第七章 GPS测量的误差来源及其影响.ppt

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1、第七章第七章 GPSGPS测量的误差来源及其测量的误差来源及其影响影响GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.1 GPS7.1 GPS测量主要误差分类测量主要误差分类 一、与卫星有关误差卫星星历误差：轨道偏差卫星星历误差：轨道偏差卫星钟差卫星钟差相对论效应相对论效应三、观测及接收设备误差接收机钟差接收机钟差接收机噪声接收机噪声天线相位中心误差天线相位中心误差天线安置误差天线安置误差二、信号传送误差电离层延时电离层延时对流层延时对流层延时多路径效应多路径效应四、其它误差地球自转的影响地球自转的影响地球固体潮地球固体潮地球海潮地球海潮GGP P S S测测测测

2、量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用 地球表面被一层很厚的大气所包围，大气的总质量约是地球表面被一层很厚的大气所包围，大气的总质量约是地球质量的百万分之一，大气质量在垂直方向上分布不均匀，地球质量的百万分之一，大气质量在垂直方向上分布不均匀，主要集中在大气层底部，地球大气按其基本特性可分为若干主要集中在大气层底部，地球大气按其基本特性可分为若干层，但地球大气本身是一个整体，各层是密切相关的，不存层，但地球大气本身是一个整体，各层是密切相关的，不存在绝对的界限。而且按照不同的特性，可以有不同的分层方在绝对的界限。而且按照不同的特性，可以有不同的分层方法。法。GPSGPS信号传播的影响

3、分为对流层和电离层。信号传播的影响分为对流层和电离层。7.2 7.2 与信号传播有关误差与信号传播有关误差 由地面50-1000km高空中由太阳幅射造成气体电离形成电离层。电磁波信号经过电离层速度发生变化。7.2.1 7.2.1 电离层折射电离层折射GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用GPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传播路径发生变化。当便其信号的

4、传播路径发生变化。当GPS卫星处卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。大。电离层对电离层对C/A码影响码影响C/AC/A码是方波是方波 在电离层中以群速在电离层中以群速V Vg g传播传播 其速度与频率有关其速度与频率有关 电离层改正的大小电离层改正的大小主要取决于电子总量主要取决于电子总量和信号频率和信号频率GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用电离层对载波影响电离层对载波影响载波是正弦波载波是正弦波在电离层中以相速度传播在电

5、离层中以相速度传播电离层影响与太阳黑子活动有关电离层影响与太阳黑子活动有关与与卫卫星星到到接接收收机机方方向向有有关关，天天顶顶方方向向最最大大50m延迟高度角延迟高度角20时时150m延迟延迟GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用减弱电离层影响方法减弱电离层影响方法 利用双频观测利用双频观测GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用利用电离层模型加以修正（利用电离层模型加以修正（KlobacharKlobachar）KlobacharKlobachar电离离层模型模型:模型改正的有效率约为模型改正的有效率约为75 GGP P

6、 S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用利用同步观测值求差利用同步观测值求差 二站同步观测求差 电离层折射影响显著减弱 相距20km 单频机常采用的方法GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.2.2 7.2.2 对流层影响对流层影响从地面到高空40KM大气层为对流层；电磁波经过对流层会产生延迟，和温度、湿度、气压有关；天顶方向可达2.3m，高度角10o，可达13m。GGP P S S测测

7、测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用对流层改正模型对流层改正模型如如Hopfield 模型：模型：（注意各参数的单位注意各参数的单位）差分方法也可以消除差分方法也可以消除GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法：关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法：（1 1）定位精度要求不高时，可不考虑其影响。）定位精度要求不高时，可不考虑其影响。（2 2）采用对流层模型进行改正，尽可能掌握观测站周）采用对流层模型进行改正，尽可能掌握观测站周围地区的气象资料（使用水汽辐射计测定路径上水汽积累围地区的气象资料（

8、使用水汽辐射计测定路径上水汽积累量）；量）；（3 3）采用观测量求差的方法。与电离层的影响相类）采用观测量求差的方法。与电离层的影响相类似，当观测站间相距不远（似，当观测站间相距不远（20km20km）时，由于信号通过对）时，由于信号通过对流层的路径相近，对流层的物理特性相近，所以对同一卫流层的路径相近，对流层的物理特性相近，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显的减弱对流层折射的影响。星的同步观测值求差，可以明显的减弱对流层折射的影响。（4 4）完善对流层大气折射改正模型。）完善对流层大气折射改正模型。目前采用的对流层改正模型，即使使用实时测量的气象目前采用的对流层改正模型，即使使用实时测

9、量的气象资料，经过对流曾改正后的残差，仍保持在对流层影响的资料，经过对流曾改正后的残差，仍保持在对流层影响的5%5%左右。左右。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.2.3 7.2.3 多路径效应影响多路径效应影响 多路径影响多路径影响结果：果：L1载波最大可达4.8cm L2载波最大可达6.1cm 码影响可达10mGGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用目前减弱多路径效应影响的措施目前减弱多路径效应影响的措施 安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面 选择造型适宜且屏蔽良好的天线等 适当延长观测时间，削弱多路径效应的周

10、期性影响 改善GPS接收机的电路设计，为了减弱多路径效应的影响 建立适当的改正模型。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.3 7.3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差与卫星有关的误差：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GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.3 7.3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差7.3.1卫星星历误差卫星星历误差定义: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)2

11、030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GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.3 7.3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差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接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形星历误差对相对定位的影响GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.3 7.3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差解决星历误差的

12、方法：解决星历误差的方法：建立自己的卫星跟踪网独立定轨；轨道松弛法（半短弧法、短弧法）；同步观测值求差。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.3 7.3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差定义：卫星钟差包括：钟差、频偏、频漂等产生的误差应对方法模型改正钟差改正多项式其中:t0为一参考历元，a0为t0时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移（钟速），a2为钟速的变化率（老化率）。相对定位或差分定位GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用卫星钟差：7.3.3相对论效应狭义相对论效应广义相对论效应GGP P S S测测测测量量量量原原原原

13、理理理理及及及及应应应应用用用用7.3与卫星有关的误差与卫星有关的误差相对论效应GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用狭义相对论和广义相对论狭义相对论1905运动将使时间、空间和物质的质量发生变化广义相对论1915将相对论与引力论进行了统一GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论原理：时间膨胀。钟的频率与其运动速度有关。对GPS卫星钟的影响：结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用相对论效应对卫星钟的影响广义

14、相对论原理：钟的频率与其所处的重力位有关对GPS卫星钟的影响：结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用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令：令：GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用解决相对论效应对卫星钟影响的方法解决相对论效应对卫星钟影响的方法方法（分两步）：首先考虑假定卫星轨道为圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。第一步：第二步：因为：因为：GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.4.1接

15、收机钟差接收机钟差定义:GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。应对方法作为未知数处理相对定位或差分定位GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.4与接收机有关的误差与接收机有关的误差7.4与接收机有关的误差与接收机有关的误差7.4.2接收机的位置误差接收机的位置误差接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差，叫接收机的位置误差。接收机的位置误差包括：天线的置平和对中误差，量取天线高误差。7.4.3天线相位中心位置的偏差天线相位中心位置的偏差观测值是以接收机天线的相位中心位置为准的，而天线的相位中心与其几何中心，在理论上应

16、保持一致。实际上观测时相位中心的瞬时位置（一般称为相位中心）与理论上的相位中心会有所不同，这种差别叫做天线相位中心的位置偏差。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.4与接收机有关的误差与接收机有关的误差7.4.4GPS天线相位中心的偏差天线相位中心的偏差GPS天线相位中心偏差可分为水平偏差和垂直偏差两部分。GPS天线相位中心的检测方法有两种：一种是用室内微波天线测量设备测定，确定天线电气中心，从而测定天线相位中心偏差。另一种方法是在野外利用接收到的GPS卫星发播的信号，通过测定两天线间的基线向量来测定天线相位中心的偏差，即基线测量相对测定法，也称为旋转天

17、线法。GPS接收机天线相位中心在垂直方向上的偏差远远大于在水平方向上的偏差，且随着天线型号的不同而不同。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.4与接收机有关的误差与接收机有关的误差检测两个GPS天线相位中心在垂直方向上的偏差之差的方法-高差比较法。在相距几米附有强制对中装置的观测点A、B上，A、B两点的较精确的大地高已知，A、B两点的精度较低的临时大地高可以测定，分别量取它们的天线高；采用精密水准测量的方法可测定A、B两点的水准高差；因为A、B两点相距很近，可以近似地认为A、B两点的水准高差等于它们的大地高差。大地高差与水准高差之差即为GPS天线相位中心

18、在垂直方向上的偏差之差。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.5.1地球自转的影响GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.5其他误差其他误差7.5其他误差其他误差GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用7.5其他误差其他误差7.5.2地球潮汐改正地球并非是一个刚体，在太阳和月球万有引力作用下，固体地球要产生周期性的弹性形变，称为负荷潮汐，例如海潮。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。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用作业详述GPS定位的主要误差源和减弱与消除相关误差的措施?