GPS测量的误差来源

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1、1 第五章 GPS测量的误差来源 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（如地球动 力学研究）， 还应注意到与地球 整体运动有关的地球潮汐、负荷 潮及相对论效应等影响。 2 第五章 GPS测量的误差来源 3 第五章 GPS测量的误差来源 系统误差 偶然误差 5.1测量误差分类 4 第五章 GPS测量的误差来源 偶然误差 : 信号的多路径效应 ; 系统误差 : 卫星的星历误差、卫星钟差、接收机 钟差以及大气折射的误差等。 系统误差无论从误差的大小还是对定位结 果的危害性都比偶然误差要大得多，它是 GPS 测量的主要误差源

2、。同时系统误差有一定的规 律可循，可采取一定的措施加以消除。 为了便于理解 ,通常将各种误差的影响投影 到观测站至卫星的距离上，以相应距离误差来 表示，称之为等效距离误差。 5 第五章 GPS测量的误差来源 5.2与 GPS卫星有关的误差 5.2.1卫星星历误差 星历数据来源 广播星历 是卫星电文中携带的主要信息。 实测星历 它是根据实测资料进行拟合处理而直 接 得出的星历。 6 第五章 GPS测量的误差来源 星历误差对定位的影响 对单点定位的影响 广播星历误差对测站坐标的影响一般可达数米、数十米、 甚至上百米。 7 第五章 GPS测量的误差来源 对相对定位的影响 相对定位时，因星历误差对两站

3、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，从而获得精度很高的相对坐标。 8 第五章 GPS测量的误差来源 解决星历误差的方法 : 1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨 2）轨道松驰法 3）同步观测值法 9 第五章 GPS测量的误差来源 轨道松驰法 : 在平差模型中把卫星星历给出的卫星轨道视为初始 值，将其改正数作为未知数，通过平差求得测站位置及 轨道改正数。 这种方法不适用于范围较小的测区，此外，数据处理相当复 杂，工作量大为增加，不宜在作业单位普遍推广，只适用于无法获 取精密星历而采取的补救措施 . 10 第五章 GPS测量的误差来源 同步观测值求差 利用在两个或多个观

4、测站上，对同一卫星的同步观 测值求差。因为星历误差对相距不太远的两个测站的影 响基本相同，所以对于确定两个测站之间的相对位置， 可以减弱卫星星历误差的影响。 11 第五章 GPS测量的误差来源 5.2.2卫星钟的钟误差 卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误 差，也包含钟的随机误差。在 GPS测量中，无论是码相 位观测或载波相位观测，均要求卫星钟和接收机保持严 格同步。 经改正后，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偏差不会超过 6m， 卫星钟差 和经改正后的残余误差，则需采用在接收机间求一次差 等方法来进一步消除它。 12 第五章 GPS测量的误差来源 5.

5、2.3相对论效应 相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的运动状 态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟 之间产生相对钟误差的现象。 13 第五章 GPS测量的误差来源 14 第五章 GPS测量的误差来源 5.3与信号传播有关的误差 电离层折射误差 对流层折射误差 多路径效应误差 15 第五章 GPS测量的误差来源 5.3.1电离层折射 当 GPS信号通过电离层时，如同其它电磁波一样， 信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。所以 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。 16 第五章 GPS测量的误差来源 i o

6、 n o s p h e r e h i o n o 5 0 k m 17 第五章 GPS测量的误差来源 18 第五章 GPS测量的误差来源 由于电离的原动力来自太阳，电离层的电子密度白天约为 夜间的 5倍；在一年中，冬季为夏季的 4倍；太阳黑子活 动最激烈时可为最小时的 4倍。 对于 GPS信号来讲，这种距离差在天顶方向最大可达 50m， 在接近地平方向时 (高度角为 20o)可达 150m。 19 第五章 GPS测量的误差来源 求电离层折射改正数的关键在于求电子密度 Ne。 可是电子密 度随着距离地面的高度、时间变化、太阳活动程度、季节不同、测 站位置等多种因素而变化。 目前，还无法用一个

7、严格的数学模型来描述电子密度的大小和变化规 律，所以，也不可能用式直接求出电离层折射改正数的确切数值。 20 第五章 GPS测量的误差来源 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加以改正 3）利用同步观测值求差 21 第五章 GPS测量的误差来源 利用双频观测 22 第五章 GPS测量的误差来源 (2)利用电离层改正模型加以修正 为进行高精度卫星导航和定位，普遍采用双频技术，可有效地 减弱电离层折射的影响，但在电子含量很大，卫星的高度角又较小 时求得的电离层延迟改正中的误差有可能达几厘米。 为了满足更高精度 GPS测量的需要， Fritzk、 Brunner 等人提出了

8、电离层延迟改正模型。该模型考虑了折射率 中的高阶项影响以及地磁场的影响，并且是沿着信号传 播路径来进行积分。计算结果表明，无论在何种情况下 改进模型的精度均优于 2mm。 23 第五章 GPS测量的误差来源 24 第五章 GPS测量的误差来源 模型基本上是一种经验估算公式。加之全球统一 采用一组系数，因而这种模型只能大体上反映全球的平 均状况，与各地的实际情况必然会有一定的差异。实测 资料表明，采用上述改正模型大体上可消除电离层折射 的 75 左右。 25 第五章 GPS测量的误差来源 (3)利用同步观测值求差 用两台接收机在基两端进行同步观测并取其观测量之差，可 以减弱电离层折射的影响。这是

9、因为当两观测站相距不太远时，由 卫星至两观测站电磁波传播路程上的大气状况甚为相似，因此大气 状况的系统影响便可通过同步观测量的求差而减弱。 这种方法对于短基线 (例如小于 20km)的效果尤为明显，这时 经电离层折射改正后基线长度的残差一般为 1ppm。 所以在 GPS测 量中，对于短距离的相对定位，使用单频接收机也可达到相当高的 精度。不过，随着基线长度的增加，其精度随之明显降低 。 26 第五章 GPS测量的误差来源 27 第五章 GPS测量的误差来源 5.3.2对流层折射 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， GPS信号通过对流层时，也使传 播的路径发生弯曲

10、，从而使测量距离产生偏差，这种现 象叫做 对流层折射 。 28 第五章 GPS测量的误差来源 t r o p o s p h e r e 5 0 k m 29 第五章 GPS测量的误差来源 30 第五章 GPS测量的误差来源 对流层的折射与 地面气候、大气压力、温度 和 湿 度变化 密切厢关，这也使得对流层折射比电离 层折射更复杂。 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)，其影响可达 20m。 31 第五章 GPS测量的误差来源 对流层折射的改正模型 1）霍普菲尔德（ Hopfield） 公式 2）

11、萨斯塔莫宁（ Saastamoinen） 公式 3）勃兰克（ Black） 公式 理论分析与实践表明，目前采用的各种对流层模型， 难以将对流层的影响减少至 92 95。 32 第五章 GPS测量的误差来源 减弱对流层折射改正残差影响的主要措施 : 采用上述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。 当两观测站相距不太远时 (例如 100km时，对流层折射的影响就制约 GPS定位精度提高。 利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。此法求得 的对流层折射湿分量的精度可优于 1cm. 33 第五章 GPS测量的误差

12、来源 5.3.3多路径误差 在 GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫 星信号（反射波）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 “多路径效应” 。 34 第五章 GPS测量的误差来源 35 第五章 GPS测量的误差来源 36 第五章 GPS测量的误差来源 多路径效应对伪距测量比载波相位测量的影响要严 重的多。多路径误差对 P码最大可达 10m以上 . 37 第五章 GPS测量的误差来源 消弱多路径误差的方法 : 1）选择合适的站址 a、 测站应远离大面积平静地水面 ; b、 测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中 ; c、 测站应离开高

13、层建筑物 . 38 第五章 GPS测量的误差来源 2）对接收机天线的要求 39 第五章 GPS测量的误差来源 5.4与接收机有关的误差 5.4.1接收机钟误差 GPS接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度约 为 10 9。若接收机钟与卫星种间的同步差为 1us， 则由 此引起的等效距离误差约为 300m。 40 第五章 GPS测量的误差来源 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 。 认为各观测时刻的接收机钟差之间是相关的 ， 像卫星钟那样 ， 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 项式的系

14、数 。 这种方法可以大大减少未知数个数 ， 该方法成功与否 得关键在于钟误差模型的有效程度 。 通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差 。 41 第五章 GPS测量的误差来源 5.4.2接收机的位置误差 接收机天线相位中心相对观测标石中心位 置的误差，叫 接收机位置误差 。 如当天线高度为 1.6m时，置平误差为 0.1O时，可能会产生对中 误差 3mm。 因此，在精密定位时，必须仔细操作，以尽量减少这 种误差的影响。在变形监测中，应采用有强制对中装置的观测墩 . 42 第五章 GPS测量的误差来源 5.4.3天线相位中心位置的偏差 实际上天线的相位中心随着 信号输入的强度和方向不同而有所 变

15、化，即观测时相位中心的瞬时位 置（一般称相位中心）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 移 。 这种偏差的影响，可达数毫 米至数厘米。而如何减少相位中心 的偏移是天线设计中的一个重要问 题。 43 第五章 GPS测量的误差来源 5.5其他误差 5.5.1地球自转的误差 当卫星信号传播到观 测站时，而与地球相固联 的协议地球坐标系相对的 卫星的上述瞬时位置已产 生了旋转（绕 Z轴）。 44 第五章 GPS测量的误差来源 5.5.2地球潮汐改正 因为地球并非是一个刚体，所以在太阳和月球的万有引力作 用下，固体地球要产生周期性的弹性形变，称为 固体潮。 此外在日月引力的作用下，地球上的负荷也将发生周期性的变 动，使地球产生周期的形变，称为 负荷潮汐 。 固体潮和负荷潮引起的测站位移可达 80cm， 使不同时间的测 量结果互不一致，在高精度相对定位中应考虑其影响。 45 第五章 GPS测量的误差来源