛鼞?yīng)該即使發(fā)現(xiàn)和剔除。這就涉及到發(fā)射出去的衛(wèi)星其健康實時監(jiān)測系統(tǒng)的建立和應(yīng)用。在每一顆發(fā)射出去的衛(wèi)星上加入衛(wèi)星健康監(jiān)測和管理系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測衛(wèi)星的健康狀況，而在于地面監(jiān)測站，要對每一顆衛(wèi)星傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障而報廢時，應(yīng)當(dāng)即使關(guān)閉衛(wèi)星或標(biāo)記該衛(wèi)星，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時自動屏蔽到該衛(wèi)星信號，將正確的衛(wèi)星信號傳輸給用戶，提高觀測精度。1.2與信號傳播有關(guān)的誤差1.2.1對流層延遲誤差衛(wèi)星導(dǎo)航定位中的對流層延遲通常是指電磁波信號在傳輸階段通過高度為50km以下的對流層和平流層時，由于在這兩層大氣中存在有大量未被電離的中性氣體以及物理和化學(xué)性質(zhì)非常不穩(wěn)定的混合物，在電磁波信號通過時，會與其作用而發(fā)生折射導(dǎo)致傳播延遲。在電磁波信號傳播過程中，對流層延遲的大小與符號均相等，且與載波的頻率無關(guān)，所以不能通過雙頻改正的方法來消除。對流層中的大氣成分較為復(fù)雜，一般分為兩個部分：一部分是大氣中的氮氣和氫氣等干燥性氣體引起的干延遲（占總延遲的90%），這部分氣體狀態(tài)比較穩(wěn)定，有很好的規(guī)律性，可以按照改正模型計算得到，通常用到的改正模型為薩斯塔莫寧（Saastamoinen）模型，該模型的改正精度為1%-2%；另一部分則是濕延遲（占總延遲的十分之一）。由于水蒸汽密度經(jīng)常發(fā)生變化，導(dǎo)致這部分延遲時空變化較大，很難用Saastamoninen等模型進(jìn)行精確改正[10]。在實際解算中，一般將對流層延遲表示為映射函數(shù)與天頂方向延遲量的乘積，映射函數(shù)的精度質(zhì)量將直接影響對流層延遲誤差的大小，目前常用的映射函數(shù)有NMF模型、GMF模型、VMF1模型[25]。其中GMF模型應(yīng)用方便靈活，解算精度高[26]。精密單點定位中，在衛(wèi)星較多且分布也較均勻情況下，天頂方向?qū)α鲗友舆t在垂直水平面方向影響較大，平面影響較小。相對定位中，兩測站距離不遠(yuǎn)時，信號傳播路徑基本相同，可采取站間差分的方法削弱對流層的影響。1.2.2電離層延遲誤差衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號在通過該電離層時，因為與該層大氣中的一些離子發(fā)生作用，其傳播速度會發(fā)生變化，傳播路徑也會發(fā)生曲折現(xiàn)象。而變化和彎曲的大小程度與電磁波的頻率有關(guān)，同時也有電離層中未知離子密度的影響，該現(xiàn)象對GNSS測量造成的誤差被稱為電離層延遲誤差[27]。在精密單點定位時，可以利用電離層延遲與信號頻率有關(guān)這一特性，采取LC消電離層組合觀測值的方法來消除電離層一階的影響，高階影響很小，通常情況下可以忽略掉。此外，還可以對電離層傾斜路徑延遲進(jìn)行參數(shù)估計。對于相對定位而言，測站間基線較短時，采用雙差觀測值的方法即可削弱電離層延遲誤差對定位的影響；測站基線較長時，測站間電離層相關(guān)性有所降低，一般使用無電離層影響的LC解即可。1.2.3多路徑效應(yīng)在外業(yè)觀測時，接收機(jī)所接收的信號大部分是屬于衛(wèi)星所直接傳輸?shù)模硪恍〔糠质菧y站周圍的地物所反射的衛(wèi)星信號，這兩種信號如果都進(jìn)入接收機(jī)中會互相干涉，從而使觀測值產(chǎn)生誤差，這就是所謂的多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)會嚴(yán)重?fù)p害觀測書記的質(zhì)量，嚴(yán)重時會使接收機(jī)無法跟蹤衛(wèi)星，是GNSS外業(yè)測量中一個不可忽視的現(xiàn)象，因此多路徑效應(yīng)應(yīng)當(dāng)及時發(fā)現(xiàn)并采取有效的措施予以消除或削弱?，F(xiàn)階段，消除和削弱多路徑效應(yīng)的方法有以下幾種：一個是選擇合適的站址。在安置測站時，應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離湖泊、水庫池塘等水源，因為這些水源都會產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。同時，測站不適合安置在有較大坡度的路面上。因為當(dāng)路面坡度較大時，會影響衛(wèi)星信號的傳輸和接收；二是選擇具有抑制多路徑效應(yīng)的GNSS接收機(jī)；三是根據(jù)實際情況可以適當(dāng)增加外業(yè)觀測時間；四是因為多路徑效應(yīng)具有日重復(fù)性，因此可采用半?yún)?shù)法、恒星日濾波法、小波分析法等加以去除[28][29]。目前，在精密單點定位中，一般不會采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改正，而是把多路徑作為隨機(jī)噪聲來處理。1.3與接收機(jī)有關(guān)的誤差1.1.1接收機(jī)鐘差接收機(jī)一般采用石英鐘，而石英鐘相較于衛(wèi)星所使用的原子鐘，其質(zhì)量會比較差。此外，石英鐘不但鐘差的數(shù)值大，變化快，而且變化的規(guī)律性也很差[30]。目前，在精密單點定位中，一般都是把每一個觀測歷元的接收機(jī)鐘差與其他參數(shù)放在一起進(jìn)行參數(shù)估計。1.1.2接收機(jī)天線相位中心偏差在理想狀態(tài)下，接收機(jī)天線相位中心應(yīng)該與幾何中心保持一致，但是在實際情況下，接收機(jī)天線的相位中心位置會隨著接收信號的強(qiáng)弱變化而變化。在GNSS測量中，接收機(jī)天線相位中心偏差能夠達(dá)到厘米級的誤差；在雙差相對定位中，一般采用同一批次或同一品牌的接收機(jī)天線來消除該誤差；在精密單點定位中，則需要通過建立數(shù)學(xué)模型來消除該誤差的影響；在接收機(jī)硬件方面，可以采取有螺旋狀結(jié)構(gòu)和扼流圈的接收機(jī)天線來消除該誤差的影響。1.1.3接收機(jī)的觀測噪聲與安置誤差由接收機(jī)本身運行產(chǎn)生的噪音和外界環(huán)境所帶來的噪音而導(dǎo)致的測量誤差被稱為接收機(jī)的觀測噪聲誤差。該誤差的大小具有隨機(jī)性，通常情況下，當(dāng)測量噪聲較小，同時外業(yè)觀測時間較長時，該誤差可以不予考慮。在測站點架設(shè)接收機(jī)時，儀器的天線相位中心與測站標(biāo)石中心會存在一定的偏差，這種偏差被稱為接收機(jī)安置誤差。在精密定位中，安置儀器時須按照相關(guān)規(guī)定，仔細(xì)操作，盡可能降低該誤差的影響。1.4其他誤差1.4.1相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)是指因為衛(wèi)星鐘（距離地面上千公里）與接收機(jī)鐘（地球表面）所處的狀態(tài)不同，而導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生相對誤差的現(xiàn)象。該誤差主要由兩部分組成：一是地球引力位異常導(dǎo)致的偏差，解決該問題最直接且高效的辦法是降低在地球上設(shè)計的原子鐘頻率，衛(wèi)星進(jìn)入空中后，由于相對論效應(yīng)，頻率會與地面鐘的標(biāo)準(zhǔn)頻率一致；二是因為地球本身不是一個真正的球形，所以衛(wèi)星運行軌道不是圓形，經(jīng)過上述頻率調(diào)整后還會有殘余誤差，當(dāng)衛(wèi)星軌道偏心率為0.01時，引起的測距誤差為6.864米，在精密單點定位中須予以考慮，相對論效應(yīng)導(dǎo)致的誤差可用以下模型來改正：ΔPREL=-上式中，XS為衛(wèi)星在軌道面坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，V1.4.2地球自轉(zhuǎn)在宇宙中，地球一直繞地軸轉(zhuǎn)動，而GNSS數(shù)據(jù)處理的坐標(biāo)系為協(xié)議地球坐標(biāo)系，即地面測站和衛(wèi)星的空間位置均用地固坐標(biāo)系來表示。當(dāng)衛(wèi)星傳輸?shù)男盘柋唤邮諜C(jī)接收時，接收機(jī)及監(jiān)控站所在的地固坐標(biāo)系統(tǒng)相對于衛(wèi)星的瞬時位置已發(fā)生變化，導(dǎo)致衛(wèi)星信號發(fā)射和接收時所在的坐標(biāo)系不是同一個坐標(biāo)系，因此，地球自轉(zhuǎn)對高精度GNSS定位的影響必須考慮在內(nèi)。1.4.3地球潮汐改正宇宙中所有天體間都存在著一種相互作用的力，同樣的，太陽系天體間也存在著這一力，地球就在萬有引力的作用下，地表產(chǎn)生了周期性的彈性形變，這一現(xiàn)象被學(xué)術(shù)界稱為固體潮。在GNSS相對定位中，短基線（基線長度小于100km）可通過差分方式消除潮汐作用力帶來的誤差影響，而長基線則需要考慮固體潮改正。同時，海洋在太陽、月球等天體的作用下，潮汐發(fā)生周期性的變化，這一現(xiàn)象被稱為負(fù)荷潮。在精密單點定位中，精度等級為厘米級的動態(tài)定位可以不去考慮負(fù)荷潮的影響；在相對定位中，GAMIT軟件使用的海洋負(fù)荷潮文件是現(xiàn)階段世界上精度最高的海洋負(fù)荷潮改正模型之一[2]（文獻(xiàn)2）。參考文獻(xiàn)殷海濤,劉希強(qiáng),李杰,徐長朋.現(xiàn)今地震預(yù)警技術(shù)及其在國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r的探討[J].中國地震,2012,28(01):1-9.楊帆.基于高頻GNSS觀測的地震監(jiān)測技術(shù)研究[D].中國石油大學(xué)(華東),2018.張小紅,郭斐,郭博峰,呂翠仙.利用高頻GPS進(jìn)行地表同震位移監(jiān)測及震相識別[J].地球物理學(xué)報,2012,55(06):1912-1918.郭博峰.單站高頻GNSS求解同震位移的新方法及聯(lián)合強(qiáng)震儀的地震預(yù)警應(yīng)用研究[D].武漢大學(xué),2015.殷海濤,甘衛(wèi)軍,肖根如,王現(xiàn)玲,李杰.利用高頻GPS技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)震地面運動監(jiān)測的研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2009,24(06):2012-2019.任金衛(wèi),王敏.GPS觀測的2001年昆侖山口西M_S8.1級地震地殼變形[J].第四紀(jì)研究,2005(01):34-44..GPS測定的2008年汶川Ms8.0級地震的同震位移場[J].中國科學(xué)(D輯:地球科學(xué)),2008(10):1195-1206.顧國華,王武星.GPS測得的汶川大地震同震位移[J].地震,2009,29(01):92-99.殷海濤,張培震,甘衛(wèi)軍,王敏,廖華,李小軍,李杰,肖根如.高頻GPS測定的汶川Ms