第六章---GPS观测量与定位方法误差来源与误差对策分解优秀PPT.ppt

GPSGPS定位与导航定位与导航第六章 GPS观测的误差来源6.1 观测量的误差来源及其影响1.1.误差的分类误差的分类GPSGPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类：三类：与卫星有关的误差。与卫星有关的误差。与信号传播有关的误差。与信号传播有关的误差。与接收设备有关的误差。与接收设备有关的误差。为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距离上，以相应的距离误差表示，称为星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距等效距离误差。离误差。测码伪距的等效距离误差/m误差来源误差来源P P码码C/AC/A码码卫星卫星星历与模型误差星历与模型误差钟差与稳定度钟差与稳定度卫星摄动卫星摄动相位不确定性相位不确定性其它其它合计合计4.24.23.03.01.01.00.50.50.90.95.45.44.24.23.03.01.01.00.50.50.90.95.45.4信号传播信号传播电离层折射电离层折射对流层折射对流层折射多路径效应多路径效应其它其它合计合计2.32.32.02.01.21.20.50.53.33.35.0-10.05.0-10.02.02.01.21.20.50.55.5-10.35.5-10.3接收机接收机接收机噪声接收机噪声其它其它合计合计1.01.00.50.51.11.17.57.50.50.57.57.5总计总计6.46.410.8-13.610.8-13.6依据误差的性质可分为：依据误差的性质可分为：（1 1）系统误差：主要包括卫星的轨道误差、卫星钟）系统误差：主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。为了差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。为了减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般依据减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般依据系统误差产生的缘由而实行不同的措施，包括：系统误差产生的缘由而实行不同的措施，包括：引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并求解。参数一并求解。建立系统误差模型，对观测量加以修正。建立系统误差模型，对观测量加以修正。将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱和消退系统误差的影响。减弱和消退系统误差的影响。简洁地忽视某些系统误差的影响。简洁地忽视某些系统误差的影响。（2 2）偶然误差：包括多路径效应误差和观测误差等。）偶然误差：包括多路径效应误差和观测误差等。2.2.与卫星有关的误差与卫星有关的误差（1 1）卫星钟差）卫星钟差GPSGPS观测量均以精密测时为依据。观测量均以精密测时为依据。GPSGPS定位中，无论定位中，无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。事实上，尽管卫星上设接收机钟保持严格同步。事实上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不行避开地存在钟差和漂有高精度的原子钟，仍不行避开地存在钟差和漂移，偏差总量约在移，偏差总量约在1 ms1 ms内，引起的等效距离误差内，引起的等效距离误差可达可达300km300km。卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，并用二阶多项式表示：测精确地确定，并用二阶多项式表示：tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的参数由主。式中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文供应应用户。控站测定，通过卫星的导航电文供应应用户。经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保持在经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保持在20ns20ns以内，引起的等效距离偏差不超过以内，引起的等效距离偏差不超过6m6m。卫星。卫星钟经过改正的残差，在相对定位中，可通过观测钟经过改正的残差，在相对定位中，可通过观测量求差（差分）方法消退。量求差（差分）方法消退。（2）卫星轨道偏差（星历误差）：由于卫星在运动中受多种摄动力的困难影响，而通过地面监测站又难以牢靠地测定这些作用力并驾驭其作用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约20-40m。随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，卫星的位置精度将可提高到5-10m。卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。卫星轨道偏差对确定定位的影响可达几十米到一百米。卫星轨道偏差对确定定位的影响可达几十米到一百米。而在相对定位中，由于相邻测站星历误差具有很强的而在相对定位中，由于相邻测站星历误差具有很强的相关性，因此对相对定位的影响远远低于对确定定相关性，因此对相对定位的影响远远低于对确定定位的影响，不过，随着基线距离的增加，卫星轨道位的影响，不过，随着基线距离的增加，卫星轨道偏差引起的基线误差将不断加大。偏差引起的基线误差将不断加大。GPSGPS卫星到地面卫星到地面观测站的最大距离约为观测站的最大距离约为25000km25000km，假如基线测量的，假如基线测量的允许误差为允许误差为1cm1cm，则当基线长度不同时，允许的轨，则当基线长度不同时，允许的轨道误差大致如下表所示。从表中可见，在相对定位道误差大致如下表所示。从表中可见，在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。响定位精度的主要因素。基线长度基线长度基线相对误差基线相对误差容许轨道误差容许轨道误差1.0km1.0km1010 1010-6-6250.0m250.0m10.km10.km1 1 1010-6-625.0m25.0m100.0km100.0km0.10.1 1010-6-62.5m2.5m1000.0km1000.0km0.010.01 1010-6-60.25m0.25m在在GPSGPS定位中，依据不同要求，处理轨道误差的方定位中，依据不同要求，处理轨道误差的方法原则上有三种；法原则上有三种；忽视轨道误差：广泛用于实时单点定位。忽视轨道误差：广泛用于实时单点定位。接受轨道改进法处理观测数据：卫星轨道的偏差主接受轨道改进法处理观测数据：卫星轨道的偏差主要由各种摄动力综合作用而产生，摄动力对卫星要由各种摄动力综合作用而产生，摄动力对卫星6 6个轨道参数的影响不相同，而且在对卫星轨道摄个轨道参数的影响不相同，而且在对卫星轨道摄动进行修正时，所接受的各摄动力模型精度也不动进行修正时，所接受的各摄动力模型精度也不一样。因此在用轨道改进法进行数据处理时，依一样。因此在用轨道改进法进行数据处理时，依据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法和半据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法和半短弧法。短弧法。短弧法：引入全部短弧法：引入全部6 6个轨道偏差改正，作为待估参数，个轨道偏差改正，作为待估参数，在数据处理中与其它待估参数一并求解。可明显在数据处理中与其它待估参数一并求解。可明显减弱轨道偏差影响，但计算工作量大。减弱轨道偏差影响，但计算工作量大。半短弧法：依据摄动力对轨道参数的不同影响，只半短弧法：依据摄动力对轨道参数的不同影响，只对其中影响较大的参数，引入相应的改正数作为对其中影响较大的参数，引入相应的改正数作为待估参数。据分析，目前该法修正的轨道偏差不待估参数。据分析，目前该法修正的轨道偏差不超过超过10m10m，而计算量明显减小。，而计算量明显减小。同步观测值求差：由于同一卫星的位置误差对不同步观测值求差：由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响具有系统性。利用两同观测站同步观测量的影响具有系统性。利用两个或多个观测站上对同一卫星的同步观测值求差，个或多个观测站上对同一卫星的同步观测值求差，可减弱轨道误差影响。当基线较短时，有效性尤可减弱轨道误差影响。当基线较短时，有效性尤其明显，而对精密相对定位，也有极其重要意义。其明显，而对精密相对定位，也有极其重要意义。3.3.卫星信号传播误差卫星信号传播误差（1 1）电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播）电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路径上的电子总量。通常实行的措施：路径上的电子总量。通常实行的措施：利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响用不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并对观测量加以修正。其有效性不低于大小，并对观测量加以修正。其有效性不低于95%.95%.利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般接利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般接受由导航电文供应的或其它适宜电离层模型对观受由导航电文供应的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正。目前模型改正的有效性约为测量进行改正。目前模型改正的有效性约为75%75%，至今仍在完善中。，至今仍在完善中。利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小于于20km20km）时，卫星信号到达不同观测站的路径相）时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过近，通过同步求差，残差不超过10-610-6。（2 2）对流层的影响）对流层的影响如第四章所述，对流层折射对观测量的影响可分为如第四章所述，对流层折射对观测量的影响可分为干重量和湿重量两部分。干重量主要与大气温度干重量和湿重量两部分。干重量主要与大气温度和压力有关，而湿重量主要与信号传播路径上的和压力有关，而湿重量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。目前湿重量的影响尚无法大气湿度和高度有关。目前湿重量的影响尚无法精确确定。对流层影响的处理方法：精确确定。对流层影响的处理方法：定位精度要求不高时，忽视不计。定位精度要求不高时，忽视不计。接受对流层模型加以改正。接受对流层模型加以改正。引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。解。观测量求差。观测量求差。（3 3）多路径效应：也称多路径误差，即接收机天线）多路径效应：也称多路径误差，即接收机天线除干脆收到卫星放射的信号外，还可能收到经天除干脆收到卫星放射的信号外，还可能收到经天线四周地物一次或多次反射的卫星信号。两种信线四周地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加，将引起测量参考点位置变更，使观测量号迭加，将引起测量参考点位置变更，使观测量产生误差。在一般反射环境下，对测码伪距的影产生误差。在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。在高反射响达米级，对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大，且常常导致卫星失锁和环境中，影响显著增大，且常常导致卫星失锁和产生周跳。措施：产生周跳。措施：安置接收机天线的环境应避开较强放射面，如水面、安置接收机天线的环境应避开较强放射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。平坦光滑的地面和建筑表面。选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。适当延长观测时间，减弱周期性影响。适当延长观测时间，减弱周期性影响。改善接收机的电路设计。改善接收机的电路设计。4.接收设备有关的误差主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不确定性影响。（1）观测误差：除辨别误差外，还包括接收天线相对测站点的安置误差。辨别误差一般认为约为信号波长的1%。安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线相位中心高度（天线高）误差。例如当天线高1.6m,置平误差0.10，则对中误差为2.8mm。码相位与载波相位的辨别误差信号信号波长波长观测误差观测误差P P码码29.3m29.3m0.3m0.3mC/AC/A码码293m293m2.9m2.9m载波载波L L1 119.05cm19.05cm2.0mm2.0mm载波载波L L2 224.45cm24.45cm2.5mm2.5mm（2）接收机钟差GPS接收机一般设有高精度的石英钟，日频率稳定度约为10-11。假如接收机钟与卫星钟之间的同步差为1s，则引起的等效距离误差为300m。处理接收机钟差的方法：作为未知数，在数据处理中求解。利用观测值求差方法，减弱接收机钟差影响。定位精度要求较高时，可接受外接频标，如铷、铯原子钟，提高接收机时间标准精度。（3 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无法干脆确定载波相位相应起始历元在传播路径上无法干脆确定载波相位相应起始历元在传播路径上变更的整周数。同时存在因卫星信号被阻挡和受变更的整周数。同时存在因卫星信号被阻挡和受到干扰，而产生信号跟踪中断和整周变跳。到干扰，而产生信号跟踪中断和整周变跳。（4 4）天线相位中心位置偏差）天线相位中心位置偏差GPSGPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，在理论上，天线相位中心与仪器的几位置为准，在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一样。事实上，随着信号输入的强何中心应保持一样。事实上，随着信号输入的强度和方向不同而有所变更，同时与天线的质量有度和方向不同而有所变更，同时与天线的质量有关，可达数毫米至数厘米。如何减小相位中心的关，可达数毫米至数厘米。如何减小相位中心的偏移，是天线设计的一个迫切问题。偏移，是天线设计的一个迫切问题。5.5.其它误差来源其它误差来源（1 1）地球自转影响：当卫星信号传播到）地球自转影响：当卫星信号传播到观测站时，与地球相固联的协议地球坐观测站时，与地球相固联的协议地球坐标系相对卫星的瞬时位置已产生旋转标系相对卫星的瞬时位置已产生旋转（绕（绕Z Z轴）。若取轴）。若取 为地球的自转速度，为地球的自转速度，则旋转的角度为则旋转的角度为=ij ij。ij ij为卫星为卫星信号传播到观测站的时间延迟。由此引信号传播到观测站的时间延迟。由此引起卫星在上述坐标系中坐标的变更为：起卫星在上述坐标系中坐标的变更为：（2 2）相对论效应）相对论效应依据狭义相对论，地面上一个频率为依据狭义相对论，地面上一个频率为f0f0的时钟，安的时钟，安装在运行速度为装在运行速度为VsVs（已知）的卫星上后，钟频（已知）的卫星上后，钟频将发生变更，变更量为：将发生变更，变更量为：上式中，上式中，amam为地球平均半径，为地球平均半径，RsRs为卫星轨道平均为卫星轨道平均半径。在狭义相对论的影响下，时钟变慢。半径。在狭义相对论的影响下，时钟变慢。依据广义相对论，处于不同等位面的震荡器，其频率依据广义相对论，处于不同等位面的震荡器，其频率f0f0将将由于引力位不同而产生变更，称引力频移。大小按下式由于引力位不同而产生变更，称引力频移。大小按下式估算：估算：在狭义和广义相对论的综合影响下，卫星频率的变更为：在狭义和广义相对论的综合影响下，卫星频率的变更为：因因GPSGPS卫星钟的标准频率为卫星钟的标准频率为10.23MHz10.23MHz，可得，可得 f=0.00455Hzf=0.00455Hz。说明说明GPSGPS卫星钟比其安设在地面上走的快，每秒约差卫星钟比其安设在地面上走的快，每秒约差0.45ms0.45ms。一般将卫星钟的标准频率减小约。一般将卫星钟的标准频率减小约4.5 4.5 10-3Hz10-3Hz。由于地球运动、卫星轨道高度和地球重力场的变更，由于地球运动、卫星轨道高度和地球重力场的变更，上述相对论效应的影响并特别数，经过改正后的上述相对论效应的影响并特别数，经过改正后的残差对卫星钟差、种速的影响约为：残差对卫星钟差、种速的影响约为：其中，其中，eses为轨道偏心率，为轨道偏心率，asas为卫星轨道长半径，为卫星轨道长半径，EsEs为偏近点角。考虑偏近角随时间的变更，可得为偏近点角。考虑偏近角随时间的变更，可得数字分析表明，上述残差对数字分析表明，上述残差对GPSGPS的影响最大可达的影响最大可达70ns70ns，对卫星钟速的影响可达，对卫星钟速的影响可达0.01ns/s0.01ns/s，明显此，明显此影响对精密定位不能忽视。影响对精密定位不能忽视。在在GPSGPS定位中，除了上述各种误差外，卫星钟和接定位中，除了上述各种误差外，卫星钟和接收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星轨道摄动模型误差、地球潮汐以及信号传播的相轨道摄动模型误差、地球潮汐以及信号传播的相对论效应等都会对观测量产生影响。对论效应等都会对观测量产生影响。为提高长距离相对定位的精度，满足地球动力学探为提高长距离相对定位的精度，满足地球动力学探讨要求，探讨这些误差来源，并确定它们的影响讨要求，探讨这些误差来源，并确定它们的影响规律和改正方法，有重要意义。规律和改正方法，有重要意义。