1、1,第5講 GPS誤差源,李永川,2, 1.GPS定位誤差概述 2.與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 3.衛(wèi)星信號傳播誤差 4.接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,內(nèi)容概述,3,1. GPS定位的誤差概述,4,4,（1）衛(wèi)星星歷誤差 （2）衛(wèi)星鐘差 （3）相對論效應(yīng),GPS衛(wèi)星的發(fā)射,5,2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,5,星歷來源 星歷誤差對定位的影響 減弱星歷誤差影響的途徑,GPS衛(wèi)星工作星座,6,（1）衛(wèi)星星歷誤差,2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,6, 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、

2、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度。,2. 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(jìn)行 外推，通過GPS衛(wèi)星發(fā)播的一種預(yù)報星歷。 實(shí)測星歷 根據(jù)實(shí)測資料進(jìn)行擬合處理而直接得出的星歷。,星歷 （1）廣播星歷 （2）實(shí)測星歷,7, 星歷來源,2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,8,單點(diǎn)定位 星歷誤差的徑向分量作為等價測距誤差進(jìn)入平差計算，配賦到星站坐標(biāo)和接收機(jī)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)。,8, 星歷誤差對定位的影響,2. 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(jìn)行相對定位時，由于星歷誤差對兩站的影響具有很強(qiáng)的相關(guān)性，所以在求坐標(biāo)

3、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)。, 星歷誤差對定位的影響,2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,10,b 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：, 星歷誤差對定位的影響,2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,11, 建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立定軌 相對定位 軌道松弛法,9, 減弱星歷誤差影響的途徑,2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,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,

4、也包含鐘的隨機(jī)誤差。這些偏差總量在1ms以內(nèi)，由此引起的等效距離可達(dá)300km。,主要誤差源,11,二、衛(wèi)星鐘的鐘誤差,2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,13,衛(wèi)星鐘差的改正,衛(wèi)星鐘差可通過下式得到改正：,11,（2）衛(wèi)星鐘的鐘誤差,2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,14,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。,2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,15,相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)不同而引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生相對鐘差的現(xiàn)象。 狹義相對論觀點(diǎn) 一個頻率為f0的振蕩器安裝飛行速度為

5、v的載體上，由于載體的運(yùn)動，對地面觀測者來說將產(chǎn)生頻率變化。,不可忽視,12,（3）相對論效應(yīng),2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,16,廣義相對論觀點(diǎn) 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(dá)70ns，對精密定位仍不可忽略。,三、相對論效應(yīng),不可忽視,2. 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差,17,（1）電離層折射 （2）對流層折射 （3）多路徑誤差,13,3. 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501000km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，

6、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,（1）電離層折射,電離層及其影響,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,19,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。, 電離層及其影響,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,20,（1）相對定位：利用兩臺或多臺接收機(jī)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(jìn)行改正，對基線成果的影響一般也不會超過110-6。,16, 減弱電離層影響的有效措施,3. 衛(wèi)星信

7、號傳播誤差,21,（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(dá)接收機(jī)。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。, 減弱電離層影響的有效措施,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,22, 對流層及其影響 減弱對流層影響的措施 用霍普非爾德公式進(jìn)行對流層折射改正,17,（2） 對流層折射,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,23,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, 對流層及

8、其影響,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,24,用改正模型進(jìn)行對流層改正 利用同步觀測值求差, 減弱對流層影響的措施,20,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,25,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(diǎn)水氣含量相差甚遠(yuǎn)，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(jìn)行對流層改正, 減弱對流層影響的措施,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,26,與電離層的影響類型相似，當(dāng)兩觀測站相距不太遠(yuǎn)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

9、中被廣泛應(yīng)用。,22,利用同步觀測值求差, 減弱對流層影響的措施,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,27,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。, 減弱對流層影響的措施,利用同步觀測值求差,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,28,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(diǎn)（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,（3）多路徑誤差,3. 衛(wèi)星信號傳播誤

10、差,29,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,（3）多路徑誤差,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,30,例如： 選設(shè)點(diǎn)位時應(yīng)遠(yuǎn)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； 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； 測站不宜選在山坡、山谷和盆地中。,（3）多路徑誤差,3. 衛(wèi)星信號傳播誤差,31,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,（1）接收機(jī)鐘誤差 （2）天線相位中心位置誤差 （3）等效距離誤差 （4）幾何圖形強(qiáng)度,25,32,減弱接收機(jī)鐘

11、差比較有效的方法是：把每個觀測時刻的接收機(jī)鐘差當(dāng)作一個獨(dú)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(jìn)行的。,（1）接收機(jī)鐘誤差,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,33,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(jī)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(jī)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300m。,26,（1）接收機(jī)鐘誤差,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,34,在靜態(tài)絕對定位中，可以認(rèn)為各觀測時刻的接收機(jī)鐘差是相關(guān)的，設(shè)法

12、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(jī)鐘的穩(wěn)定性較差，鐘差模型不易反映真實(shí)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(jī)鐘差的影響。,（1）接收機(jī)鐘誤差,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,35,在GPS測量中，觀測值都是以接收機(jī)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(shí)際天線的相位中心位置隨信號輸入的強(qiáng)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(dá)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,（2）天線相位中心位置誤差,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,36,29,

13、實(shí)際工作中如果使用同一類型天線，在相距不遠(yuǎn)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(jìn)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)。,（2）天線相位中心位置誤差,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,37,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(dú)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(biāo)準(zhǔn)。,30,（3）等效距離誤差,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,38,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

14、方交會的幾何圖形強(qiáng)度。,（4）幾何圖形強(qiáng)度,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,39,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(guān)系。通常用圖形強(qiáng)度因子DOP來表示幾何圖形強(qiáng)度。,（4）幾何圖形強(qiáng)度,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,40,式中 0 等效距離的標(biāo)準(zhǔn)差 mx 某定位元素的標(biāo)準(zhǔn)差 DOP實(shí)際是權(quán)系數(shù)陣中主對角 線元素的函數(shù),32,（4）幾何圖形強(qiáng)度,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,41,圖形強(qiáng)度因子是一個直接影響定位精度、但又獨(dú)立于觀測值和其他誤差之外的一個量。其值恒大于1，最大值1，其

15、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。,（4）幾何圖形強(qiáng)度,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,42,在實(shí)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(qiáng)度因子。 平面位置圖形強(qiáng)度因子HDOP及其相應(yīng)的平面位置精度,（4）幾何圖形強(qiáng)度,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,43,高程圖形強(qiáng)度因子VDOP及相應(yīng)的高程精度,四、幾何圖形強(qiáng)度,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,44, 空間位置的圖形強(qiáng)度因子PDOP及其相應(yīng)的三維定位精度,四、幾何圖形強(qiáng)度,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,45,接收機(jī)鐘差圖形強(qiáng)度因子TDOP及其鐘差精度,（4）幾何圖形強(qiáng)度,4. 接收設(shè)備誤差與圖形強(qiáng)度,46,幾何圖形強(qiáng)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(qiáng)度,4. 接收設(shè)