GPS测量的误差来源及其影响.ppt

1、第七章 GPS测量的误差来源及影响,第一节：GPS测量主要误差分类 第二节：与信号传播有关的误差 第三节：与卫星有关的误差 第四节：与接收机有关的误差 第五节：其他误差,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第七章 GPS测量的误差来源及影响,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,学习目的,学习内容,第七章 GPS测量的误差来源及影响,学习目的: 了解卫星星历误差，卫星钟差及相对论效应。 理解接收机钟误差，相位中心位置误差的产生与消减方法。 掌握电离层折射误差、对流层折射误差、多路径误差的产生与消减方法。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来

2、源及影响,第七章 GPS测量的误差来源及影响,学习内容: 一、GPS定位的误差概述 二、与卫星有关的误差 三、卫星信号传播误差 四、接收设备误差 五、卫星几何图形强度,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第一节：GPS测量主要误差分类,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第二节：与信号传播有关的误差,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,电离层折射 对流层折射 多路径误差,第二节：与信号传播有关的误差,一、电离层折射 1、电离层及其影响 电离层地球上空大气圈的上层，距离地面高度在501000km之间的大气层。 当GPS信号通过电离

3、层时，信号的传播路径会发生弯曲，其传播速度也会发生变化，由此产生的距离差对测量的精度影响较大，必须采取有效措施削弱其影响。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第二节：与信号传播有关的误差,应该明确，电离层中的相对折射率与群折射率是不同的。码相位测量和载波相位测量应分别采用群折射率和相对折射率。所以，载波相位测量时的电离层折射改正数和伪距测量时的改正数是不同的，两者大小相等，符号相反。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第二节：与信号传播有关的误差,2、减弱电离层影响的有效措施 （1）双频接收：如分别用两个已知频率f1和f2发射卫星信号，则两个不同

4、频率的信号就会沿同一路径到达接收机。精度为cm。 （2）利用电离层改正模型修正：沿着信号传播路径来进行积分，精度优于2mm。 （3）相对定位：利用两台或多台接收机对同一组卫星的同步观测值求差时可以有效地减弱电离层折射的影响，即使不对电离层折射进行改正，对基线成果的影响一般也不会超过110-6。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第二节：与信号传播有关的误差,二、对流层折射 1、对流层及其影响 对流层是高度为50km以下的大气层，由于离地面更近，其大气密度比电离层更大，大气状态变化更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低。对流层中虽有少量带电

5、离子，但对电磁波传播影响不大。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第二节：与信号传播有关的误差,对流层的折射率与大气压力、温度和湿度密切相关。由于大气的对流作用很强，大气状态变化复杂。对流层折射的影响与信号的高度角有关，当在天顶方向（高度角为90o），其影响达2.3m；当在地面方向（高度角为10o），其影响达20m；所以，对流层及其影响难以准确地模型化。利用测站地面实测的气象数据，可以通过现有的各种数字模型消除92%95%的对流层折射影响。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第二节：与信号传播有关的误差,2、减弱对流层影响的措施 （1）用改正模型

6、进行对流层改正 该方法设备简单，方法易行，但由于水气在空间的分布不均匀，不同时间、不同地点水气含量相差甚远，用同一模型很难准确描述，所以，对流层改正的湿气部分精度较低，只能将湿分量消去80%90%。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第二节：与信号传播有关的误差,（2）利用同步观测值求差 与电离层的影响类型相似，当两观测站相距不太远时（例如50100km时，对流层折射的影响就成为制约GPS定位精度提高的重要因素。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第二节：与信号传播有关的误差,三、多路径误差 多路径是指卫星信号通过多个不同路径传到接收到卫星信号的

7、同时，还可能收到经天线周围地物反射的卫星信号，多种信号叠加就会引起测量参考点（相对中心）的位置变化，这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第二节：与信号传播有关的误差,多路径误差不仅与反射系数有关，也和反射物离测站的距离及卫星信号方向有关，无法建立准确的误差改正模型，只能恰当地选择站址，避开信号反射物。 例如： 选设点位时应远离大面积平静的水面，较好的站址可选在地面有草丛、农作物等植被能较好吸收微波信号的能量的地方； 测站附近不应有高层建筑物，观测时测站附近也不要停放汽车； 测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。,GP

8、S测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第三节 与卫星有关的误差,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,卫星星历误差 卫星钟差 相对论效应,第三节 与卫星有关的误差,一、卫星星历误差 星历误差来源 星历误差相对定位的影响 减弱星历误差影响的途径,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第三节 与卫星有关的误差,1、星历误差来源 星历： （1）广播星历 （2）实测星历 广播星历：根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行外推，通过GPS卫星发播的一种预报星历。 实测星历：根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。,GPS测量原理及应用,第七章

9、GPS测量的误差来源及影响,第三节 与卫星有关的误差,卫星星历误差 某一瞬间的卫星位置，是由卫星星历提供的，卫星星历误差就是卫星位置的确定误差。 星历误差来源 其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第三节 与卫星有关的误差,2、星历误差对定位的影响 单点定位 星历误差的径向分量作为等价测距误差进入平差计算，配赋到星站坐标和接收机钟差改正数中去，具体配赋方式则与卫星的几何图形有关。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第三节 与卫星有关的误差,

10、相对定位 利用两站的同步观测资料进行相对定位时，由于星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得高精度的相对坐标。根据一次观测的结果，可以导出星历误差对定位影响的估算式为： b基线长；db卫星星历误差所引起的基线误差； 卫星至测站的距离；ds星历误差； 卫星星历的相对误差。 广播星历而言，相对定位精度能保证12*10-6,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第三节 与卫星有关的误差,3、减弱星历误差影响的途径 （1）建立自己的GPS卫星跟踪网独立定轨 （2）同步观测值求差：同一卫星，多个测站间求差 （3）轨道松弛法：在平差模型中把

11、卫星星历给出的卫星轨道作为初始值，视其改正数为未知数。通过平差同时求得测站位置及轨道的改正数，即为。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第三节 与卫星有关的误差,二、卫星钟差 卫星钟采用的是GPS 时，但尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），它们与理想的GPS时之间仍存在着难以避免的频率偏差或频率漂移，也包含钟的随机误差。这些偏差总量在1ms以内，由此引起的等效距离可达300km。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第三节 与卫星有关的误差,卫星钟差的改正 经上述钟差改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，由此引起的等效距离

12、偏差不超过6m。卫星钟差或经改正后的残差，在相对定位中可通过差分法在一次求差中得到消除。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第三节 与卫星有关的误差,相对论效应 相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟差的现象。 狭义相对论观点一个频率为f0的振荡器安装飞行速度为v的载体上，由于载体的运动，对地面观测者来说将产生频率变化。卫星上的时钟比地球上的要慢。 广义相对论观点处于不同等位面的振荡器，其频率将由于引力位不同而发生变化。与狭义相对论影响相反，影响程度大于上者。 总的影响卫星上的原子钟比地球上的频率增加了4.449*10-10

13、 f0 相对论效应的影响并非常数，经改正后仍有残差，它对GPS时的影响最大可达70ns，对精密定位仍不可忽略。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第四节： 接收设备误差,接收机钟差 天线相位中心位置误差 等效距离误差,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第四节： 接收设备误差,一、接收机钟差 在GPS测量时，为了保证随时导航定位的需要，卫星钟必须具有极好的长期稳定度。而接收机钟则只需要在一次定位的期间内保持稳定，所以，一般使用短期稳定交好、便宜轻便的石英钟，其稳定度约为10-10。如果接收机钟与卫星钟间的同步差为1s，则由此引起的等效距离差约为30

14、0m。 减弱接收机钟差比较有效的方法是：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。伪距测量的数据处理就是根据这一原理进行的。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第四节： 接收设备误差,在静态绝对定位中，可以认为各观测时刻的接收机钟差是相关的，设法建立一个钟误差模型，在平差计算中求解多项式系数。不过接收机钟的稳定性较差，钟差模型不易反映真实情况，难以充分消除其误差影响。 此外，还可以通过在卫星间求一次差来削弱接收机钟差的影响。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第四节： 接收设备误差,二、天线相位中心位

15、置误差 在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，所以天线的相位中心该与其几何中心保持一致。但实际天线的相位中心位置随信号输入的强度和方向不同会发生变化，使其偏离几何中心。这种偏差视天线性能的好坏可达数毫米至数厘米，对精密相对定位也是不容忽视的。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,天宝4800GPS结构图,第四节： 接收设备误差,实际工作中如果使用同一类型天线，在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星，可以通过观测值求差来减弱相位中心偏移的影响。不过这时各测站的天线均应按天线附有的方位标志进

16、行定向，根据仪器说明书的要求，罗盘指向磁北极，其定向偏差应在3o以内。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第四节： 接收设备误差,三、等效距离误差 等效距离误差各项误差投影到测站至卫星方向的具体数值。如果认为各项误差之间相互独立，就可以求出总的等效距离误差，并用0表示。从而0就可以作GPS定位时衡量观测精度的客观标准。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第五节 其它误差,一、卫星几何图形强度 GPS定位的精度除了取决于等效距离误差0以外，还取决于空间后方交会的几何图形强度。 GPS星座与测站所构成的几何图形不同，权系数的数值亦不同，此时，即使相同

17、精度的观测值所求得的电位精度也会相同。为此需要研究卫星星座几何图形与定位精度的关系。通常用图形强度因子DOP来表示几何图形强度。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第五节 其它误差,二、地球自转的影响 三、地球潮汐改正 主要是固体潮和海潮的影响，可使测站的位移达到80cm。,GPS测量原理及应用,第七章 GPS测量的误差来源及影响,第七章 GPS测量的误差来源及影响,本章小结 GPS定位误差主要分为：与卫星有关、与传播路 径有关、与接收机有关的误差和其他影响； 其减弱与消除办法主要分为： 利用模型改正 对流层延迟、电离层延迟、卫星钟差、相对论的影响、地球自转 影响、地球潮汐的影响。 利用观测值的线性组合 差分消除对流层、电离层误差、轨道误差影响、卫星钟差的残差等。 作为未知参数参与平差或其他方法 接收机钟差作为未知数，天线相位中心的改正选择合适的观测环境和时间避开一些不利因素。,GPS测量原理及应用,第七