1、第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第一節(jié)：GPS測量主要誤差分類 第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差 第三節(jié)：與衛(wèi)星有關的誤差 第四節(jié)：與接收機有關的誤差 第五節(jié)：其他誤差,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,學習目的,學習內容,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,學習目的: 了解衛(wèi)星星歷誤差，衛(wèi)星鐘差及相對論效應。 理解接收機鐘誤差，相位中心位置誤差的產生與消減方法。 掌握電離層折射誤差、對流層折射誤差、多路徑誤差的產生與消減方法。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來

2、源及影響,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,學習內容: 一、GPS定位的誤差概述 二、與衛(wèi)星有關的誤差 三、衛(wèi)星信號傳播誤差 四、接收設備誤差 五、衛(wèi)星幾何圖形強度,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第一節(jié)：GPS測量主要誤差分類,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,電離層折射 對流層折射 多路徑誤差,第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差,一、電離層折射 1、電離層及其影響 電離層地球上空大氣圈的上層，距離地面高度在501000km之間的大氣層。 當GPS信號通過電離

3、層時，信號的傳播路徑會發(fā)生彎曲，其傳播速度也會發(fā)生變化，由此產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。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差,應該明確，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分別采用群折射率和相對折射率。所以，載波相位測量時的電離層折射改正數和偽距測量時的改正數是不同的，兩者大小相等，符號相反。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差,2、減弱電離層影響的有效措施 （1）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

4、頻率的信號就會沿同一路徑到達接收機。精度為cm。 （2）利用電離層改正模型修正：沿著信號傳播路徑來進行積分，精度優(yōu)于2mm。 （3）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110-6。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差,二、對流層折射 1、對流層及其影響 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

5、離子，但對電磁波傳播影響不大。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差,對流層的折射率與大氣壓力、溫度和濕度密切相關。由于大氣的對流作用很強，大氣狀態(tài)變化復雜。對流層折射的影響與信號的高度角有關，當在天頂方向（高度角為90o），其影響達2.3m；當在地面方向（高度角為10o），其影響達20m；所以，對流層及其影響難以準確地模型化。利用測站地面實測的氣象數據，可以通過現有的各種數字模型消除92%95%的對流層折射影響。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差,2、減弱對流層影響的措施 （1）用改正模型

6、進行對流層改正 該方法設備簡單，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，用同一模型很難準確描述，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%。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差,（2）利用同步觀測值求差 與電離層的影響類型相似，當兩觀測站相距不太遠時（例如50100km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。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差,三、多路徑誤差 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

7、同時，還可能收到經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稱為多路徑效應。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第二節(jié)：與信號傳播有關的誤差,多路徑誤差不僅與反射系數有關，也和反射物離測站的距離及衛(wèi)星信號方向有關，無法建立準確的誤差改正模型，只能恰當地選擇站址，避開信號反射物。 例如： 選設點位時應遠離大面積平靜的水面，較好的站址可選在地面有草叢、農作物等植被能較好吸收微波信號的能量的地方； 測站附近不應有高層建筑物，觀測時測站附近也不要停放汽車； 測站不宜選在山坡、山谷和盆地中。,GP

8、S測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第三節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,衛(wèi)星星歷誤差 衛(wèi)星鐘差 相對論效應,第三節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差,一、衛(wèi)星星歷誤差 星歷誤差來源 星歷誤差相對定位的影響 減弱星歷誤差影響的途徑,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第三節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差,1、星歷誤差來源 星歷： （1）廣播星歷 （2）實測星歷 廣播星歷：根據美國GPS控制中心跟蹤站的觀測數據進行外推，通過GPS衛(wèi)星發(fā)播的一種預報星歷。 實測星歷：根據實測資料進行擬合處理而直接得出的星歷。,GPS測量原理及應用,第七章

9、GPS測量的誤差來源及影響,第三節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差,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)星跟蹤站的數量及空間分布、觀測值的數量及精度、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第三節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差,2、星歷誤差對定位的影響 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，配賦到星站坐標和接收機鐘差改正數中去，具體配賦方式則與衛(wèi)星的幾何圖形有關。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第三節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差,

10、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性，所以在求坐標差時，共同的影響可自行消去，從而獲得高精度的相對坐標。根據一次觀測的結果，可以導出星歷誤差對定位影響的估算式為： b基線長；db衛(wèi)星星歷誤差所引起的基線誤差； 衛(wèi)星至測站的距離；ds星歷誤差； 衛(wèi)星星歷的相對誤差。 廣播星歷而言，相對定位精度能保證12*10-6,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第三節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差,3、減弱星歷誤差影響的途徑 （1）建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網獨立定軌 （2）同步觀測值求差：同一衛(wèi)星，多個測站間求差 （3）軌道松弛法：在平差模型中把

11、衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星軌道作為初始值，視其改正數為未知數。通過平差同時求得測站位置及軌道的改正數，即為。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第三節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差,二、衛(wèi)星鐘差 衛(wèi)星鐘采用的是GPS 時，但盡管GPS衛(wèi)星均設有高精度的原子鐘（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，由此引起的等效距離可達300km。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第三節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差,衛(wèi)星鐘差的改正 經上述鐘差改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差可保持在20ns以內，由此引起的等效距離

12、偏差不超過6m。衛(wèi)星鐘差或經改正后的殘差，在相對定位中可通過差分法在一次求差中得到消除。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第三節(jié) 與衛(wèi)星有關的誤差,相對論效應 相對論效應是由于衛(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生相對鐘差的現象。 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生頻率變化。衛(wèi)星上的時鐘比地球上的要慢。 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。與狹義相對論影響相反，影響程度大于上者。 總的影響衛(wèi)星上的原子鐘比地球上的頻率增加了4.449*10-10

13、 f0 相對論效應的影響并非常數，經改正后仍有殘差，它對GPS時的影響最大可達70ns，對精密定位仍不可忽略。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第四節(jié)： 接收設備誤差,接收機鐘差 天線相位中心位置誤差 等效距離誤差,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第四節(jié)： 接收設備誤差,一、接收機鐘差 在GPS測量時，為了保證隨時導航定位的需要，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1s，則由此引起的等效距離差約為30

14、0m。 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作一個獨立的未知數，在數據處理中與觀測站的位置參數一并求解。偽距測量的數據處理就是根據這一原理進行的。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第四節(jié)： 接收設備誤差,在靜態(tài)絕對定位中，可以認為各觀測時刻的接收機鐘差是相關的，設法建立一個鐘誤差模型，在平差計算中求解多項式系數。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。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第四節(jié)： 接收設備誤差,二、天線相位中心位

15、置誤差 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毫米至數厘米，對精密相對定位也是不容忽視的。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,天寶4800GPS結構圖,第四節(jié)： 接收設備誤差,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按天線附有的方位標志進

16、行定向，根據儀器說明書的要求，羅盤指向磁北極，其定向偏差應在3o以內。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第四節(jié)： 接收設備誤差,三、等效距離誤差 等效距離誤差各項誤差投影到測站至衛(wèi)星方向的具體數值。如果認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0表示。從而0就可以作GPS定位時衡量觀測精度的客觀標準。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第五節(jié) 其它誤差,一、衛(wèi)星幾何圖形強度 GPS定位的精度除了取決于等效距離誤差0以外，還取決于空間后方交會的幾何圖形強度。 GPS星座與測站所構成的幾何圖形不同，權系數的數值亦不同，此時，即使相同

17、精度的觀測值所求得的電位精度也會相同。為此需要研究衛(wèi)星星座幾何圖形與定位精度的關系。通常用圖形強度因子DOP來表示幾何圖形強度。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第五節(jié) 其它誤差,二、地球自轉的影響 三、地球潮汐改正 主要是固體潮和海潮的影響，可使測站的位移達到80cm。,GPS測量原理及應用,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,第七章 GPS測量的誤差來源及影響,本章小結 GPS定位誤差主要分為：與衛(wèi)星有關、與傳播路 徑有關、與接收機有關的誤差和其他影響； 其減弱與消除辦法主要分為： 利用模型改正 對流層延遲、電離層延遲、衛(wèi)星鐘差、相對論的影響、地球自轉 影響、地球潮汐的影響。 利用觀測值的線性組合 差分消除對流層、電離層誤差、軌道誤差影響、衛(wèi)星鐘差的殘差等。 作為未知參數參與平差或其他方法 接收機鐘差作為未知數，天線相位中心的改正選擇合適的觀測環(huán)境和時間避開一些不利因素。,GPS測量原理及應用,第七