GPS测量误差来源及影响

第七章GPS测量的误差来源及其影响GPS测量主要误差分类与信号传播有关的误差与卫星有关的误差与接收机有关的误差其它误差7.1GPS测量误差分类及对距离测量的影响与信号传播有关的误差与卫星有关的误差与接收机有关的误差其它误差对流层折射电离层折射多路径效应星历误差卫星钟差相对论效应接收机钟差位置误差天线相位中心的偏差及变化各通道间的信号延迟误差地球潮汐1.5-15m1.5-15m1.5-5m1.m7.2与信号传播有关的误差

电离层折射

对流层折射

多路径误差电离层折射电离层：

地球上空距地面高度50~1000km之间的大气层。

电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子电离层折射GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度会发生变化电离层折射误差：

GPS信号的传播时间乘以真空中光速得到的距离与站星间的几何距离的偏差。S=Ct+dion站星之间的真实距离信号传播时间电离层改正项电子密度：沿着信号传播路径S’对电子密度Ne

进行积分载波相位测量时的电离层折射改正和伪距测量时的改正数大小相同，符号相反减弱电离层影响的措施〔1〕利用双频观测〔2〕利用电离层改正模型〔3〕利用同步观测求差〔1〕利用双频观测那么电离层改正数：两个载波频率：f1=1575.42MHz,f2=1227.60MHz。将调制在两个载波上的P码分别称为P1和P2，对应的伪距值分别为P1和P2

=1-2

=dion1·[(f1/f2)2-1]=0.6469dion1

dion1=1.54573〔1-2〕因此，〔2〕利用电离层改正模型加以修正根本上是一种经验估算公式，加之全球统一采用一组系数，因而只能大体反映全球的平均状况，与各地的实际情况有一定的差异实测资料说明，该模型大体上可消除电离层折射误差的75%〔3〕利用同步观测值求差利用两台或多台接收机，对同一组卫星的同步观测值求差，以减弱电离层折射的影响。对于短基线〔如小于20km〕的效果尤为明显对流层折射离地面高度40km以下的大气层，是一种非电离大气层。温度随高度的上升而降低GPS信号通过对流层时，传播路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差。与信号的高度角有关，当在天顶方向〔高度角为90°〕，影响达2.3m；当在地面方向〔高度角为10°〕，影响可达20m减弱对流层影响的方法霍普菲尔德〔Hopfield〕公式萨斯塔莫宁〔Saastamoinen〕公式勃兰克〔Black〕公式利用模型改正利用同步观测值求差相对定位减弱对流层折射影响的措施采用对流层模型加以改正，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利用同步观测量求差利用水汽辐射计〔较昂贵〕直接测定信号传播的影响直接波：由卫星发射天线相位中心直接到达接收天线相位中心地面反射波星体反射波介质散射波间接波多路径误差多路径效应——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〕发射干预，从而使观测值偏离正确的值多路径误差GPS信号接收机所观测的GPS信号，是直接波和间接波合成的合成波多路径误差：间接波对直接波的破坏性干预而引起的站星距离误差多路径误差的大小取决于间接波的强弱和用户接收天线抗御间接波的能力减弱多路径误差的措施〔1〕选择适宜的站址测站应远离大面积平静的水面测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中测站应离开高层建筑物〔2〕对接收机天线的要求在天线中设置抑径板或抑径圈〔3〕适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响〔4〕改善GPS接收机的电路设计7.3与卫星有关的误差卫星星历误差卫星钟的钟误差相对论效应卫星星历误差概念：由星历给出的卫星位置与实际位置之差。产生原因：卫星在运动时受到多种摄动力的复杂影响，而地面监测站难以充分可靠地测定这些作用力，星历预报时产生误差在一个观测时间段内属系统误差〔1〕播送星历：根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据外推，通过导航电文发播数据中存在较大误差，卫星位置精度约为20~40m星历数据来源〔2〕实测星历：根据实测资料进行拟合处理而直接得出。需要在一些精确位置的点上跟踪卫星来计算卫星的真实位置，从而获得可靠的精密星历观测后得到，对导航和动态定位无意义，但在静态精密定位中有重要作用许多国家和组织都在建立自己的GPS卫星跟踪网，开展独立的定轨工作星历误差对定位的影响〔1〕对单点定位的影响：影响测站坐标和接收机钟差改正数影响的大小取决于卫星的几何图形对测站坐标的影响可达数米、数十米甚至上百米〔2〕对相对定位的影响：求坐标差时，星历误差的共同影响可局部消除剩余误差估算公式：b—基线长db—由于星历误差引起的基线误差ds—星历误差

—站星距离解决星历误差的方法〔1〕建立自己的卫星跟踪网独立定轨可不受C/A码上星历精度的影响，使提供的精密星历精度到达10-7对提高精密定位的精度起显著作用，也可为实时定位提供预报星历〔2〕轨道松弛法在平差模型中把星历给出的卫星轨道作为初始值，将其改正数为未知数。通过平差同时求得测站位置及轨道的改正数有一定的局限性，不宜作为GPS定位中的一种根本方法，只能作为无法获得精密星历情况下采取的补救措施〔3〕同步观测值求差在两个或多个测站上，对同一卫星的同步观测值求差，以减弱星历误差的影响剩余误差估算公式：

ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2钟差〔偏差〕：每颗GPS卫星的时钟相对于GPS时间系统的差值卫星钟的误差误差：与真实值之间的偏差如何消除卫星钟的钟误差在接收机间采用求一次差等方法卫星k测站卫星j对于卫星j，ti

时刻站间一次差分：7.3.3.相对论效应含义：由于卫星钟和接收机钟所处的状态〔速度和重力位〕不同而引起二者之间产生相对钟误差的现象。根据狭义相对论，在惯性参考系中，以一定速度运行的时钟，相对于同一类型的静止的时钟，存在着频率之差，值为：卫星时钟频率同类静止的钟的频率卫星运行速度根据广义相对论，在空间强引力场中的振荡信号，其波长大于在地球上用同一方式所产生的振荡信号波长，二者的差值为：=3.9860051014m3/s2〔地球引力常数〕R=6378km〔地球的平均曲率半径〕r=26560km〔卫星向径〕总的相对论效应可见，卫星时钟频率比放置在地面上时增大〔即变快〕解决相对论效应的方法制造卫星时钟时预先把频率降低卫星标准频率为10.23MHz，所以频率应降为：10.23MHz(1-4.44910-10)=10.22999999545MHz7.4与接收机有关的误差接收机钟误差接收机位置误差天线相位中心位置误差几何图形强度误差内时延误差观测噪声误差接收机钟误差GPS接收机一般采用高精度的石英钟，稳定度约为10-9假设接收机钟与卫星钟间的同步差为1s，那么由此引起的等效距离误差约为300m减弱接收机钟误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；认为各观测时刻的接收机钟差之间是相关的，将接收机钟差表示为时间多项式，在观测量的平差计算中求解多项式的系数；在卫星间求一次差。接收机的位置误差含义：接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差。安平和对中误差量取天线高误差天线相位中心位置的偏差含义：观测时天线相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心的差异。几何中心实际相位中心实际的天线相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化减弱方法如果使用同一类天线，在相距不远的两个或多个观测站上同步观测同一组卫星，可通过观测值间求差来削弱相位中心偏移的影响此时，各天线应按所附的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。通常定向偏差应在3°以内观测噪声误差天线噪声环路噪声天线噪声客体噪声

各种电机的火花放电，以及电台、电视、雷达的高频射电而致背景噪声

因