第五章GPS测量的误差来源--x

1、第五章第五章 GPS测量的误差来源测量的误差来源5.1 GPS误差的分类误差的分类5.2 与与GPS卫星有关的误差卫星有关的误差5.3 与卫星信号传播有关的误差与卫星信号传播有关的误差5.4 与接收机有关的误差与接收机有关的误差5.5 其他误差来源其他误差来源5.1GPS误差的分类误差的分类 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 星历误差；（卫星轨道误差）星历误差；（卫星轨道误差） 卫星钟差卫星钟差 相对论效应相对论效应 与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差 电离层延迟电离层延迟 对流层延迟对流层延迟 多路径效应多路径效应 与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差 接收机天线相位中心的偏移和变

2、化接收机天线相位中心的偏移和变化 接收机钟差接收机钟差 接收机内部噪声接收机内部噪声GPS测量误差的分类测量误差的分类根据误差的性质可分为：根据误差的性质可分为：（1）系统误差）系统误差：主要包括卫星的轨道误差、：主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。的误差等。（2）偶然误差）偶然误差：包括多路径效应误差和观：包括多路径效应误差和观测误差等。测误差等。消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法 模型改正法模型改正法 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

3、正进行修正 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解，能建立理论或经验公式 所针对的误差源所针对的误差源 相对论效应相对论效应 电离层延迟电离层延迟 对流层延迟对流层延迟 卫星钟差卫星钟差 限制：有些误差难以模型化限制：有些误差难以模型化改正后的观测值=原始观测值+模型改正消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法 求差法求差法 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求差观测值中所包含的相同或相似的误差

4、影响 适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。关性。 所针对的误差源所针对的误差源 电离层延迟电离层延迟 对流层延迟对流层延迟 卫星轨道误差卫星轨道误差 限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法 参数法参数法 原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来定出来 适用情况：几乎适用于任何的情况适用情况：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限制：不能同时将所有影响均作

5、为参数来估计消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法 回避法回避法 原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；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。殊的设备。 所针对的误差源所针对的误差源 电磁波干扰电磁波干扰 多路径效应多路径效应 限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性5.2 与与G

6、PS卫星有关的误差卫星有关的误差5. 2.1卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差 定义定义由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星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的实际位置之差称为卫星星历误差卫星星历误差。广播星历（预报星历）的精度广播星历（预报星历）的精度(无无SA) 2030米米(有有SA) 100米米精密星历（后处理星历）的精度精密星历（后处理星历）的精度可达可达1厘米厘米应对方法应对方法精密定轨精密定轨(后处理后处理)相对定位或差分定位相对定位或差分定位1、卫星星历误差、卫星星历误差； 1）来源：地面监测站观测数据误差及星历）来源：地面监测站观测数据误差及星历

7、数据计算方法不合理带来的误差。数据计算方法不合理带来的误差。 2）大小：卫星位置偏差达数米至数十米。）大小：卫星位置偏差达数米至数十米。 3）性质：当地面两点间的距离较近）性质：当地面两点间的距离较近（20km）时，对两点定位的影响具有相关）时，对两点定位的影响具有相关性。性。4）减弱措施：）减弱措施： （1）相对定位；（残余误差随边长的增）相对定位；（残余误差随边长的增大而增大）大而增大） （2）差分定位；）差分定位； （3）采用后处理星历；）采用后处理星历； （4）建立自己的地面监测站，进行）建立自己的地面监测站，进行GPS卫星的定轨观测，求精密星历。卫星的定轨观测，求精密星历。5.2.2

8、 卫星钟误差卫星钟误差卫星钟差卫星钟差 产生产生包括钟差、频偏、频漂等产生的误差包括钟差、频偏、频漂等产生的误差 应对方法应对方法 模型改正模型改正钟差改正多项式钟差改正多项式其中其中a0为为t0时刻的时钟偏差，时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，为钟的漂移，a2为老化率。为老化率。 相对定位或差分定位相对定位或差分定位卫星钟差卫星钟差 1）来源：钟频稳定性。）来源：钟频稳定性。 2）对星站距离的影响达）对星站距离的影响达300km，改正后仍，改正后仍有有6m。 3）性质：同星历误差。）性质：同星历误差。 4）减弱措施：）减弱措施： 主要是相对定位或差分定位；主要是相对定位或差分定位；5.2.3

9、相对论效应相对论效应 狭义相对论效应狭义相对论效应 广义相对论效应广义相对论效应相相对对论论效效应应狭义相对论和广义相对论狭义相对论和广义相对论 狭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运动将使时间、空间和物质的质量发生变化 广义相对论广义相对论 1915 将相对论与引力论进行了统一将相对论与引力论进行了统一相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响 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关。原理：时间膨胀。钟的频率与其运动速度有关。 对对GPS卫星钟的影响：卫星钟的影响： 结论：在结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变狭义相

10、对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢慢（卫星钟比静止在地球上的同类钟走慢了）（卫星钟比静止在地球上的同类钟走慢了）22 1 2222101 () (1)2238742997924580.835 10sssssssssssVffVVfffccfVffffcGPSVm scm sff 若卫星在地心惯性坐标系中的运动速度为 ，则在地面频率为 的钟若安置到卫星上，其频率 将变为：即两者的频率差为考虑到卫星的平均运动速度和真空中的光速，则相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响 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GPS卫星钟的影响：卫

11、星钟的影响： 结论：结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快快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相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响 相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响 狭义相对论广义相对论狭义相对论广义相对论fffff102110449. 4:为上时总的变化量钟频率相

12、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总的来说走快了总的来说走快了解决解决相对论效应对卫星钟影响的方法相对论效应对卫星钟影响的方法 方法（分两步）：首先考虑假定卫星轨道为方法（分两步）：首先考虑假定卫星轨道为圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。道的情况。 第一步：第一步： 第二步：第二步：MHzMHz52299999954.10)10449. 41 (23.1010，调低后的频率为到卫星上去的钟的频率在地面上调低将要搭载GDrococLrrTtttattaattttmscFtEAeFtttt221012110221)(

13、)()()(10442807633. 42)(sin)(,应为正因而，实际卫星钟的改上改正数时，在卫星钟读数上加在时刻5.3 与卫星信号传播有关的误差与卫星信号传播有关的误差 5.3.1 电离层折射误差电离层折射误差 5.3.2 对流层折射误差对流层折射误差 5.3.3 多路径效应多路径效应5.3.1 电离层折射误差电离层折射误差电离层地球TEC柱体底面积为1m2大气折射效应大气折射效应 大气折射大气折射 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。也称生弯曲。也称大气延迟大气延迟。在。在GPS测量定位中，通常仅考测量定位中，通常仅考

14、虑信号虑信号传播速度传播速度的变化。的变化。 色散介质与非色散介质色散介质与非色散介质 色散色散介质介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同同 非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同同 对对GPS信号来说，信号来说，电离层是色散介质电离层是色散介质，对流层是非色散，对流层是非色散介质介质电子密度与总电子含量电子密度与总电子含量 电子密度与总电子含量电子密度与总电子含量 电子密度：单位体积中所电子密度：单位体积中所包含的电子数。包含的电子数。 总电子含量（总电子含量（TEC Total El

15、ectron Content）：底）：底面积为一个单位面积时沿面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的离层的一个柱体内所含的电子总数。电子总数。电离层地球TEC柱体底面积为1m2电子密度与大气高度的关系电子密度与大气高度的关系电子含量与地方时的关系电子含量与地方时的关系电子含量与太阳活电子含量与太阳活动情况的关系动情况的关系 与太阳活动密切相关，太与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量阳活动剧烈时，电子含量增加增加 太阳活动周期约为太阳活动周期约为11年年1700年年 1995年太阳黑子数年太阳黑子数电子含量与地理位置的关系电子含量与地理位

16、置的关系2002.5.15 1:00 23:00 2小时间隔全球小时间隔全球TEC分布分布 对于对于GPS信号来讲，这种距离改正在天顶方信号来讲，这种距离改正在天顶方向最大可达向最大可达50m，在接近地平线方向时，在接近地平线方向时(高度高度角为角为20)则可达则可达150m，因此必须仔细的加，因此必须仔细的加以改正，否则将严重影响观测量精度。以改正，否则将严重影响观测量精度。常用电离层延迟常用电离层延迟改正方法改正方法分类分类 经验模型经验模型改正改正 方法：根据以往观测结果所建立的模型方法：根据以往观测结果所建立的模型 改正效果：差改正效果：差 双频改正双频改正 方法：利用双频观测值直接计

17、算出延迟改正或组成无电方法：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离层延迟的组合观测量 效果：改正效果最好效果：改正效果最好 实测模型实测模型改正改正 方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电方法：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）子含量），建立模型（如内插） 效果：改正效果较好效果：改正效果较好5.3.2 对流层折射误差对流层折射误差5.3.2 对流层折射误差对流层折射误差对流层折射对流层折射 1）对星站距离的影响达）对星站距离的影响达20米。米。 2）影响对流层折射的因素：）影响对流层折射的因素：温度、气压、（干分量）温度

18、、气压、（干分量）湿度、湿度、卫星高度（湿分量）卫星高度（湿分量）。 3）措施：）措施： （1）模型改正模型改正 90年代以前研究测距仪的大气折射影响，年代以前研究测距仪的大气折射影响，90年代以后年代以后直到目前还在研究对流层对直到目前还在研究对流层对GPS定位的影响。定位的影响。 （2）作为未知数求解作为未知数求解； （3）相对定位相对定位（残余误差随边长的增大而增大）（残余误差随边长的增大而增大） 。霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型 出发点出发点 导出折射率与高度的关系导出折射率与高度的关系 沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟沿高度进行积分，导出垂直方向上的

19、延迟 通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型 原始模型原始模型有关，可查表获得。和与有关，可查表获得；与其中：sssssssshERhBhhWRhWEtgBeTPEs00028. 02cos0026. 01),(),()05. 01255(sin002277. 02萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型 拟合后的公式拟合后的公式283210716. 01015. 016. 1)4810(16)05. 01255(sin002277. 0ssssssss

20、hhactgEeTPTEEEEEtgaeTPEs其中：勃兰克（勃兰克（Black）改正模型）改正模型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：5.3.3 多路径效应多路径效应5.3.3 多路径效应多路径效应多路径效应多路径效应由于多路径的信号传播所由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为引起的干涉时延效应称为多路径效应。多

21、路径效应。 1、多路径（、多路径（Multipath）产）产生的原因生的原因 在在GPS测量中，被测站附近的测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的真值产生所谓的“多路径误多路径误差差”。 对对p码测距的影响可达码测距的影响可达10m以上以上2、多路径误差的、多路径误差的特点特点 与反射体性质有关与反射体性质有关 与接收机结构、性能有关与接收机结构、性能有关 与测站环境有关与测站环境有关3、

22、削弱多路经效应的措施：、削弱多路经效应的措施： 1）选择合适的站址）选择合适的站址测站点避开反射物（建筑物、光滑地面、水域等）测站点避开反射物（建筑物、光滑地面、水域等）见教材；见教材； 2）改善天线。）改善天线。 3）静态定位；）静态定位；应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法1） 观测上观测上 选择合适的测站，避开易产生多路径的环境选择合适的测站，避开易产生多路径的环境易发生多路径的环境易发生多路径的环境应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法2） 硬件上硬件上 采用抗多路径误差的仪器设备采用抗多路径误差的仪器设备 抗多路径的天线：带抗多路径的天线：带抑径板抑径板或或抑径圈抑径圈的天线，

23、极化天的天线，极化天线线 抗多路径的接收机：窄相关技术抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等等 基于接收机硬件结构的技术，提高接收机伪码的跟踪基于接收机硬件结构的技术，提高接收机伪码的跟踪精度精度抗多路径效应的天线抗多路径效应的天线r =h/tanZ限限应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法3） 由于由于多路径误差是时间的函数多路径误差是时间的函数，所以在，所以在静态静态定位定位中经过较长时间的观测后，多路径误差中经过较长时间的观测后，多路径误差的影响可大为削弱。的影响可大为削弱。5.4 与接收机有关的误差与接收机

24、有关的误差 5.4.1 观测误差观测误差 5.4.2 接收机钟误差接收机钟误差 5.4.3 载波相位观测的整周未知数载波相位观测的整周未知数 5.4.4 天线相位中心位置偏差天线相位中心位置偏差5.4.1 观测误差观测误差 1信号分辨误差信号分辨误差2天线安置误差天线安置误差 1信号分辨误差信号分辨误差观测误差为观测误差为偶然偶然误差，适当增加观测时间，将会明显地减弱其影响误差，适当增加观测时间，将会明显地减弱其影响2天线安置误差天线安置误差 天线安置误差天线安置误差-接收机天线相位中心相对测站接收机天线相位中心相对测站(标石标石)中心位置的误差。中心位置的误差。包括包括天线的置平、对中误差及量取天线高误差。天线的置平、对中误差及量取天线高误差。当天线高度为当天线高度为1.6m，置平误差为，置平误差为0.1时，可能会时，可能会产生对中误差产生对