GPS测量的误差来源及其影响-Read.ppt

第七章GPS测量的误差来源及其影响 第一节GPS的主要误差分类一 分类 二 误差性质及影响特点1性质分类 偶然误差 信号的多路径效应系统误差 卫星星历误差 卫星钟差 接收机钟差以及大气折射的误差等 2影响特点系统误差的大小及其对定位结果的危害均远大于偶然误差 是GPS测量的主要误差源系统误差有一定规律可循 可通过模型改正 或求差加以消减 系统误差是GPS测量误差的重点研究对象 第二节与信号传播有关的误差 该类误差有 1 电离层 Ionosphere 折射误差 2 对流层 Troposphere 折射误差 3 多路径效应误差 偶然误差 一 电离层折射误差及其消减方法1 电离层 Ionosphere 地球上空50km向上直到大气顶部均为电离层 在这一区间内的大气气体分子 因受太阳等天体的各种射线辐射作用 产生电离现象 形成了由大量的 高密度的自由电子和正离子组成的弥散性介质层 当电磁波信号通过电离层时 路径会发生弯曲产生折射 造成电磁波传播误差 2 电离层的折射率与群波的传播速度大量的实验室模拟试验表明 电离层的折射率与电了密度有关 折射率公式为 由于GPS载波上调制有测距码 也是一种电磁波 频频率较低 D码等 所以GPS载波是多种频率叠加的群波 这种群波在电离层中的传播速度并非光速c 而 当传播时间为 t 星地实际距应是群速与时间的乘积 星地实际距为 式 1 式 2 b 电离层折射误差根据前面已给出的星地伪距定义 式中 c t 星地伪距而第二项则是由电离层折射造成星地距误差 大量的实验室及卫星电离层测量实验表明 电离层误差对星地距的影响 在天顶方向最大可达50m接近地面方向 如在高度角20度方向上可达150m 显然项影响是不容忽视的 消减该项影响在GPS定位中十分重要 4 消减电离层折射误差的方法方法 1 双频技术消减电离层折射误差由式 2 可知 电离层折射误差与电磁波频率有关 根据下列电离层折射误差表达式可知 由于GPS系统提供两种频率的载波L1和L2 在定位时两种频率的载波是沿着同一路 径由卫星到达接收机的 也就是说 即使传播路径上电子密度项是未知的 由于载波是在同一路径上传播的 同一路径上的是相同的 对两种不同频率的载波来讲 上式中除频率外其它项是相同的 即下式是成立的 则电离层折射影响误差可表示为 式 3 上式表明对传播路径相同的两个载波而言 仅与频率有关 用两种载波测量的星地实际距 几何距 可表示为 式 4 分别为用载波 1 2 测定 的伪距 既可用测距码测定 也可用载波相位测定 将式 4 中的两式相减 可得 式 5 即 可得由载波 1 得到计算电离层折射误差的实用形式 同法对式 5 进行变化 亦可得由载波 2 计算电离层折射误差的实用形式 式 6 式 7 利用上两式即可计算出电离层折射误差 进而加以改正 这里所讲的用载波 1 或载波 2 计算电离层折射误差 是指利用载波 1 或 2 载有的测距码或载波 1 2 本身的载波相位观测值进行计算 a 用测距码计算电折射误差改正 利用式 6 式 7 计算电折射误差改正数时 只需计算出用两载波测出的 星地伪距差即可进行电离层误差改正数计算 用测距码计算即是指用两载波载有的P码信息计算项 显然用P码计算是方便的 b 用载波相位计算电离层折射误差改正 用载波相位计算即是指用两载波载本身载波相位信息计算项 事实上 在此基础上不难求得进而计算出电离层折射误差 加以改正 方法 2 用模型改正法改正电离层误差 在电离层模型改正方法 实际上是一种在实验基础上形成的经验公式 其基本做法是在实验模拟电离层对载波的影响过程 或利用专门的卫星对电离层进行有规律监测 从而获得大量电离层影响载波传播的实验数据 再通过数理统计的方法拟合形成一个具有一定精度的电离层影响改正计算公式 在GPS定位中即可利用该公式计算电离层对载波的折射影响 并在伪距中 加以修正 实现消除电离层影响的目的但电离层对载波的折射作用与电离层的电子密度有关 而不是一个定量它随时间及空间位置的不的而变化 同时还与宇宙中的各种物理变化 如地磁 白昼与黑夜交替 太阳黑子活动等有关 因此 很难对某一具体定位时间与地点的电子密度进行准确的估算 所以通用的改正计算模型不可能准确计算出每一个任意的定位时间与地点的电离层折射改正量 因模型改正是有一定缺陷的 但随着科学实验的不断完善 一批先进的改正模型也在不断的公之于世 如由美国科学家Fritzk等人提出的修正模型 在折射率计算时考虑高次项 即 且精确考虑地磁的影响 在此基础上建立的的Fritzk改正公式 可达到毫米的改正精度 Fritzk等人提出的修正模型视白天的电离层时间延迟为余弦波中正的部分 夜间延迟量为一常数 而余弦波的振幅A 周期P用一个三阶多项式表示 为主控站根据观测日及其前5天 的太阳平均辐射流量所计算出的370组常数中选择的最佳参数 由导航电文提供给用户 Fritzk等人提出的修正模型的直接改正数不是伪距 而是由电折射造成的时间延迟量 其基本计算公式为 天顶方向时间延迟修正量 非天顶方向时间延迟修正量 方法 3 利用同步观测值求差法用两台接收机在基线的两端进行同步观测并取其观测量之差 可以减弱电离层折射的影响 本法对小于20km的短基线效果尤为明显 用此方法 使用单频接收机也可达到相当高的精度 但随着基线长度的增加 其精度随之明显降低 实际解算中 可多种法搭配使用 力求达到最大限度消减速IONOXPHERE项误差 二 对流层 Troposphere 折射误差 1 对流层 Troposphere 对流层是指从地面以上至40km的区层 大气层质量的99 集中在此层内 此层也是各种气象现象出现的主要地区 2 对流层对电磁波影响的主要特点对流层对电磁波的折射延迟主要决定于大气的折射率 与电磁波的传播方向也有关系 电磁波在其中的传播速度与频率无关 对流层折射率与大气压力 温度 湿度有关 大气折射率又分为干分量与湿分量两部分 对流层折射比电离层更复杂3 消减该项误差的方法有 方法 1 模型改正 目前已有的最高精度的模型 可消减92 95 的Trop项误差 改正的模型很多 上头GPS定位中主要采用霍普菲尔德公式 萨斯塔莫宁公式 勃兰克公式等 使用这些公式时用到的 大气压强 湿度 湿度等均为测站数据 实际工作中可用仪器测取这些数据 有些高级GPS仪器也可自动测取上述数据 至于GPS数据处理软件中使用何种对流层改正模型 则由生产厂家在编写软件时自行选择合适模型 改正模型的建立方法同电离层改正模型的建立方法 方法 2 引入对流层影响附加待估参数 在平差中一并解算 方法 3 同步观测量求差 对20km以下基线效果明显方法 4 利用仪器 水气辐射计 直接测定对流层改正数 三 多路径效应误差对GPS定位的影响1 多路径效应测站附近反射物所反射的卫星信号 由多个路径进入接收机天线 并对直接来自卫星的信号 直接波 形成干涉 使观测 值偏离真值 这种现象叫多路径效应 多路径效应是GPS测量中一种重要的误差源 严重损害GPS测量的精度 严重时还会引起信号的失锁 2 影响过程 1 直接信号与反射信号进入接收机时 由于所走路径不一样 使两者间存在程差 如图所示 2 程差造成了载波与干扰波间存在相位差 因为有 程差造成的相位差为 3 直接信号与反射信号的叠加及多路径效应误差 直接信号与反射信号进入接收机时 两种信号将叠加 并被接收机接收 若直接信号的数字表达式为 则 反射信号的数字表达式为 两者间存在在相位差 按电磁波叠加原理 其叠加波的数字表达式为 式 8 实际进入接收机的反射信号并非一个 而是一个群组合 它们与直接波叠加后被接收机接收 因此 实际的多路径效应误差为 根据电磁波原理 波长 码元宽度 越大 反射波对主波的相位影响越大 因此多路径效应对测码伪距测量的影响要比对载波相位测量的影响要大得多 如对P码的影响可达10米 3 消减多路径效应误差的方法多路径效应是偶然误差 无法通过模型改正或数据处理过程抵减 只能通过改善测量环境 提高接收机性能减小其产生的可能性和产生的量值 具体方法有 1 选择合适的站址多路径误差的影响与卫星信号方向 反射系数 反射物离测站远近有关 选择合适的站址是避免或减弱多路径效应的方法 理想的站址应远离水面 高层建筑 不应在山坡 山谷和盆地中设站 2 强化接收机的抗多路径效应能力主要从两个方面提高抗多路径效应的能力 a 在天线中增加抑径板在天线中设置抑径板增强天线对极化性不同的信号的抑制能力以抗多路径效应 抑径板的用 抑径板顾名思意 是抑止多路径效应的意思 它实际上是一半径为r的金属板 其半径大于天线线圈的宽度 安置这样的装置后 可将一定范围内的多路径效应波屏蔽掉 抑径板半径的的大小由屏蔽的范围 目前大部分测地型接收机已加设抑径板 抗多路径效应能力有了较大幅度的提高 决定 屏蔽的范围可由极限高度角Z限决定 图示若抑径板至天线相位中心的高度h 截止高度角为Z限 r为 3 增加观测时间削弱多路径效应影响多路径效应误差是时间的函数 增加观测时间可削弱多路径效应影响 特别是有大地控制网测量中 如果测站是设在山谷 山坡 盆地中的 则要适当增加同步观测时间 b 采用高性能的天线 如高科技产品阵列二级管天线 通过比较波的强弱识别主波与多路径效应波 提高抗多路径效应的效果 一 GPS卫星位置 星历 误差1 卫星星历误差包括三个方面 1 卫星扰动 空间扰动力造成 目前还无法精确估计扰动的影响 它会造成星历误差 2 卫星星历预报 目前GPS系统免费提供的预报星历并非精密星历 它是由GPS控制中心用一周左右的观测数据推出的 且每小时才更新一次 既非精密星历 也非实时星历 精度仅有5 10米 第三节与卫星有关的误差 星历误差对定位的综合影响很大 对单点定位可使点位坐标产生数米 上百米的误差 对相对定位也可使基线产生 1 2 PPm的误差 特别当SA政策实施时 影响将更大 3 SA的 高频抖动 人为施加的干扰 2000年5月1日已宣布取消 但随时可加载 且该项技术可能发展成在可控制条件下有目标性的加载 对我国影响极大 2 提高星历精度的方法 1 自建卫星跟踪系统 独立定轨 建立GPS卫星跟踪网 进行独立定轨既可使我国的用户在非常时期内不受美国政府SA技术作影响 且能提供精度达l0 7精密星历 这对提高定位精度具有显著作用 还可在建立地面通讯站基础上为实时定位提供精密预报星历 2 轨道松驰法原理 在平差模型中把卫星星历给出的卫星轨道作为初始值 视其改正数为未知数 平差时同时求定测站位置及轨道的改正数 常采用的轨道松驰法有 半短弧法 仅将轨道切向 径向和法向三个改正数为未知数参加平差 方法简单 短弧法 把6个轨道偏差改正数作为未知数 通过轨道模型来建立观测值和未知数之间的关系 这种方法的计算工作量较大 精度大体与半短弧法相当 轨道松驰法的局限性在于 需有足量的多余观测 且计算量大 因此不宜作为GPS定位中的基本方法 仅适用于无法获得精密星历时的补救措施或在特殊情况下采取的措施 3 同步观测值求差法原理前已述及 利用在两个或多个观测站上 对同一卫星的同步观测值求差 可减弱或消除卫星星历误差的影响 由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量值而言具有相关性 属各同步观测站的共同误差 通过对不同测站观测值的同步求差 可以把两站共同误差消除 其残余误差很小 相对定位法是有效减弱星历误差影响的重要方法 是GPS定位的基本方法 4 加盟GLILEO系统获得更高精度的 可靠的定位信息在合作研究中还将提高我国的定位技术水平 不完全依赖GPS一个定位系统 二 卫星钟误差对定位的影响 1 卫星钟的误差包括钟差 频偏 频漂产生的误差和钟的随机误差 偏差的总量在lms以内 引起的等效距离误差 约300km 卫星钟偏差 除随机误差外 非相对论效应部分和相对论效应残留部分可通过 1 一二阶多项式模型修正 前已述及 模型中的参数由地面控制系统根据前一段时间的跟踪资料和GPS标准时推算出来 由导航电文提供给用户 改正后各卫星之间的同步差可保持在2 10 7s 2 站际星间一次差或星际站间星间二次差可消除卫星钟差的影响 运动速度和重力位不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象 相对论效应包括狭义相对论效应和广义相对论效应 1 狭义相对论是针对速度而言的 根据狭义相对论理论 处于高速运动状态 2 相对论效应指卫星钟和接收机钟所处的状态 下的卫星钟的频率将变慢 相对于放在地面的卫星钟频率将产生如下的 变慢 偏差 2 由广义相对论理论效应原理可知 卫星所处的重力位WS与接收机所的重力位WT不同 同一台钟 频率f 放在卫星上将比在地面上频率增快 其产生频率差 3 两者的影响符号相反 但广义相对论效应的影响较狭义相对论效应影响要大 虽符号相反 但不能抵消 在广义和狭义相对论效应综合影响下 卫星钟将比它放在地面时要变快 变快的量为 4 消除方法因为广义和狭义相对论效应的影响是系统性的 且可有精确的计算结果 因此可通过事先将卫星钟调慢的方法抵消相对认效应的影响 注意 以上的处理只能立足于卫星在空间作匀速运动的基础上进行 即卫星钟调慢的量只能由卫星运动的平均速度计算而得 但实际上卫星是在椭圆轨道上运动的 不可能是均速的 因此这种方法不可能完全消除相对论效应的影响 遗有一定残差 第四节与接收机有关的误差 与接收机有关的误差有 1 接收机钟误差 2 接收机位置误差 3 天线相位中心误差 一 接收机钟误差1 GPS接收机采用高精度的石英钟 其稳定度约为10 9 若接收机钟与卫星钟间的同步差为l微秒 引起的等效距离误差约为300m 2 减弱接收机钟误差的方法 1 将接收机钟差作为一个独立的未知数 在平差中与观测站的位置参数一并求解 2 象卫星钟差一样 认为各观测时刻接收机钟差是相关的 将接收机钟差表示为时间多项式 并在观测量的平差计算中求解多项式的系数 使用这种方法后所有接收机钟差未知数将统一变为为几个多项式中的参数 可大大减少钟差未知数个数 成功与否的关键在于钟误差模型的有效程度 目前沿无较合适的模型 3 通过在星际站间求一次差来消除接收机的钟差 二 接收机位置误差 偶然误差 接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差 叫接收机位置误差 包括 天线的置平误差 对中误差 量取天线高误差 减弱方法 仔细操作 在高精度定位中采用具有强制对中装置的观测墩 三 天线相位中心位置偏差1 在GPS测量中 观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的 理论上天线相位中心 天线几何中心 标石中心应保持一致 实际上天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化 即观测时相位中心