GPS测量误差来源及其影响课件.ppt

第七章第七章 GPSGPS测量误差源及其影响测量误差源及其影响中国矿业大学环境与测绘学院中国矿业大学环境与测绘学院中国矿业大学环境与测绘学院中国矿业大学环境与测绘学院 王王 坚坚第七章第七章 GPSGPS测量的误差来源及其影响测量的误差来源及其影响77。1 GPS1 GPS测量的误差分类测量的误差分类77。2 2 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差77。3 3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差77。4 4 与接收机有关的误差与接收机有关的误差77。5 5 其他误差其他误差7.1 GPS7.1 GPS测量的误差分类测量的误差分类一。误差来源：与一。误差来源：与GPSGPS卫星、与信号传播、与卫星、与信号传播、与GPSGPS接收机接收机有关。此外与地球潮汐、负荷潮、相对论效应有关。有关。此外与地球潮汐、负荷潮、相对论效应有关。二。误差分类及影响二。误差分类及影响误差来源误差来源对距离影响对距离影响(m)卫星部分：星历误差；钟误差；相对论效应卫星部分：星历误差；钟误差；相对论效应1.515信号传播：电离层；对流层；多路径效应信号传播：电离层；对流层；多路径效应1.515接收机：钟误差；位置误差；天线相位中心接收机：钟误差；位置误差；天线相位中心1.55其他误差：地球潮汐；负荷潮其他误差：地球潮汐；负荷潮1.0 为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距为了便于理解，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，称为等效距离误差。离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。测码伪距的等效距离误差/m误差来源P码C/A码卫星星历与模型误差钟差与稳定度卫星摄动相位不确定性其它合计4.23.01.00.50.95.44.23.01.00.50.95.4信号传播电离层折射对流层折射多路径效应其它合计2.32.01.20.53.35.0-10.02.01.20.55.5-10.3接收机接收机噪声其它合计1.00.51.17.50.57.5总计6.410.8-13.6根据误差的性质可分为：（1）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。为了减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因而采取不同的措施，包括：引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并求解。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，以减弱和消除系统误差的影响。简单地忽略某些系统误差的影响。（2）偶然误差：包括多路径效应误差和观测误差等。GPS定位的基本观测量是观测站（用户接收天线）至GPS卫星（信号发射天线）的距离（或称信号传播路径），它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间延迟）或测定卫星载波信号相位在该路径上的变化周数（相位延迟）来导出的。7.2 7.2 卫星信号传播有关的误差卫星信号传播有关的误差电磁波传播特性1.电磁波的传播速度与大气折射假设电磁波在真空中的传播速度为cvac，则有cvac=vacf=vac/T=/kvac。在卫星大地测量中，国际上当前采用的真空光速为c=2.99782458108(m/s)。对GPS而言，卫星发射信号传播到接收机天线的时间约0.1秒，当光速值的最后一位含有一个单位的误差，将会引起0.1m的距离误差。表明准确确定电磁波传播速度的重要意义。实际的电磁波传播是在大气介质中，在到达地面接收机前要穿过性质、状态各异且不稳定的若干大气层，这些因素可能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。大气折射。大气折射。大气折射对GPS观测结果的影响，往往超过了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加以改正，或在如何在数据处理过程中通过模型加以改正，或在如何在数据处理过程中通过模型加以改正，或在如何在数据处理过程中通过模型加以改正，或在观测中通过适当的方法来减弱，以提高定位精观测中通过适当的方法来减弱，以提高定位精观测中通过适当的方法来减弱，以提高定位精观测中通过适当的方法来减弱，以提高定位精度，已经成为广大用户普遍关注的重要问题。度，已经成为广大用户普遍关注的重要问题。度，已经成为广大用户普遍关注的重要问题。度，已经成为广大用户普遍关注的重要问题。电磁波在大气中的传播速度可以用折射率n来表示，n=c/v。折射率与大气的组成和结构密切相关，其实际值接近于1，故常用折射数N0来表示，N0=(n-1)106。根据大气物理学，如果电磁波在某种介质中的传播速度与频率有关传播速度与频率有关传播速度与频率有关传播速度与频率有关，则该介质成为弥散介弥散介弥散介弥散介质质质质。介质的弥散现象是由于传播介质的内电场和入射波的外电场之间的电磁转换效应而产生的。当介质的原子频率与入射波的频率接近一致时，将发生共振，由此而影响电磁波的传播速度。通常称d d d dv v v v/df/df/df/df为速度弥散为速度弥散为速度弥散为速度弥散。如果把具有不同频率的多种波叠加，所形成的复合波称为群波，则在具有速度弥散现象的介质中，单一频率正弦波的传播与群波的传播是不同的。假设单一正弦波的相位传播速度为相速vp，群波的传播速度为群速vg，则有式中为通过大气层的电磁波波长。若取通过大气层的电磁波频率为f，则相应的折射率为在GPS定位中，群速群速群速群速v v v vg g g g与码相位测量有关，而相速与码相位测量有关，而相速与码相位测量有关，而相速与码相位测量有关，而相速v v v vp p p p与与与与载波相位测量有关。载波相位测量有关。载波相位测量有关。载波相位测量有关。大气层对电磁波传播的影响大气层对电磁波传播的影响大气层对电磁波传播的影响大气层对电磁波传播的影响1.大气层的结构与性质地球表面被一层很厚的大气所包围，大气的总质量约为3.9 1018（kg），约为地球总质量的百万分之一。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%的以上质量分布在30km以下。同时大气在垂直方向上的物理性质差异也很大，根据温度、成分和荷电等物理性质的不同，大气可分为性质各异的若干大气层。按不同标准有不同的分层方法，根据对电磁波传播的不同影响，一般分为对流层和电离层。折射数随高度的变化。某一瞬间全球电子密度与测站间的关系 电离层电离层电离层电离层分布于地球大气层的顶部，约在地面向上70km以上范围。由于原子氧吸收了太阳紫外线的能量，该大气层的温度随高度上升而迅速升高，同时由于太阳和其它天体的各种射线作用，使大部分大气分子发生电离，具有密度较高的带电粒子。电离层中电子的密度决定于太阳辐射强度和大气密度，因而导致电离层的电子密度不仅随高度而异，而且与太阳黑子的活动密切相关。电磁波在电离层中的传播速度与频率相关，电离层属于弥散性介质。弥散性介质。弥散性介质。弥散性介质。7.2.1 电离层折射（1）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。通常采取的措施：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，可确定其影响大小，并对观测量加以修正。其有效性不低于95%.利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用由导航电文提供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75%，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（小于20km）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10-6。在电离层中产生的各种延迟量，对确定的电磁波频率，只有电子密度是唯一的独立变量。实际资料分析表明，电离层的电子密度，白天约为夜间的5倍，一年中冬季与夏季相差4倍，太阳活动高峰期约为低峰期的4倍。电离层电子密度的大致变化范围在109-31012电子数/m3。沿天顶方向电子密度总量，日间为51017电子数/m2，夜间为51016电子数/m2。此外，电子密度在不同高度、不同时间都有明显差别。1 1。电离层折射：。电离层折射：特点：与电子密度（不稳定）和频率有关。大小特点：与电子密度（不稳定）和频率有关。大小50150m50150m2.2.利用双频观测减弱电离层影响利用双频观测减弱电离层影响利用电离层改正模型加以修正：利用电离层改正模型加以修正：1.1.双频技术减弱电离层折射可达几双频技术减弱电离层折射可达几cmcm误差。若再加模型误差。若再加模型改正精度可达改正精度可达mmmm级。级。2.2.单频接收机一般采用导航电文提供的电离层模型加以单频接收机一般采用导航电文提供的电离层模型加以改正改正.这种模型把白天的电离层延迟看成余弦波的正半这种模型把白天的电离层延迟看成余弦波的正半周周,晚间为一常数晚间为一常数(DC=5ns).(DC=5ns).任意时刻任意时刻t t 的电离层延迟模型的电离层延迟模型TgTg:2.2.用模型改正用模型改正3.3.电离层模型改正实用公式电离层模型改正实用公式:Tgh地方时地方时时时延延048 12 16 20 24电离层改正模型电离层改正模型Tg是天顶方向电离层延迟。是天顶方向电离层延迟。当卫星天顶距当卫星天顶距Z不为不为0时，时，电离层延迟电离层延迟Tg=Tg/cosZ。（卫星垂直角卫星垂直角E=90-Z）-/2/24.4.利用同步观测值求差利用同步观测值求差用两台接收机在基线的两端进行同步观测，取其观测量之差。因为当两观测站相距不太远时，卫星至两观测站电磁波传播路径上的大气状况相似，大气状况的系统影响可通过同步观测量的差分而减弱。该方法对小于20km的短基线效果尤为明显，经过电离层折射改正后，基线长度的相对残差约为10-6。故在短基线相对定位中，即使使用单频接收机也能达到相当高精度。但随着基线长度的增加，精度将明显降低。对流层对流层对流层对流层是指从地面向上约40km范围内的大气底层，占整个大气质量的99%。对流层与地面接触，从地面得到辐射热能，温度随高度的上升而降低，平均每升高1km降低6.50C，而在水平方向（南北方向）上，温差每100km 一般不超过10C。对流层虽仅有少量带电离子，但却具有很强的对流作用，云、雾、雨、雪、风等主要天气现象均出现其中。该层大气中除了含有各种气体元素外，还含水滴、冰晶和尘埃等杂质，对电磁波的传播有很大影响。7.2.2 对流层折射对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分量两部分。干分量主要与大气温度和压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。目前湿分量的影响尚无法准确确定。对流层影响的处理方法：定位精度要求不高时，忽略不计。采用对流层模型加以改正。引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。观测量求差。对流层折射：与地面温度、气压、湿度有关，与卫星高对流层折射：与地面温度、气压、湿度有关，与卫星高度角有关。天顶方向影响达度角有关。天顶方向影响达2.3m2.3m。对流层折射改正模型：对流层折射改正模型：-常用霍普菲尔德模型常用霍普菲尔德模型目前采用的各种对流层模型，即使应用实时测量的气象资料，电磁波的传播路径，经过对流层折射改正后的残差，仍保持在对流层影响的5%左右。减弱对流层折射改正项残差影响主要措施：尽可能充分地掌握观测站周围地区的实时气象资料。利用水汽辐射计，准确地测定电磁波传播路径上的水汽积累量，以便精确的计算大气湿分量的改正项。但设备庞大价格昂贵，一般难以普遍采用。当基线较短时（20km），在稳定的大气条件下，利用相对定位的差分法来减弱大气折射的影响。完善对流层大气折射的改正模型。也称多路径误差，即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围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化，使观测量产生误差。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：安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、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。适当延长观测时间，削弱周期性影响。改善接收机的电路设计。7.2.3 7.2.3 多路径效应多路径效应多多路径误差：接收机接收从卫星发路径误差：接收机接收从卫星发射的直接波，同时接收测站周围射的直接波，同时接收测站周围障碍物反射的卫星信号，产生干障碍物反射的卫星信号，产生干涉引起时延。设程差为涉引起时延。设程差为，有，有卫星卫星直接波直接波反射波反射波OAHGZZ2Z图图7-2 7-2 地面反射波地面反射波7.3 7.3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差1.1.卫星星历误差卫星星历误差 广播星历误差较大（广播星历误差较大（510m510m），），后处理星历（精密星后处理星历（精密星历）可达历）可达2m2m。星历误差对定位精度的影响：将星历误差对定位精度的影响：将5-185-18式线性化。式线性化。2.2.卫星钟误差（同步精度约为卫星钟误差（同步精度约为20ns20ns相当于相当于6m6m）3.3.相对论效应（使接收载波频率改变相对论效应（使接收载波频率改变f f，对，对GPSGPS时间影响时间影响70ns70ns）由于卫星钟相对于接收机钟的高速运动，卫星钟频率改变。由于卫星钟相对于接收机钟的高速运动，卫星钟频率改变。7.4 7.4 与接收机有关的误差与接收机有关的误差1.1.接收机钟误差接收机钟误差 当作未知数与测站坐标一起解算。当作未知数与测站坐标一起解算。2.2.对中误差对中误差接收机位置误差接收机位置误差 天线相位中心与测站标石中心位置的误差。天线相位中心与测站标石中心位置的误差。3.3.天线相位中心位置误差天线相位中心位置误差 天线相位中心（与信号强度和方向有关）与天线相位中心（与信号强度和方向有关）与其几何中心的位置偏差。相对定位观测时，保持其几何中心的位置偏差。相对定位观测时，保持天线的方位不变，可以减小其影响。天线的方位不变，可以减小其影响。7.5 7.5 其他误差其他误差1 1。地球自转的影响：。地球自转的影响：当卫星信号离开卫星到达接收机时，接收机相对卫星又当卫星信号离开卫星到达接收机时，接收机相对卫星又转动了一定角度：转动了一定角度：引起坐标变化：引起坐标变化：2 2。地球潮汐改正：。地球潮汐改正：地球为弹性体，受日月引力产生弹性形变叫固体潮；地球为弹性体，受日月引力产生弹性形变叫固体潮；在日月引力下，地球上的负荷产生周期负荷潮汐。单在日月引力下，地球上的负荷产生周期负荷潮汐。单点定位时应按（点定位时应按（7-387-38）式进行改正。）式进行改正。各种误差特性及减弱措施各种误差特性及减弱措施误差误差特性特性减弱措施减弱措施星历星历误差误差在一定观测时间内呈系统性在一定观测时间内呈系统性精密定轨；观测值求差精密定轨；观测值求差星钟星钟误差误差有有系统性，也有随机性系统性，也有随机性电文改正；观测值在接收机间求差电文改正；观测值在接收机间求差相对论效应相对论效应系统性系统性生产时将钟频改变生产时将钟频改变电离层电离层与与频率、电离层密度有关频率、电离层密度有关双频双频观测；模型改正；观测值求差观测；模型改正；观测值求差对流层对流层与卫星高度、与气象有关与卫星高度、与气象有关模型改正；观测值求差；测定气象模型改正；观测值求差；测定气象多多路径效应路径效应与与卫星方向、反射物有关卫星方向、反射物有关注意选点、改进天线注意选点、改进天线接收机钟误差接收机钟误差系统性系统性作为未知数；观测值星间求差作为未知数；观测值星间求差机机位置误差位置误差偶然性偶然性精密对中精密对中天线中心误差天线中心误差系统性系统性观测时天线同一方位安置观测时天线同一方位安置地球自转地球自转系统性系统性计算改正计算改正地球潮汐地球潮汐系统性系统性计算改正计算改正第七章第七章 复习思考题复习思考题1.GPS1.GPS测量定位主要误差有哪些？测量定位主要误差有哪些？2.2.观测值求差法能消除哪些误差？观测值求差法能消除哪些误差？