GPS测量误差及其影响.ppt

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1、GPS定位误差及其影响 GPS定位是通过地面接收设备接收卫星传送的信息确定地面点的位置误差主要来源于误差主要来源于GPSGPS卫星、卫星信号的传播过程卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备和地面接收设备在高精度GPS测量中，地球潮汐及相对论效应等的影响也是导致误差的重要原因。GPS测量误差的性质偶然误差内容内容卫星信号发生部分的随机噪声卫星信号发生部分的随机噪声接收机信号接收处理部分的随机噪声接收机信号接收处理部分的随机噪声其它外部某些具有随机特征的影响其它外部某些具有随机特征的影响特点特点随机随机量级小量级小 毫米级毫米级GPS测量误差的性质系统误差（偏差-Bias）内容内容其它具有某种系统

2、性特征的误差其它具有某种系统性特征的误差特点特点具有某种系统性特征具有某种系统性特征量级大量级大 最大可达数百米最大可达数百米与卫星有关的误差与卫星有关的误差 卫星轨道误差卫星轨道误差 卫星钟差卫星钟差 相对论效应相对论效应与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差 电离层延迟电离层延迟 对流层延迟对流层延迟 多路径效应多路径效应与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差 接收机天线相位中心的偏移和变化接收机天线相位中心的偏移和变化 接收机钟差接收机钟差 接收机内部噪声接收机内部噪声GPS测量误差的来源GPS测量误差的大小SPS（无SA）GPS测量误差的大小SPS（有SA）GPS测量误差的大小PP

3、S，双频，P/Y-码消除或消弱各种误差影响的方法模型改正法模型改正法 原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正进行修正 适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式解，能建立理论或经验公式 所针对的误差源所针对的误差源相对论效应相对论效应电离层延迟电离层延迟对流层延迟对流层延迟卫星钟差卫星钟差 限制：有些误差难以模型化限制：有些误差难以模型化消除或消弱各种误差影响的方法求差法求差法 原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱原理：通过观测值间一定方式

4、的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响 适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。关性。所针对的误差源所针对的误差源电离层延迟电离层延迟对流层延迟对流层延迟卫星轨道误差卫星轨道误差 限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱消除或消弱各种误差影响的方法参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来出来适用情况：几乎适用于任何的情况适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有

5、影响均作为参数来估计限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计消除或消弱各种误差影响的方法回避法回避法 原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响弱误差的影响 适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。殊的设备。所针对的误差源所针对的误差源电磁波干扰电磁波干扰多路径效应多路径效应 限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性与

6、卫星有关的误差与卫星有关的误差主要包括:卫星星历误差卫星星历误差卫星钟的误差卫星钟的误差地球自转的影响地球自转的影响相对论效应的影响相对论效应的影响卫星星历（轨道）误差定义由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。广播星历（预报星历）的精度广播星历（预报星历）的精度(无无SA)2030米米(有有SA)100米米精密星历（后处理星历）的精度精密星历（后处理星历）的精度可达可达1厘米厘米应对方法应对方法精密定轨精密定轨(后处理后处理)相对定位或差分定位相对定位或差分定位星历误差对单点定位的影响星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星

7、到接收机的距离以及用于定位或导航的接收机的距离以及用于定位或导航的GPSGPS卫星卫星与接收机构成的几何图形与接收机构成的几何图形星历误差对相对定位的影响db为基线误差，b为基线长，ds为星历误差，为卫星到测站的距离。适合短基线相对定位。解决星历误差的方法解决星历误差的方法1)1)建立区域性卫星跟踪网建立区域性卫星跟踪网可提高单点定位精度，使相对长基线定位精度提高。可提高单点定位精度，使相对长基线定位精度提高。2)2)轨道松弛法轨道松弛法在平差模型中，把卫星星历提供的卫星轨道坐标作为初始在平差模型中，把卫星星历提供的卫星轨道坐标作为初始值，视其改正数为未知数，通过平差求得测站和卫星轨道值，视其

8、改正数为未知数，通过平差求得测站和卫星轨道改正数。改正数。半短弧法将轨道切向、径向、法向的三个改正作为未知数，计算半短弧法将轨道切向、径向、法向的三个改正作为未知数，计算较简单；较简单；短弧法把六个轨道偏差改正数作为未知数，计算量大，精度与半短弧法把六个轨道偏差改正数作为未知数，计算量大，精度与半短弧法相当。短弧法相当。3)3)同步观测值求差（也即相对定位）同步观测值求差（也即相对定位）在两个或多个测站上对同一颗卫星的同步观测值求差，减在两个或多个测站上对同一颗卫星的同步观测值求差，减弱卫星星历误差的影响。弱卫星星历误差的影响。卫星钟差定义定义物理同步误差物理同步误差数学同步误差数学同步误差应

9、对方法应对方法 模型改正模型改正钟差改正多项式钟差改正多项式 其中其中a a0 0为为t ts s时刻的时钟偏差，时刻的时钟偏差，a a1 1为钟速，为钟速，a a2 2为钟速变化率。为钟速变化率。相对定位或差分定位相对定位或差分定位狭义相对论和广义相对论狭义相对论19051905运动将使时间、空间和物质的质量发生变化运动将使时间、空间和物质的质量发生变化广义相对论19151915将相对论与引力论进行了统一将相对论与引力论进行了统一相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论狭义相对论 原理：时间膨胀。原理：时间膨胀。钟的频率与其运动速度有关。钟的频率与其运动速度有关。对对GPSGPS卫星钟的影响：卫星

10、钟的影响：结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢相对论效应对卫星钟的影响广义相对论广义相对论 原理：钟的频率与其所处的重力位有关原理：钟的频率与其所处的重力位有关 对对GPSGPS卫星钟的影响：卫星钟的影响：结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快变快相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论广义相对论狭义相对论广义相对论解决相对论效应对卫星钟影响的方法制造卫星钟时预先把频率降低。与信号传播有关的误差电离层折射误差电离层折射误差对流层折射误差对流层折射误差多路径

11、效应误差多路径效应误差电离层延迟地球大气结构地球大气层的结构地球大气层的结构大气折射效应大气折射大气折射 信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称生弯曲。也称大气延迟大气延迟。在。在GPSGPS测量定位中，通常仅考虑测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。信号传播速度的变化。色散介质与非色散介质色散介质与非色散介质 色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同同 非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同同 对对GP

12、SGPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质质相速与群速相速群速相速与群速的关系相折射率与群折射率的关系相速与群速电离层折射电离层折射电子密度与总电子含量电子密度与总电子含量电子密度：单位体积中所电子密度：单位体积中所包含的电子数。包含的电子数。总电子含量（总电子含量（TEC Total TEC Total Electron ContentElectron Content）：底面）：底面积为一个单位面积时沿信积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电层的一个柱体内所含的电子总数。子总数。电子密度

13、与大气高度的关系电子含量与地方时的关系电子含量与太阳活动情况的关系与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加太阳活动周期约为11年1700年年 1995年太阳黑子数年太阳黑子数电子含量与地理位置的关系2002.5.15 1:00 23:00 2小时间隔全球小时间隔全球TEC分布分布常用电离层延迟改正方法分类经验模型改正经验模型改正 方法：根据以往观测结果所建立的模型方法：根据以往观测结果所建立的模型 改正效果：差改正效果：差双频改正双频改正 方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量离层延迟的组合观测量 效果：改正

14、效果最好效果：改正效果最好实测模型改正实测模型改正 方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好效果：改正效果较好电离层改正的经验模型简介BentBent模型模型 由美国的提出由美国的提出 描述电子密度描述电子密度 是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数国际参考电离层模型（国际参考电离层模型（IRI International IRI International Reference IonosphereReference Ion

15、osphere）由国际无线电科学联盟（由国际无线电科学联盟（URSI International Union of URSI International Union of Radio ScienceRadio Science）和空间研究委员会（）和空间研究委员会（COSPAR-COSPAR-Committee on Space ResearchCommittee on Space Research）提出）提出 描述高度为描述高度为50km-2000km50km-2000km的区间内电子密度、电子温度、的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等电离层温度、电离层的成分等 以地点、时间

16、、日期等为参数以地点、时间、日期等为参数电离层延迟的双频改正电离层延迟的实测模型改正基本思想利用基准站的双频观测数据计算电离层延迟利用基准站的双频观测数据计算电离层延迟利用所得到的电离层延迟量建立局部或全球的的利用所得到的电离层延迟量建立局部或全球的的TECTEC实测模型实测模型类型局部模型局部模型适用于局部区域适用于局部区域全球模型全球模型适用于全球区域适用于全球区域电离层延迟的实测模型改正局部（区域性）的实测模型改正方法方法适用范围：局部地区的电离层延迟改正适用范围：局部地区的电离层延迟改正电离层延迟的实测模型改正全球（大范围）的实测模型改正全球（大范围）的实测模型改正 方法方法 适用范围

17、：用于大范围和全球的电离层延迟改正适用范围：用于大范围和全球的电离层延迟改正格网化的电离层延迟改正模型格网化的电离层延迟改正模型对流层折射误差1 1概念概念 40km40km以下大气层为对流层。以下大气层为对流层。GPSGPS信号经过此层时，传播路径会发信号经过此层时，传播路径会发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，称为对流层折射误差。生弯曲，从而使测量距离产生偏差，称为对流层折射误差。2 2克服措施克服措施1)1)利用模型改正。实测地区气象资料利用模型改正，能减少利用模型改正。实测地区气象资料利用模型改正，能减少对流层对电磁波延迟达对流层对电磁波延迟达9292一一9595；2)2)引入对流层影响

18、附加未知参数，在数据处理中一并求得；引入对流层影响附加未知参数，在数据处理中一并求得；3)3)利用同步观测值求差。利用同步观测值求差。对流层延迟对流层的色散效应对流层的色散效应对流层的色散效应 折射率与信号波长的关系折射率与信号波长的关系 对流层对不同波长的波的折射效应对流层对不同波长的波的折射效应 结论结论对于对于GPSGPS卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应大气折射率N与气象元素的关系大气折射率N与温度、气压和湿度的关系SmithSmith和和WeintranbWeintranb，19541954对流层延迟与大气折射率N经验模型霍普菲尔

19、德（Hopfield）改正模型萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型勃兰克（Black）改正模型对流层改正模型综述不同模型所算出的高度角30以上方向的延迟差异不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型与Hopfield模型的差异要大于Black模型与Hopfield模型的差异气象元素的测定气象元素干温、湿温、气压干温、湿温、气压干温、相对湿度、气压干温、相对湿度、气压测定方法普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计自动化的电子仪器自动化的电子仪器对流层模型改正的误差分析模型误差模型本身的误差模型本身的误差气象元

20、素误差量测误差量测误差仪器误差仪器误差读数误差读数误差测站气象元素的代表性误差测站气象元素的代表性误差实际大气状态与大气模型间的差异实际大气状态与大气模型间的差异多径误差多路径误差与多路径效应多路径（多路径（MultipathMultipath）误差）误差 在在GPSGPS测量中，被测站附近的物测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的值产生所谓的“多路径误差多路径误差”。多路径效应多路径效应

21、 由于多路径的信号传播所引起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的干涉时延效应称为多路径效应。应。反射波反射波的几何特性反射波的几何特性反射波的物理特性反射波的物理特性 反射系数反射系数a a 极化特性极化特性GPSGPS信号为右旋极化信号为右旋极化反射信号为左旋极化反射信号为左旋极化多路径误差受多路径效应影响的情况下的接收信号多路径误差多路径误差多路径的数值特性受多个反射信号影响的情况多路径误差的特点与测站环境有关与测站环境有关与反射体性质有关与反射体性质有关与接收机结构、性能有关与接收机结构、性能有关应对多路径误差的方法观测上选择合适的测站，避开易产生多路径的环境选择合适的

22、测站，避开易产生多路径的环境易发生多路径的环境易发生多路径的环境应对多路径误差的方法硬件上采用抗多路径误差的仪器设备采用抗多路径误差的仪器设备抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线天线抗多路径的接收机：窄相关技术抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipath MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)Estimating Delay Lock Loop)等等抗多路径效应的天线抗多路径效应的天线应对多路径误差的方法数据处理上加权加权参数法参数法滤波法滤波法信号分析法信号分析法与接收机有关

23、的误差与接收机有关的误差：接收机钟误差接收机钟误差接收机安置误差接收机安置误差天线相位中心位置误差天线相位中心位置误差接收机钟差定义 GPSGPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPSGPS时时之间存在的偏差和漂移。之间存在的偏差和漂移。稳定度稳定度1010-6-6 1010-9-9 。卫星与接收机同步差为。卫星与接收机同步差为1 1微秒微秒可引起等效距离误差为可引起等效距离误差为300m300m。应对方法 作为未知数处理作为未知数处理 相对定位差分定位相对定位差分定位认为各时刻接收机钟差是相关的认为各时刻接收机钟差是相关的将其表示为时间多项式将其表

24、示为时间多项式通过在卫星间求一次差消除通过在卫星间求一次差消除接收机的位置误差定义接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。差。包括天线的整平和对中误差以及天线高的量测误差。包括天线的整平和对中误差以及天线高的量测误差。毫米级毫米级应对方法正确的对中整平正确的对中整平采用强制对中装置（变形监测时）采用强制对中装置（变形监测时）天线相位中心位置误差观测时天线相位的瞬时位置即相位中心与理论上的相位中心不一致导致的偏差称为天线相位中心位置偏差毫米、厘米级毫米、厘米级天线相位中心偏差改正卫星天线相位中心偏差改正接收机天线相位中心变化的改正GPSGPS测

25、量和定位时是以接收机天线的相位中心位测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准的，天线的相位中心与其几何中心理论上置为准的，天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。应保持一致。接收机天线接收到的接收机天线接收到的GPSGPS信号是来自四面八方，信号是来自四面八方，随着随着GPSGPS信号方位和高度角的变化，接收机天线信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。的相位中心的位置也在发生变化。天线相位中心偏差改正应对方法使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相对定位）对定位）模型改正模型改正其他误差一、地球自转的影响由于地球自转，当

26、卫星信号传播到测站时，与地球相固联的协议地球坐标系相对卫星的上述瞬时位置已产生旋转，由此引起卫星坐标变化。旋转角度：旋转角度：引起卫星坐标变化：引起卫星坐标变化：只在高精度定位中考虑。只在高精度定位中考虑。地球自转改正地球潮汐的影响地球在日、月引力和表面负荷作用下将产生形变,并使地球重力场,天文经纬度等发生变化,这就是地球的潮汐响应,前者称为固体潮,后者称为负荷潮固体潮、负荷潮可引起测站位移达80cm，精密测量中考虑。习题1.GPS的误差按性质分可分成哪几类？2.GPS的主要误差来源于哪几个方面？3.相对论效应和多路径效应带来的误差分别属于哪类误差？4.可用于消除误差的方法有哪几种？5.电离层属于什么介质？它带来的延迟主要和哪些大气因素有关？