第五章 GPS测量误差影响及其对策

1、第五章第五章 GPS测量的误差测量的误差影响及其对策影响及其对策阳泉职业技术学院阳泉职业技术学院薛迎春薛迎春Slide 2outlineoutline为什么讲误差？为什么讲误差？GPSGPS定位中有哪些误差？定位中有哪些误差？GPSGPS测量误差的影响和消除？测量误差的影响和消除？Slide 3为什么讲误差？为什么讲误差？卫星信号提供定位信息： 卫星位置 卫地距离接收机接收信号，获得观测值，进行定位GPS定位基础定位基础Slide 4误差影响定位精度误差影响定位精度Slide 5区分不同误差，提出解决办法v粗差的解决？粗差的解决？尽量避免v系统误差的解决？系统误差的解决？分析它对观测的影响规律

2、，采取各种方法来消除系统误差，或者减小它对观测成果的影响。v偶然误差的解决？偶然误差的解决？进行多余观测，通过测量平差、数据处理理论，确定被认为是最可靠的结果。Slide 6研究误差的目的研究误差的目的提高定位精度提高定位精度消除误差才能确定整周模糊度消除误差才能确定整周模糊度为使用为使用GPSGPS提供一些注意事项提供一些注意事项提出精密定位的方法提出精密定位的方法Slide 7第一节 GPS测量误差的来源及分类根据误差的来源分析根据误差的来源分析v与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差v与卫星有关的误差与卫星有关的误差v与接收机有关的误差与接收机有关的误差v其它误差其它误差Slide 8

3、误差概述误差概述根据误差来源分类根据误差来源分类与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差与卫星有关的误差与卫星有关的误差与接收机有关的误差与接收机有关的误差其它误差其它误差对流层折射对流层折射电离层折射电离层折射多路径效应多路径效应星历误差星历误差卫星钟差卫星钟差相对论效应相对论效应接收机钟差接收机钟差位置误差位置误差天线相位中心的偏差及变化天线相位中心的偏差及变化各通道间的信号延迟误差各通道间的信号延迟误差地球潮汐地球潮汐Slide 9误差概述误差概述根据误差性质分类根据误差性质分类系统误差：系统误差： 大气折射星历误差卫星钟差接收机钟差偶然误差：偶然误差：多路径效应粗差粗差：位置误差Sli

4、de 10第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差卫星钟差卫星钟差相对论效应相对论效应Slide 111 1）卫星星历（轨道）误差）卫星星历（轨道）误差卫星星历卫星星历：描述卫星运动轨道的信息卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差 星历给出的位置和实际位置的差星历误差的量级星历误差的量级 预报星历：10米 精密星历：35米/0.2米Slide 12消除或削弱星历误差的方法消除或削弱星历误差的方法精密定轨精密定轨：针对预报星历轨道松驰轨道松驰：当作未知数相对定位相对定位Slide 132 2）卫星钟差）卫星钟差卫星钟差卫星钟差 卫星钟与GPS时间的

5、偏差卫星钟差的影响卫星钟差的影响 1ms以内的钟差，引起的测距误差为300kmSlide 14消除或削弱卫星钟差的方法消除或削弱卫星钟差的方法消除方法消除方法 1、地面监控系统提供改正 2、可以通过相对定位进一步消除2210)()(ococsttattaatSlide 153 3）相对论效应）相对论效应什么是相对论效应什么是相对论效应由于卫星和接收机所在的位置的地球引力位不同，以及卫星和接收机在惯性空间中的运动速度不同，导致卫星钟的频率产生视漂移综合影响综合影响：应对方法：应对方法： 制造卫星钟时预先降低它的频率f=0.00455Hz02212fcVfs022fcWf广义相对论效应广义相对论效

6、应：不同的重力位狭义相对论效应狭义相对论效应：不同的运动速度Slide 16第三节第三节 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差对流层延迟电离层延迟多路径效应Slide 17卫星轨道电离层对流层大气折射大气折射Slide 181）电离层及其折射影响电离层地球表面以上50km1000km具有密度较高的带电粒子电离层影响天顶方向50米；地平方向120米Slide 19电离层的影响电离层的折射率与大气的电子密电离层的折射率与大气的电子密度成正比，而与通过的电磁波频率度成正比，而与通过的电磁波频率平方成反比。平方成反比。电离层折射223 .4013 .401fNcncvfNneppep（载波）（载波

7、）相折射率： 相速度：223 .4013 .401fNcncvfNneggeg（伪距）（伪距）群折射率： 群速度：Slide 20电离层折射对电离层折射对测距观测值的影响的影响伪距载波23 .40setpdsNfctcdtvS传播距传播距离离测量距测量距离离电离层电离层延迟延迟电子电子总量总量23 .40sedsNfctcSlide 21影响电子密度/电子总量的因素太阳及其天体的辐射强度太阳及其天体的辐射强度与太阳黑子活动的相关性尤为密与太阳黑子活动的相关性尤为密切切季节、时间、地理纬度季节、时间、地理纬度Slide 22利用双频观测改正 根据电离层折射和频率有关利用模型改正 经验模型利用同步

8、观测值求差 相对定位?减弱电离层影响的方法减弱电离层影响的方法Slide 23A:利用双频观测值利用双频观测值)(54573. 2)(54573. 1212211211/ fA222/ fA2211SS根据电离层延迟与频率的平方成反比；根据电离层延迟与频率的平方成反比；经过改正后，电离层残差为厘米级；经过改正后，电离层残差为厘米级；23 .40setgdsNfctcdtvS折射改折射改正正观测值观测值1222221216469. 0ffffASlide 24 双频改正没有顾及的因素： 地磁场的影响，电磁波传播路径的弯曲的影响 Fritzk.Brunner: 优于2个毫米 对单频接收机采用的经验

9、模型导航电文 可消除75%左右B:利用模型改正利用模型改正Slide 25电离层改正的经验模型电离层改正的经验模型对单频接收机采用的经验模型导航电文可消除75%左右Slide 26相关概念：截止高度角相关概念：截止高度角15 Maskx MaskSlide 27C:同步观测值消除同步观测值消除站间求差站间求差tropionjkNttc)(Slide 28GPS在电离层探测上的应用在电离层探测上的应用电离层探测电离层探测获获取电离层物理特性取电离层物理特性参量参量 及其分布、变及其分布、变化规律的工作化规律的工作 。Slide 292 2）对流层折射影响及改正）对流层折射影响及改正对流层对流层：

10、地面向上50km以下的大气层各种气体元素、水蒸气和尘埃等各种气象现象出现的地区非色（弥）散型介质影响因素影响因素大气压力、湿度、温度Slide 30A 对流层折射改正方法对流层折射改正方法模型改正模型改正建立对流层折射和测站的气象元素，视线高度的关系可消除90%95%248106 .776 .77TeTPNtrop对流层折对流层折射系数射系数温度温度水气水气压压气压气压Slide 31B 对流层折射改正方法对流层折射改正方法利用同步观测值 两测站距离较短 气象条件一致 相对定位Slide 32GPS在气象监测中的应用在气象监测中的应用常规方法：常规方法：气象监测基础资料之一就是气象监测基础资料

11、之一就是无线电无线电( (气象气象) )探探空仪空仪所传输的数据所传输的数据, ,它可以将当地主要的天气它可以将当地主要的天气参数参数( (气温、气压、湿度等气温、气压、湿度等) )实时传输至地面实时传输至地面, ,提供这些大气参数的垂直分布数值。提供这些大气参数的垂直分布数值。探空仪在一个台站上通常为探空仪在一个台站上通常为每每1212小时升空小时升空一次一次; ;在整个中国施放探空仪的台站大体保持在整个中国施放探空仪的台站大体保持在在千余个千余个。水汽变化率高，且常常起决定性作用水汽变化率高，且常常起决定性作用, ,因此因此水汽量测值在水汽量测值在时空分辨率方面的不足时空分辨率方面的不足常

12、常是常常是2424小时天气预报失误的重要原因之一。小时天气预报失误的重要原因之一。Slide 33上海上海GPS气象网气象网投入运行的上海投入运行的上海GPSGPS气象服务网由分布在上海、安气象服务网由分布在上海、安徽、浙江和江苏的徽、浙江和江苏的1414个个GPSGPS基准站基准站组成，组成，以上海为中心，覆盖整个长江三角洲地区，能全天以上海为中心，覆盖整个长江三角洲地区，能全天候地提供长江三角洲地区的候地提供长江三角洲地区的可降水汽量的变化可降水汽量的变化信息信息。分辨率从现在的分辨率从现在的1212小时采样一次提高到小时采样一次提高到3030分钟一次分钟一次. .站点分布也由目前的站点分

13、布也由目前的300300公里以上下降到公里以上下降到100100公里左公里左右右。Slide 343）多路径效应）多路径效应Slide 35多路径效应多路径效应多路径效应多路径效应被测站附近的反射物体所反射的被测站附近的反射物体所反射的信号（反射波）和直接来自卫星的信号（直接波）信号（反射波）和直接来自卫星的信号（直接波）发射干涉，从而使观测值偏离正确的值发射干涉，从而使观测值偏离正确的值)cos()cos(tUStUSrd直接波：反射波：)cos(tUS接收信号Slide 36多路径误差影响多路径误差影响多路径效应与以下一些因素有关多路径效应与以下一些因素有关卫星、接收机、信号反射体三者间的

14、相对位置反射信号的强度（信号反射体的反射率）接收机处理信号的方法影响特点影响特点随机误差复杂，可能受多个反射波干涉产生消除其他误差之后，成为重要的误差源Slide 37避免多路径效应的方法避免多路径效应的方法选择合适的站址选择合适的站址 远离大面积平静的水面 不宜选在山坡，山谷和盆地 离开高层建筑物 (与常规全站仪测量相比？)接收机天线的改善接收机天线的改善 抑径圈和抑径板天线数据处理的发展数据处理的发展Slide 38天线天线501521511阻塞环502503512Slide 39第四节第四节 与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差观测误差观测误差位置误差位置误差接收机钟差接收机钟差天线

15、相位中心偏差和变化天线相位中心偏差和变化不同信号通道间的信号延迟偏差不同信号通道间的信号延迟偏差Slide 401、观测误差、观测误差分辨误差一般认为约为信号波长的1% 10% 。信号信号波长波长观测误差观测误差P码码29.3m0.3mC/A码码293m2.9m载波载波L119.05cm2.0mm载波载波L224.45cm2.5mmSlide 412 2、位置误差、位置误差观测：天线位置定位：地面位置归算需要 对中，整平，量高Slide 423 3、接收机钟差、接收机钟差接收机钟差： GPS接收机一般设有高精度的石英钟，日频率稳定度约为10-11。应对方法参数法差分法 星间差分Slide 434 4、天线相位中心偏差和变化、天线相位中心偏差和变化 北 几何中心 平均相位中心 GPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致。随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，同时与天线的质量有关，可达数毫米至数厘米。Slide 44（四）其它误差（因素）（四）其它误差（因素）地球自转地球潮汐固体潮负荷潮海洋负荷潮大气