GPS测量的误差来源及其影响

1、 7.1 GPS7.1 GPS测量主要误差分类测量主要误差分类 1. 概述 GPSGPS测量测量是通过地面接收设备接收卫星传送的信息来确定地面点的三维坐标。测量结果的误差测量结果的误差主要来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在高精度的GPS测量中，还应注意到与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应的影响。2.GPS2.GPS测量误差的分类及对距离测量的影响测量误差的分类及对距离测量的影响来源分类来源分类误差种类误差种类对对距离测量距离测量（m）卫星部分卫星部分 星历星历误差误差 钟钟误误差差 相对论效应相对论效应1.5-15信号传播信号传播 电离层电离层 对流层对流层

2、多路径效应多路径效应1.5-15信号增收信号增收钟钟的误的误差差 位置误差位置误差 天线相位天线相位中心变化中心变化1.5-5其其 它它地球潮汐地球潮汐 负荷潮负荷潮1.03.3.误差性质及影响特点误差性质及影响特点 性质分类：性质分类：偶然误差：偶然误差：信号的多路径效应信号的多路径效应系统误差：系统误差：卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差以卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等及大气折射的误差等。 影响特点：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，是误差，是GPSGPS测量的主要误差源。测量的主要误差源。系

3、统误差有一定规律可循，可采取一定的措施加以消系统误差有一定规律可循，可采取一定的措施加以消除，因而是本章研究的主要对象。除，因而是本章研究的主要对象。7.2 7.2 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差7.2.1、电离层折射误差7.2.2、对流层折射误差7.2.3、多路径误差 （偶然误差）7.2.17.2.1、电离层折射误差及其消减方法、电离层折射误差及其消减方法1、电离层及其影响电离层及其影响所谓电离层，地球上空距地面高度在501000km之间的大气层。用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差电离层折射误差。 2 2、减弱电离

4、层影响的措施、减弱电离层影响的措施 利用双频观测 利用电离层改正模型 利用同步观测值求差7.2.2 7.2.2 对流层的折射对流层的折射1、对流层、对流层是高度为40km以下的大气底层,其大气密度比电离层更大，大气密度更为复杂。2、对流层折射的改正模型、对流层折射的改正模型 霍普菲尔德(Hopfild)公式 萨斯塔莫宁(Saastamoinen)公式 勃兰克(Black)公式霍普菲尔德霍普菲尔德(Hopfild)(Hopfild)公式公式为水气压）（swsdswsswsdssdwdwdehThhheTKhhTPKEKEKsss1100016.27372.14840136)(4810102 .1

5、55)(102 .155)25. 2sin()25. 6sin(277212212Ps为测站的气压hs为测站的高程Ts为测站的绝对温度Hd为对流层外边缘的高度萨斯塔莫宁(Saastamoinen)公式有关，可查表获得。和与有关，可查表获得；与其中：sssssssshERhBhhWRhWEtgBeTPEs00028. 02cos0026. 01),(),()05. 01255(sin002277. 02283210716. 01015. 016. 1)4810(16)05. 01255(sin002277. 0sssssssshhactgEeTPTEEEEEtgaeTPEs其中：原始模型：拟合后

6、的公式：勃兰克勃兰克(Black)(Black)公式公式20. 0)69. 3(002312. 013000)96. 3(98.148)6 . 0(92. 1)273(00015. 0076. 0833. 0)()1 (1cos(1)()1 (1cos(1123 . 002020wsssdwsdEswwsddKTPTKhThEbTlEbhhlEKEbhhlEKs其中：3 3、减弱对流层折射改正残差影响的措施、减弱对流层折射改正残差影响的措施采用对流层模型加以改正。其气象参数在测站直接测定。引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得。利用同步观测量求差。7.2.3 多路径误差 在GP

7、S测量中,如果测站周围的反射物所反射的卫星信号进入接收机天线，这就将和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”，这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称做多路径效应。减弱多路径误差的方法：(一)选择合适的站址v测站应远离大面积平静水面v测站不宜选在山坡、山谷和盆地中v测站应离开高层建筑物(二)对接收机天线的要求v在天线中设置抑径板v接受天线对于极化特性不同的反射信号该有较强的抑制作用7.3 与卫星有关的误差 与卫星本身有关的误差 卫星星历差 卫星钟误差 相对论效应7.3.1 7.3.1 卫星星历误差卫星星历误差 由卫星星历所给出的卫星在空间的位

8、置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。一、星历数据的来源一、星历数据的来源1、 广播星历（预报星历）：它是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，用户接受这些信号，经过解码便可获得需要的卫星星历。12、 实测星历（精密星历）：根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。广播、航和实时定位无任何意义。二、星历误差对定位的影响二、星历误差对定位的影响对单点定位的影响对相对定位的影响三、解决星历误差的方法三、解决星历误差的方法建立我国的卫星跟踪网独立定轨同步观测值求差轨道松弛法：半短弧法、短弧法7.3.2 7.3.2 卫星钟的钟误差卫星钟的钟误差 卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的卫

9、星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。在误差，也包含钟的随机误差。在GPSGPS测量中，码相测量中，码相位观测和载波相位观测，均要求卫星钟和接收机位观测和载波相位观测，均要求卫星钟和接收机钟保持严格同步。钟保持严格同步。7.3.3 相对论效应 狭义相对论狭义相对论 原理：时间膨胀。钟的频率与其运动速度有原理：时间膨胀。钟的频率与其运动速度有关。关。对对GPSGPS卫星钟的影响卫星钟的影响：ffsmcsmVGPSfcVffffcVfcVffffVsssssssssss10222221210835. 029979245838742)21 ()(1 ，则光速和真空中的卫星

10、的平均运动速度考虑到为即两者的频率差将变为：率若安置到卫星上，其频的钟，则在地面频率为系中的运动速度为若卫星在地心惯性坐标广义相对论广义相对论原理：钟的频率与其所处的重力位有关原理：钟的频率与其所处的重力位有关对对GPSGPS卫星钟的影响：卫星钟的影响：ffkmkmRsmrRfcfcWWffWWTsTs1022314222210284. 526560637810986005. 3)11(，则卫星的地心距近似取，近似取，若地面处的地心距其中为：将的差异与放在地面上时钟频率则同一台钟放在卫星上，为，地面测站处的重力位为若卫星所在处的重力位结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快结论：在广

11、义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快狭义相对论广义相对论狭义相对论广义相对论sff1令：令：fffff102110449. 4:为上时总的变化量钟频率相对于其在地面用下，卫星上义相对论效应的共同作在狭义相对论效应和广 相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收钟之间产生相对钟度和重力位）不同而引起卫星钟和接收钟之间产生相对钟误差的现象。严格地说，将其归入与卫星有关的误差不完误差的现象。严格地说，将其归入与卫星有关的误差不完全准确。但由于相对论效应主要取决于卫星的运动速度和全准确。但由于相对论效应主要

12、取决于卫星的运动速度和重力位，并且是以卫星钟误差的形式出现的，因此将其归重力位，并且是以卫星钟误差的形式出现的，因此将其归入此类误差。入此类误差。 7.4 7.4 与接收机有关的误差与接收机有关的误差与接收机有关的误差主要有接收机误差、接收机位置误差、天线相位中心位置误差及几何图形强度误差等。7.4.17.4.1 接收机钟误差接收机钟误差 减弱接收机钟差的方法： 把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。 认为各个时刻的接收机钟差间是相关的，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系数。 通过在卫星间求一次差来消除接收机钟差。

13、7.4.2 接收机的位置误差 接收机天线相位中心相对于测站标石中心位置的误差，叫接收机位置误差。7 7.4.3.4.3天线相位中心位置偏差天线相位中心位置偏差 观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心将有所不同，这种差别叫天线相位中心的位置偏差。7 7.4.3 GPS.4.3 GPS天线相位中心的偏差：天线相位中心的偏差： 水平偏差 垂直偏差 7.5 其他误差 7.5.1 地球自转的影响地球自转的影响 卫星信号自卫星发送 到测站接收要产生一个时间差，此时间差内与地球相固联的协议地球坐标系相对于卫星发送信号的瞬间，位置已产生了旋转(绕Z轴)， 由此造成卫星信号传播到观测站的时间延迟，引起坐标系中的坐标变化，该影响可通过模型加以改正。 jjjZYXZYX00000sin0sin0二、地球潮汐改正二、地球潮汐改正 1、固体潮 地球并非刚体，在太阳和月球的万有引 力作用下，固体地球产生周期性的弹性变形， 称为固体潮。 2、负荷潮