GPS测量误差来源及其影响

1、第七章GPS检验误差来源及其影响，中国矿业高等院校环境映射学院，王坚，第七章GPS检验误差来源及其影响，7。 1 GPS测量的误差分类7。 2与信号传播相关的误差7。 3卫星误差7。 4与接收机相关的误差7。 5其他误差，7.1 GPS测量的误差分类，1。 误差源：与GPS卫星、信号传播、GPS接收机有关。 此外，与地球的潮汐、负荷潮、相对论效应有关。 二。 误差的分类和影响，通常将各种误差的影响心理投射到到星星的距离，用与之相应的距离误差表示，称为等效距离误差。 测量伪距的等效距离误差/m，取决于误差性质，可以列举： (1)系统误差：主要包括卫星轨道误差、卫星时校正差、接收机时校正差、大气折

2、射误差等。 为了削弱和修正系统误差对观测的影响，一般根据系统误差的发生原因而采取不同的措施。 这包括在数据处理期间引入相应的未知残奥参数连同其它未知残奥参数一起解。 建立系统误差模型并修改视图测量。 使不同的观测站与同一卫星的同步观测值产生差别，减轻、消除系统误差的影响。 轻易忽略某些系统误差的影响。 (2)偶然误差：包括多径效应效应误差和观测误差等。 GPS定位的基本观测是通过测量卫星信号在其路径上的传播时间(时间延迟)或通过测量卫星载波信号的相位在其路径上的变化频率(相位延迟)而得出的从观测站(用户接收天线)至GPS卫星(信号传播天线)的距离(或信号传播路径) 将与7.2卫星信号的传播有关

3、的误差、电磁波传播特性、1 .电磁波传播速度和大气折射电磁波在真空中的传播速率设为cvac时，存在cvac=vacf=vac/T=/kvac。 在卫星大地测量中，国际上目前采用的真空光速为c=2.99782458108(m/s )。 对于GPS而言，卫星发射信号向接收机天线传播的时间大约为0.1秒，如果光速值的最后二进制位包括一个单位的误差，则将引起0.1m的距离误差。 给出了准确确定电磁波传播速度的重要意义。 实际电磁波传播在大气介质中，到达地面接收机前必须通过性质、状态不同、不稳定的几个大气层，这些个元素可改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。 大气折射对GPS观测结果的

4、影响大多超过GPS精密定位所容许的精度范围。 如何在数据处理过程中通过模型修正或在观测过程中通过适当的方法削弱定位精度，已经成为许多用户普遍关注的重要问题。 电磁波在大气中的传播速率可以用折光率n表示，其中n=c/v。 由于折光率与大气的组成和结构密切相关，实际值接近1，所以它们由折射率N0表示，并且由N0=(n-1)106表示。 大气物理学表明，如果一个介质中的电磁波传播速度取决于频率，则该介质为分散介质。 介质分散现象是由传播媒介内部电场和入射波外部电场之间的电磁转换效果引起的。 介质的原子频率和入射波的频率基本一致时共振，从而影响电磁波传播速度。 通常将dv/df称为速度分散。 将具有不

5、同频率的多个波重叠日式榻榻米而形成的复合波称为群波，在具有速度分散现象的介质中，单一频率正弦波的传播和群波的传播不同。 设单一正弦波的相位传播速率为相速vp，群波的传播速率为群速vg，式中为通过大气层的电磁波波长。 假设穿过大气层的电磁波的频率为f，在GPS定位中，相应的折光率与查询密码相位测量相关联，并且相速vp与载波相位测量相关联。 大气层对电磁波传播的影响1 .大气层的结构和性质地球表面被厚大气包围，大气的总质量约为3.9 1018(kg )，是地球总质量的约百万分之一。由于地球引力的作用，大气质量在垂直方向上分布极不均匀，主要集中在大气底部，其中75%的质量分布在10km以下，90%以

6、上的质量分布在30km以下。 在云同步中，大气的垂直方向的物理性质的差异也很大，根据温度、成分、带电等物理性质，大气被分为性质不同的几个大气层。 根据标准有不同的阶层化方法，根据对电磁波传播的影响分为对流层和电离层。 的双曲馀弦值。 某一瞬间全球电子密度与站的关系是，电离层分布在地球大气层顶部，距离地面约70km以上。 由于原子氧吸收太阳紫外辐射的能量，这个大气层的温度随着高度的上升迅速上升，并对云同步，由于太阳和其他天体的各种放射性射线作用，大部分大气分子都会电离，并具有高密度的粒子电荷。 由于电离层中电子的密度由日射强度和大气密度决定，所以电离层的电子密度不仅根据高度而不同，还与太阳黑子的

7、活动密切相关。 电离层中的电磁波传播速度取决于频率，电离层是分散性介质。 7.2.1电离层折射、(1)电离层折射的影响：主要取决于信号频率和传播路径上的电子总量. 常规措施：用双频段观测：电离层的影响是信号频率的函数，用不同频率的电磁波信号观测时，确定其影响的大小，修正观测。 用电离层模型修正：对于单频接收机，一般用导航电文提供或其他适当的电离层模型修正观测。 目前模型修正的有效性约为75%，至今仍在完善中。 使用同步观测值求出差：当观测台之间的距离较近(小于20km )时，卫星信号到达不同观测台的路径较近，通过同步求出差，残差不超过10-6。 在电离层中发生的各种延迟量对于指定的电磁波频率，

8、只有电子密度是唯一的独立变量。 实际资料分析表明，电离层电子密度约为白天夜间的5倍，一年中冬天和夏天相差4倍，太阳活动峰值约为低峰值期的4倍。 电离层电子密度的大致变化范围为109-31012电子数/m3 . 沿天顶方向的电子密度总量，白天为51017电子数/m2，夜间为51016电子数/m2。 另外，电子密度高，因时间不同而明显不同。1。 电离层折射：特征：与电子密度(不稳定)和频率有关. 大小50150m，2 .通过双频段观测减弱电离层的影响，用电离层修正模型修正：1.通过双频段技术减弱电离层的折射，则达到数cm的误差。 再加上模型修正精度为mm级。 2 .单频率接收机一般使用由导航电文提

9、供电离层模型来修正，该模型将白天的电离层延迟视为佟弦波的正半周，夜晚视为一定(DC=5ns )，在任意时刻t的电离层延迟模型TG :2 .在模型中修正，3 .电离层模型修正实用式：卫星天顶距离z (卫星垂直角E=90-Z )、- 2、/2、4 .使用同步观测值求差，用2台接收机在基线的两端进行同步观测，取其观测值的差。 当两个观测站分离时，由于从卫星到两个观测站的电磁波传播路径上的大气状况类似，大气状况的系统影响可通过同步观测的差异来减弱。 该方法小于20km的短地面线效果特别明显，电离层折射修正后的地面线长度的相对残差约为106。 因此，在短地面线相对定位中，即使使用单频接收机也能够实现相当

10、高的精度。 但是，随着地面线长度的增加，精度显着降低。 所谓对流层，是从地面向上约40km范围内的大气底层，占大气全体质量的99%。对流层与地面接触，得到来自地面的辐射热能，温度随高度的上升而下降，平均每上升1km下降6.50C，水平方向(南北方向)温度差每100km不超过10C。 对流层仅有少量带电络离子，但有较强的对流作用，出现云、雾、雨、雪、风等主要天气现象。 在这层大气中，除了各种气元素以外，还含有水滴、冰晶、尘埃等杂质，对电磁波传播有很大影响。 7.2.2对流层折射、对流层折射对观测的影响分为干分量和湿分量。 干成分主要与大气温度和压力有关，湿成分主要与信号传播路径上的大气大气湿度和

11、高度有关。 现在湿度的影响无法正确确定。 处理对流层影响的方法：定位精度要求不高时忽略。 用对流层模型进行修正。 引入描述对流层的附加估计残奥仪表，在数据处理中求解。 看测量求差。 对流层折射：与地面温度、气压、大气湿度有关，与卫星的高度角有关。 天顶方向的影响达到了2.3m。 对流层折射修正模型：-常用Hopfield模型，目前采用的各种对流层模型，应用实时测量的气象资料、电磁波传播路径、对流层折射修正后的残差，仍保持在对流层影响的5%左右。 减少对流层折射修正项残差影响的主要措施：尽量一盏茶掌握观测站周边地区的实时气象资料。 应用水蒸气辐射纠正，正确测量电磁波传播路径上的水蒸气积累量，正确

12、纠正大气湿成分的修正项。 但是，设备庞大昂贵，一般很难普遍采用。 在基线较短(20km )的情况下，在稳定的大气条件下，采用相对定位的有限差分法来减弱大气折射的影响。 完善对流层大气折射的修正模型。 另外，也称为多径效应误差，接收机天线除了直接接收从卫星发送来的信号之外，还可以接收在天线周围的地面上一次或多次反射的卫星信号。 两种信号重叠时，测定基准点的位置发生变化，观测产生误差。 在一般的反射环境下，测量查询密码对伪距的影响可以达到米级，测量相对伪距的影响可以达到厘米级。 在高反射环境中，影响显着增大，卫星的摇滾乐脱落，经常发生周跳。 对策：设置接收机天线的环境应避开水面、平滑的地面、建筑表

13、面等强辐射面。 选择以适当形状屏蔽的良好天线，如高频扼流圈天线。 适当延长观察时间，减弱周期性影响。 改进接收机的电路设置。 7.2.3多径效应效应、多径效应误差：当接收机接收到从卫星发射的直射波时，将接收由工作站周围的障碍物反射的卫星信号，从而导致由干扰作用造成的延迟。 程差为、卫星、直射波、反射波、o、a、h、g、z、z、2Z、图7-2的地面反射波、7的历书误差对定位精度的影响：使5-18式线性化。 2 .卫星时校正误差(相当于同步精度约20ns.通过相对论效应(使接收载波频率为f，对GPS时间影响70ns )卫星时校正对接收机时校正的高速运动，卫星时校正频率发生变化。7.4与接收机有关的误差，1 .与站坐标一起将接收机时校正误差解为未知数。 2 .对中误差接收器位置误差天线相位中心和站坐标石中心位置的误差。 3 .天线相位中心位置误差天线相位中心(关于信号强度和方向)及其几何中心的位置偏差。 在相对定位观测时，可以使天线的方