测量误差及其影响

测量误差及其影响第1页/共74页

GPS定位是通过地面接收设备接收卫星传送的信息确定地面点的位置误差主要来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备在高精度GPS测量中，地球潮汐及相对论效应等的影响也是导致误差的重要原因。第2页/共74页第3页/共74页GPS测量误差的性质①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特点随机量级小–

毫米级第4页/共74页GPS测量误差的性质②系统误差（偏差-Bias）内容其它具有某种系统性特征的误差特点具有某种系统性特征量级大–

最大可达数百米第5页/共74页第6页/共74页与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应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与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏移和变化接收机钟差接收机内部噪声GPS测量误差的来源第7页/共74页GPS测量误差的大小①SPS（无SA）第8页/共74页GPS测量误差的大小②SPS（有SA）第9页/共74页GPS测量误差的大小③PPS，双频，P/Y-码第10页/共74页消除或消弱各种误差影响的方法①模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接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所针对的误差源相对论效应电离层延迟对流层延迟卫星钟差限制：有些误差难以模型化第11页/共74页消除或消弱各种误差影响的方法②求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。所针对的误差源电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差…限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱第12页/共74页消除或消弱各种误差影响的方法③参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计第13页/共74页消除或消弱各种误差影响的方法④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。所针对的误差源电磁波干扰多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性第14页/共74页与卫星有关的误差与卫星有关的误差主要包括:卫星星历误差卫星钟的误差地球自转的影响相对论效应的影响第15页/共74页卫星星历（轨道）误差定义 由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。广播星历（预报星历）的精度

(无SA)20～30米

(有SA)100米精密星历（后处理星历）的精度 可达1厘米应对方法精密定轨(后处理)相对定位或差分定位第16页/共74页星历误差对单点定位的影响星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形星历误差对相对定位的影响db为基线误差，b为基线长，ds为星历误差，ρ为卫星到测站的距离。适合短基线相对定位。第17页/共74页解决星历误差的方法1)建立区域性卫星跟踪网可提高单点定位精度，使相对长基线定位精度提高。2)轨道松弛法在平差模型中，把卫星星历提供的卫星轨道坐标作为初始值，视其改正数为未知数，通过平差求得测站和卫星轨道改正数。半短弧法将轨道切向、径向、法向的三个改正作为未知数，计算较简单；短弧法把六个轨道偏差改正数作为未知数，计算量大，精度与半短弧法相当。3)同步观测值求差（也即相对定位）在两个或多个测站上对同一颗卫星的同步观测值求差，减弱卫星星历误差的影响。第18页/共74页卫星钟差定义 物理同步误差 数学同步误差应对方法模型改正 钟差改正多项式

其中a0为ts时刻的时钟偏差，a1为钟速，a2为钟速变化率。相对定位或差分定位第19页/共74页狭义相对论和广义相对论狭义相对论1905运动将使时间、空间和物质的质量发生变化广义相对论1915将相对论与引力论进行了统一第20页/共74页相对论效应对卫星钟的影响①狭义相对论原理：时间膨胀。钟的频率与其运动速度有关。第21页/共74页对GPS卫星钟的影响：结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢第22页/共74页相对论效应对卫星钟的影响②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：结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快第23页/共74页相对论效应对卫星钟的影响③相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论＋广义相对论第24页/共74页解决相对论效应对卫星钟影响的方法制造卫星钟时预先把频率降低。第25页/共74页与信号传播有关的误差电离层折射误差对流层折射误差多路径效应误差第26页/共74页电离层延迟第27页/共74页地球大气结构地球大气层的结构第28页/共74页大气折射效应大气折射信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称大气延迟。在GPS测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。色散介质与非色散介质色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质第29页/共74页相速与群速①相速群速相速与群速的关系相折射率与群折射率的关系第30页/共74页相速与群速②第31页/共74页电离层折射①第32页/共74页电离层折射②第33页/共74页电子密度与总电子含量电子密度与总电子含量电子密度：单位体积中所包含的电子数。总电子含量（TEC–TotalElectronContent）：底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。第34页/共74页电子密度与大气高度的关系第35页/共74页电子含量与地方时的关系第36页/共74页电子含量与太阳活动情况的关系与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加太阳活动周期约为11年1700年–1995年太阳黑子数第37页/共74页电子含量与地理位置的关系2002.5.151:00–23:002小时间隔全球TEC分布第38页/共74页常用电离层延迟改正方法分类经验模型改正方法：根据以往观测结果所建立的模型改正效果：差双频改正方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量效果：改正效果最好实测模型改正方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好第39页/共74页电离层改正的经验模型简介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国际参考电离层模型（IRI–InternationalReferenceIonosphere）由国际无线电科学联盟（URSI–InternationalUnionofRadioScience）和空间研究委员会（COSPAR-CommitteeonSpaceResearch）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、日期等为参数第40页/共74页电离层延迟的双频改正第41页/共74页电离层延迟的实测模型改正①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实测模型类型局部模型适用于局部区域全球模型适用于全球区域第42页/共74页电离层延迟的实测模型改正②局部（区域性）的实测模型改正方法适用范围：局部地区的电离层延迟改正第43页/共74页电离层延迟的实测模型改正③全球（大范围）的实测模型改正方法适用范围：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第44页/共74页对流层折射误差1．概念40km以下大气层为对流层。GPS信号经过此层时，传播路径会发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，称为对流层折射误差。2．克服措施1)利用模型改正。实测地区气象资料利用模型改正，能减少对流层对电磁波延迟达92％一95％；2)引入对流层影响附加未知参数，在数据处理中一并求得；3)利用同步观测值求差。第45页/共74页对流层延迟第46页/共74页对流层的色散效应对流层的色散效应折射率与信号波长的关系对流层对不同波长的波的折射效应结论对于GPS卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应第47页/共74页大气折射率N与气象元素的关系大气折射率N与温度、气压和湿度的关系Smith和Weintranb，1954对流层延迟与大气折射率N第48页/共74页经验模型霍普菲尔德（Hopfield）改正模型萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型勃兰克（Black）改正模型第49页/共74页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模型的差异第50页/共74页气象元素的测定气象元素干温、湿温、气压干温、相对湿度、气压测定方法普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计自动化的电子仪器第51页/共74页对流层模型改正的误差分析模型误差模型本身的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第52页/共74页多径误差第53页/共74页多路径误差与多路径效应多路径（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”。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。第54页/共74页反射波反射波的几何特性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第55页/共74页多路径误差①受多路径效应影响的情况下的接收信号第56页/共74页多路径误差②第57页/共74页多路径误差③多路径的数值特性受多个反射信号影响的情况第58页/共74页多路径误差的特点与测站环境有关与反射体性质有关与接收机结构、性能有关第59页/共74页应对多路径误差的方法①观测上选择合适的测站，避开易产生多路径的环境易发生多路径的环境第60页/共74页应对多路径误差的方法②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MEDLL(MultipathEstimatingDelayLockLoop)等抗多路径效应的天线第61页/共74页应对多路径误差的方法③数据处理上加权参数法滤波法信号分析法第62页/共74页与接收机有关的误差与接收机有关的误差：接收机钟误差接收机安置误差天线相位中心位置误差第63页/共74页接收机钟差定义GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。稳定度10-6

～10-9

。卫星与接收机同步差为1微秒可引起等效距离误差为300m。应对方法作为未知数处理相对定位差分定位认为各时刻接收机钟差是相关的 将其表示为时间多项式通过在卫星间求一次差消除第64页/共74页接收机的位置误差定义接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。包括天线的整平和对中误差以及天线高的量测误差。毫米级应对方法正确的对中整平采用强制对中装置（变形监测时）第65页/共74页天线相位中心位置误差观测时天线相位的瞬时位置即相位中心与理论上的相位中心不一致导致的偏差称为天线相位中心位置偏差毫米、厘米级第66页/共74页天线相位中心偏差改正卫星天线相位中心偏差改正接收机天线相位中心变化的改正GP