《符合教材》第四章-GPS测量误差分析概述.ppt

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1、甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析1甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析2利用利用利用利用GPSGPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。进行定位时，会受到各种各样因素的影响。进行定位时，会受到各种各样因素的影响。进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响影响影响影响GPSGPS定位精度的因素可分为四大类。这些因素主要定位精度的因素可分为四大类。这些因素主要定位精度的因素可分为四大类。这些因素主要定位精度的因素可分为四大类。这些因素主要影响电磁波传播时间的测量和卫星精确位置的获得，误影响电磁波传播时间的测量和卫星精确位置的获得

2、，误影响电磁波传播时间的测量和卫星精确位置的获得，误影响电磁波传播时间的测量和卫星精确位置的获得，误差通过测量平差方程传播给差通过测量平差方程传播给差通过测量平差方程传播给差通过测量平差方程传播给GPSGPS定位结果，所谓精密定定位结果，所谓精密定定位结果，所谓精密定定位结果，所谓精密定位，就是利用各种模型，估算出下面列出的各种误差位，就是利用各种模型，估算出下面列出的各种误差位，就是利用各种模型，估算出下面列出的各种误差位，就是利用各种模型，估算出下面列出的各种误差（大部分），这是（大部分），这是（大部分），这是（大部分），这是GPSGPS应用的前沿课题。应用的前沿课题。应用的前沿课题。应用

3、的前沿课题。误差来源误差来源误差分类误差分类GPS卫星卫星卫星星历误差；卫星星历误差；卫星钟误差；卫星钟误差；相对论效应相对论效应信号传播信号传播电离层折射误差；电离层折射误差；对流层折射误差；对流层折射误差；多路径效应多路径效应接收设备接收设备接收机钟误差；接收机钟误差；接收机位置误差；接收机位置误差；天线相位中心变化天线相位中心变化其他其他地球潮汐；地球潮汐；负荷潮等负荷潮等甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析3甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析4|卫星星历误差卫星星历误差|卫星钟差卫星钟差|相对论效应相对论效应甘甘林林院院

4、测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析5 在进行在进行GPS定位时，计算在某时刻定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。置有所差异，这就是所谓的星历误差。|广播星历广播星历根据美国根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行控制中心跟踪站的观测数据进行外推，通过外推，通过GPS卫星发播的一种预报星历。卫星发播的一种预报星历。|实测星历实测

5、星历根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度。完善程度。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析6 2 2）星历误差对定位的影响星历误差对定位的影响单点定位：单点定位：星历误差的径向分量作为等价测距误差进入平差计算，星历误差的径向分量作为等价测距误差进入平差计算，配赋到星站坐标和接收机钟差改正数中去，具体配赋方式则配赋

6、到星站坐标和接收机钟差改正数中去，具体配赋方式则与卫星的几何图形有关。与卫星的几何图形有关。相对定位：相对定位：利用两站的同步观测资料进行相对定位时，由于星历误利用两站的同步观测资料进行相对定位时，由于星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以在求坐标差时，共差对两站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，从而获得高精度的相对坐标。根据一同的影响可自行消去，从而获得高精度的相对坐标。根据一次观测的结果，可以导出星历误差对定位影响的估算式为：次观测的结果，可以导出星历误差对定位影响的估算式为：由卫星星历误差所引起的基线误差由卫星星历误差所引起的基线误差基线长基线长卫星星历

7、误差卫星星历误差卫星至测站的距离卫星至测站的距离甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析7a.a.同步观测值求差：同步观测值求差：因为在相对定位中，同一卫因为在相对定位中，同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响具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，所以对两个或多个观测站对同一卫星有系统性，所以对两个或多个观测站对同一卫星的同步观测值求差可以减弱星历误差的影响。的同步观测值求差可以减弱星历误差的影响。b.b.轨道松弛法：轨道松弛法：在平差模型中把卫星星历给出的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，卫星轨道视为初始

8、值，将其改正数作为未知数，通过平差同时求得测站位置及轨道改正数的方法。通过平差同时求得测站位置及轨道改正数的方法。c.c.建立卫星跟踪网独立定轨。建立卫星跟踪网独立定轨。3 3）削弱星历误差的方法：削弱星历误差的方法：甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析8 卫星钟差是卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟卫星上所安装的原子钟的钟面时与的钟面时与GPS标准时间的误差。标准时间的误差。卫星钟采用的是卫星钟采用的是GPS时，但尽管时，但尽管GPS卫星均设卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），它们与理想的有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），它们与理想的GPS时之间仍存在着难

9、以避免的频率偏差或频率漂时之间仍存在着难以避免的频率偏差或频率漂移，也包含钟的随机误差。这些偏差总量在移，也包含钟的随机误差。这些偏差总量在1ms以以内，由此引起的等效距离可达内，由此引起的等效距离可达300km。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析9 式中式中t t0 0为一参考历元，系数为一参考历元，系数a a0 0、a a1 1、a a2 2分别表示钟在分别表示钟在t t0 0时刻时刻的钟差、钟速及钟速的变率。这些数值由卫星的地面控制的钟差、钟速及钟速的变率。这些数值由卫星的地面控制系统根据前一段时间的跟踪资料和系统根据前一段时间的跟踪资料和GPSGPS标

10、准时推算出来，标准时推算出来，并通过卫星的导航电文提供给用户。并通过卫星的导航电文提供给用户。卫星钟差可通过下式得到改正：卫星钟差可通过下式得到改正：经上述钟差改正后，各卫星钟之间的同步差可经上述钟差改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在保持在20ns20ns以内，由此引起的等效距离偏差不超过以内，由此引起的等效距离偏差不超过6m6m。卫星钟差或经改正后的残差，在相对定位中可。卫星钟差或经改正后的残差，在相对定位中可通过差分法在一次求差中得到消除。通过差分法在一次求差中得到消除。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析10 相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不

11、同而相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟差的现象。相对论引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟差的现象。相对论效应主要取决于卫星的运动速度和重力位，并且是以卫星钟效应主要取决于卫星的运动速度和重力位，并且是以卫星钟误差的形式出现误差的形式出现。狭义相对论观点狭义相对论观点一个频率为一个频率为f0的振荡器安装在飞行速的振荡器安装在飞行速度为度为v的的载体上，由于载体的运动，对地面观测者来说将产载体上，由于载体的运动，对地面观测者来说将产生频率变化。生频率变化。说明从地面观测，卫星钟走得慢，影响电磁波传播时间的说明从地面观测，卫星钟走得慢，影响电磁波传

12、播时间的测定。测定。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析11广义相对论观点广义相对论观点处于不同等位面的振荡器，其处于不同等位面的振荡器，其频率将由于引力位不同而发生变化。频率将由于引力位不同而发生变化。事实上相对论效应的影响并非常数，所以经改正后仍有残事实上相对论效应的影响并非常数，所以经改正后仍有残差，它对差，它对GPSGPS时的影响最大可达时的影响最大可达70ns70ns，对精密定位仍不可忽略。，对精密定位仍不可忽略。说明由于相对论效应的影响，使一台钟放到高速运行的卫说明由于相对论效应的影响，使一台钟放到高速运行的卫星后其频率比在地面时增加了星后其频率比在

13、地面时增加了，所以最简单的，所以最简单的解解决办法决办法是在制造卫星钟时预先把频率降低是在制造卫星钟时预先把频率降低。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析12电离层折射电离层折射对流层折射对流层折射多路径误差多路径误差甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析13 电离层是高度位于电离层是高度位于50km至至1000km之间的大气层。由于之间的大气层。由于太阳的强烈辐射，电离层中的部分气体分子将被电离形成大太阳的强烈辐射，电离层中的部分气体分子将被电离形成大量的自由电子和正离子。当电磁波信号穿过电离层时，信号量的自由电子和正离子。当电磁

14、波信号穿过电离层时，信号的路径会产生弯曲（但对测距的影响很微小，一般可不顾及）的路径会产生弯曲（但对测距的影响很微小，一般可不顾及），传播速度会发生变化（其中自由电子起主要作用）。所以，传播速度会发生变化（其中自由电子起主要作用）。所以用信号的传播时间乘上真空中的光速而得到的距离就会不等用信号的传播时间乘上真空中的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。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。对于对于GPS信号来讲，这种距离差在天顶方向最大可达信号来讲，这种距离差在天顶方向最大可达50m（太阳黑子活动高峰年（太阳黑子活动高峰年11月份的白天）

15、，在接近地平方向时月份的白天），在接近地平方向时（高度角为（高度角为20时）则可达时）则可达150m。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析14电子密度电子密度若在测码伪距测量中测得信号得传播时间为若在测码伪距测量中测得信号得传播时间为 ，则卫星至，则卫星至接收机的真正距离接收机的真正距离S S为：为：电离层改正项电离层改正项信号传播路径信号传播路径S的电子总量的电子总量甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析15 电离层影响具有以下三大特性：电离层影响具有以下三大特性：.扩散性：指它的折射系数是电磁波频率的函数。扩散性：指它的折射系数

16、是电磁波频率的函数。.互补性：指它对码相位观测值和载波相位观测互补性：指它对码相位观测值和载波相位观测值的影响偏差大小相等，符号相反。值的影响偏差大小相等，符号相反。载波相位观测：载波相位观测：测码伪距观测：测码伪距观测：式中：式中：d dionion为电离层改正，为电离层改正，C C为真空中的光速，为真空中的光速，f f为信号的频率为信号的频率(H(Hz z)，N Ne e为电子密度，为电子密度，表示沿着表示沿着信号传播路径信号传播路径S S对电子密度对电子密度N Ne e进行积分，即电子总进行积分，即电子总量量(在天顶方向最小在天顶方向最小,地平方向最大地平方向最大)。.瞬变性：指它对瞬变

17、性：指它对GPSGPS测量的影响随时间、地点、测量的影响随时间、地点、季节和年代等而发生较大变化。季节和年代等而发生较大变化。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析16a.利用双频观测：利用双频观测：由以上电离层改正公式可知，由以上电离层改正公式可知，电磁波通过电离层所产生的折射改正数与电磁波电磁波通过电离层所产生的折射改正数与电磁波的频率的平方成反比，如果分别用两个不同频率的频率的平方成反比，如果分别用两个不同频率的载波来发射卫星信号，这两个信号就将沿着同的载波来发射卫星信号，这两个信号就将沿着同一路径到达接收机，虽然电子总量无法准确知道，一路径到达接收机，虽然

18、电子总量无法准确知道，但对两个频率来说是相同的，所以最后可以求得但对两个频率来说是相同的，所以最后可以求得电离层折射改正电离层折射改正(测码伪距观测测码伪距观测)或两个改正项的或两个改正项的相互关系相互关系(载波相位观测载波相位观测)。双频接收机正是利用。双频接收机正是利用该原理有效地削弱了电离层的影响该原理有效地削弱了电离层的影响,所以其定位精所以其定位精度比单频接收机高。度比单频接收机高。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析17则对于同一台接收机来说，用调制在两个不同频率载波上则对于同一台接收机来说，用调制在两个不同频率载波上的测距码测得的站星伪距分别为的测

19、距码测得的站星伪距分别为 :利用载波相位观测时的改正符号与其相反，且要引入利用载波相位观测时的改正符号与其相反，且要引入N N0 0。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析18电子密度与大气高度的关系电子密度与大气高度的关系甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析19b.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：对于单：对于单频频GPS接收机的用户，为了减弱电离层的接收机的用户，为了减弱电离层的影响，一般采用由导航电文所提供的电离影响，一般采用由导航电文所提供的电离层模型，或其它适宜的电离层模型对观测层模型，或其它适宜的电离

20、层模型对观测量加以改正。但是，实测资料表明，目前量加以改正。但是，实测资料表明，目前模型改正大体上只能消除电离层折射影响模型改正大体上只能消除电离层折射影响的的75%左右。左右。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析20|BentBent模型模型z由美国的由美国的R.B.BentR.B.Bent提出提出z描述电子密度描述电子密度z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 IRI International International Reference IonosphereRe

21、ference Ionosphere）z由国际无线电科学联盟（由国际无线电科学联盟（URSI URSI International International Union of Radio ScienceUnion of Radio Science）和空间研究委员会）和空间研究委员会（COSPAR-Committee on Space ResearchCOSPAR-Committee on Space Research）提出）提出z描述高度为描述高度为50km-2000km50km-2000km的区间内电子密度、电的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等子温度、电离层温度、电离层

22、的成分等z以地点、时间、日期等为参数以地点、时间、日期等为参数电离层改正的经验模型简介电离层改正的经验模型简介甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析21|KlobucharKlobuchar模型模型z由美国的由美国的J.A.KlobucharJ.A.Klobuchar提出提出z描述电离层的时延描述电离层的时延z广泛地用于广泛地用于GPSGPS导航定位中导航定位中zGPSGPS卫星的导航电文中播发其模卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用型参数供用户使用甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析22c.c.利用同步观测值求差：利用同步观测

23、值求差：该方法是利用两台或多该方法是利用两台或多台接收机对同一组卫星的同步观测值求差，以减台接收机对同一组卫星的同步观测值求差，以减弱电离层折射的影响，尤其是当观测站的距离较弱电离层折射的影响，尤其是当观测站的距离较近时近时(如如20km)20km)，由于卫星信号到达不同观测站的，由于卫星信号到达不同观测站的传播路程的大气状况很相似，因此通过不同观测传播路程的大气状况很相似，因此通过不同观测站对相同卫星的同步观测值求差更能显著地减弱站对相同卫星的同步观测值求差更能显著地减弱电离层折射影响，改正后其残差一般为电离层折射影响，改正后其残差一般为1ppm1ppmD.D.所以在所以在GPSGPS测量中

24、测量中,对于短距离的相对定位，使用对于短距离的相对定位，使用单频接收机也能达到较高的精度，但随着基线的单频接收机也能达到较高的精度，但随着基线的增长，其精度会明显下降。所以单频接收机的精增长，其精度会明显下降。所以单频接收机的精度会受到测程的限制。度会受到测程的限制。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析23d.d.采用具有采用具有CCDCCD技术的单频接收机：技术的单频接收机：CCDCCD技术是技术是“码码/载波相位扩散技术载波相位扩散技术”的简称，由美国学者的简称，由美国学者B.WB.W雷蒙迪在雷蒙迪在19931993年首先提出。该技术的原理年首先提出。该技术

25、的原理是利用电离层的互补特性即它对测码伪距观测值是利用电离层的互补特性即它对测码伪距观测值和载波相位观测值影响的偏差大小相等，符号相和载波相位观测值影响的偏差大小相等，符号相反。从而将这两种观测值进行加权组合，以削弱反。从而将这两种观测值进行加权组合，以削弱电离层的影响。该技术在电离层的影响。该技术在19941994年成功地用于实践，年成功地用于实践，在边长为在边长为300km300km时得出的定位精度达到了时得出的定位精度达到了(13)(13)1ppm1ppmD D。此后一些公司的单频接收机先后采用。此后一些公司的单频接收机先后采用了该技术，已能将单频接收机的测程从了该技术，已能将单频接收机

26、的测程从20km20km急剧急剧的扩大到的扩大到100300km100300km。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析24e.选择最佳观测时间：选择最佳观测时间：由于电离层对由于电离层对GPS测量的影响随时间，地点，季节和年代等测量的影响随时间，地点，季节和年代等而发生较大变化而发生较大变化(瞬变性瞬变性)。实测资料表明，。实测资料表明，电离层对电离层对GPS测量的影响白天比夜间大测量的影响白天比夜间大5倍左右，每年倍左右，每年11月比月比7月大月大4倍左右。所以倍左右。所以要尽量避开在每天要尽量避开在每天1214时观测，在夜间时观测，在夜间观测最好。此外，在太

27、阳黑子活动高峰期观测最好。此外，在太阳黑子活动高峰期也不宜观测。也不宜观测。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析25 由于地球周围的对流层由于地球周围的对流层(高度在高度在40km以下的大气层以下的大气层)对电磁波的折射效应，使对电磁波的折射效应，使得得GPS信号的传播速度发生变化，这种信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。变化称为对流层延迟。由于其大气密度由于其大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂，且比电离层更大，大气状态也更复杂，且它的折射与地面气候、大气压力它的折射与地面气候、大气压力、温度、温度和湿度变化都密切相关，所以对流层折和湿度变化都密

28、切相关，所以对流层折射比电离层折射更复杂。射比电离层折射更复杂。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析26|对流层延迟的对流层延迟的90%是由大气中干是由大气中干燥气体引起的，称为燥气体引起的，称为干分量干分量；其；其余余10%是由水汽引起的，称为是由水汽引起的，称为湿湿分量分量。由于大气层中的水汽分布。由于大气层中的水汽分布在时间和空间上变化很大，其折在时间和空间上变化很大，其折射误差很难准确预测，所以射误差很难准确预测，所以湿分湿分量成为限制对流层延迟改正精度量成为限制对流层延迟改正精度的主要因素。的主要因素。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量

29、量误误差差分分析析27对流层对信号的影响与信号的高度角有关，对流层对信号的影响与信号的高度角有关，在天顶方向，信号穿过对流层的路线最短，其在天顶方向，信号穿过对流层的路线最短，其时延值约为时延值约为2.3m2.3m，随着天顶距的增加，时延也，随着天顶距的增加，时延也加大，在地面方向最大，约为加大，在地面方向最大，约为20m20m。这对于这对于GPSGPS导航和低精度定位而言可以满足其精度要导航和低精度定位而言可以满足其精度要求，所以此时可以不考虑该项误差。但对高、求，所以此时可以不考虑该项误差。但对高、中精度的定位测量而言，则必须顾及对流层误中精度的定位测量而言，则必须顾及对流层误差，尤其是它

30、对垂直分量影响较大，差，尤其是它对垂直分量影响较大，如果对流如果对流层天顶时延有层天顶时延有1cm1cm的误差，则将导致垂直分量的误差，则将导致垂直分量产生产生3cm3cm的误差。的误差。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析28削弱方法削弱方法:a.采用对流层模型加以改正采用对流层模型加以改正：一般有：一般有Hopfield模型、模型、Saastamoinen模型和模型和Black模型等。如果用同一套气象数据，模型等。如果用同一套气象数据，用上述三种模型求得的天顶方向的对流层延迟的相互较差，用上述三种模型求得的天顶方向的对流层延迟的相互较差，一般仅为几个毫米。但

31、理论分析和实践证明，目前不管是一般仅为几个毫米。但理论分析和实践证明，目前不管是哪种模型，都难以将对流层的影响减少到哪种模型，都难以将对流层的影响减少到92%95%。b.引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一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解。并求解。c.利用同步观测量求差利用同步观测量求差(原理和削弱电离层相同原理和削弱电离层相同)：同样该法同样该法也只适用于短基线也只适用于短基线(100km时，对流层时，对流层误差是制约误差是制约GPS定位精度提高的重要因素。定位精度提高的重要因素。d.利用水汽辐射计直接测定对流层对信号传播的影响。利用水汽辐射计直接测定对流层

32、对信号传播的影响。此法此法求得的对流层折射湿分量的精度可优于求得的对流层折射湿分量的精度可优于1cm。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析29大气延迟对大气延迟对GPSGPS定位的影响定位的影响甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析30 由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有反射和折射信号的影响，收到的卫星信号中还包含有反射和折射信号的影响，使信号产生延迟甚至使波形发生扭曲、失锁、周跳使信号产生延迟甚至使波形发生扭曲、失锁、周跳等，从而产生误差，这就是所谓的多路径效应

33、。如等，从而产生误差，这就是所谓的多路径效应。如下图所示。下图所示。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析31甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析32甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析33 自美国政府于自美国政府于2000年年5月月1日取消日取消SA政策政策后，影响后，影响GPS接收机精度的接收机精度的最主要因素就是最主要因素就是多路径效应。多路径效应。根据大量资料的分析研究，当根据大量资料的分析研究，当基线小于基线小于10km时，时，GPS定位的主要误差是天定位的主要误差是天线的对中误差和多路径误

34、差。对中误差可以线的对中误差和多路径误差。对中误差可以人为地减小到人为地减小到13mm，而多路径误差在一，而多路径误差在一般情况下为般情况下为15cm，在高反射条件下（如，在高反射条件下（如城镇、山坡、河流、湖泊、海洋、沙滩等）城镇、山坡、河流、湖泊、海洋、沙滩等）可达可达19cm。在一般反射环境下，多路径效。在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达米级，对载波相位应对测码伪距的影响可达米级，对载波相位观测的伪距影响可达厘米级。观测的伪距影响可达厘米级。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析34直接信号和反射信号之间的相位差直接信号和反射信号之间的相位差:

35、卫星高度角。卫星高度角。减弱因子。减弱因子。载波频率的波长。载波频率的波长。天线高出地面点的高度。天线高出地面点的高度。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析35 削弱方法：削弱方法：|a.选点时要尽量避开高反射体，如垂直面、平面、选点时要尽量避开高反射体，如垂直面、平面、斜面、水体等。斜面、水体等。选设点位时应远离大面积平静的水面；选设点位时应远离大面积平静的水面；测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。测站附近不应有高层测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。测站附近不应有高层建筑物，观测时测站附近也不要停放汽车；较好的站址可建筑物，观测时测站附近也不要停放汽车；较好的站址可

36、选在地面有草丛、农作物等植被能较好吸收微波信号的能选在地面有草丛、农作物等植被能较好吸收微波信号的能量的地方。量的地方。|b.尽量选用能削弱多路径效应的天线。尽量选用能削弱多路径效应的天线。如具有如具有Pinwheel技术的天线（技术的天线（Pinwheel技术在中文里又叫技术在中文里又叫“风火轮风火轮技术技术”，它采用，它采用12个馈源来稳定接收信号的相位，使得个馈源来稳定接收信号的相位，使得L1和和L2的波段的相位中心相重合的波段的相位中心相重合,相位中心和物理中心的两个相位中心和物理中心的两个点相重合点相重合,从而使接收信号的相位偏差几乎为从而使接收信号的相位偏差几乎为0，大大提高了，大

37、大提高了GPS天线的接收性能）、天线的接收性能）、扼流圈天线（阻断较低高度角的扼流圈天线（阻断较低高度角的卫星信号和多路径信号）或具有抑径板的天线（隔断反射卫星信号和多路径信号）或具有抑径板的天线（隔断反射物反射的低于天线的多路径信号）等物反射的低于天线的多路径信号）等。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析36|c.适当延长观测时间，以削弱多路径效应的适当延长观测时间，以削弱多路径效应的周期性影响。周期性影响。多路径效应的影响，一般包括多路径效应的影响，一般包括常数部分和周期性部分，其中常数部分在同常数部分和周期性部分，其中常数部分在同一地点会日复一日的重复出现

38、。一地点会日复一日的重复出现。|d.通过改进跟踪环路削弱多路径通过改进跟踪环路削弱多路径。该方法是该方法是对接收机内部跟踪环路进行改进来削弱多路对接收机内部跟踪环路进行改进来削弱多路径，主要方法有：径，主要方法有：甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析37 1接收机钟差接收机钟差 接收机钟差是接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准标准时之间的差异。时之间的差异。GPS接收机一般采用高精度的石英钟，若接接收机一般采用高精度的石英钟，若接收机钟与卫星钟间的同步差为收机钟与卫星钟间的同步差为1s，则由此引起的等效距离误，则由此引

39、起的等效距离误差为差为300m。削弱方法：削弱方法：a.把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，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。在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。b.和卫星钟差一样，将接收机钟差也表示为多项式形式，和卫星钟差一样，将接收机钟差也表示为多项式形式，并在观测量的平差计算中求解多项式的系数，从而构建接收并在观测量的平差计算中求解多项式的系数，从而构建接收机钟差模型。机钟差模型。c.通过对同一测站观测到的不同卫星间求差来消除接收机通过对同一测站观测到的不同卫星间求差来消除接收机的钟差（如载波相位观测中的双差观测方程）

40、。的钟差（如载波相位观测中的双差观测方程）。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析38 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，接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差，叫接收机位置误差。这里包括了天线的对中误差和整平误叫接收机位置误差。这里包括了天线的对中误差和整平误差以及量取天线高误差。因此，在精密定位时必须仔细操差以及量取天线高误差。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。强制对中装置的观测墩。3、天

41、线相位中心位置的偏差、天线相位中心位置的偏差 接收机天线相位中心偏差是接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。这种偏差的影响，位中心与其真实的相位中心之间的差异。这种偏差的影响，可达数毫米至厘米。在实际工作中，如果使用同一类型的可达数毫米至厘米。在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个测站上同步观测了同一组天线，在相距不远的两个或多个测站上同步观测了同一组卫星，那么就可以通过观测值求差来削弱相位中心偏移的卫星，那么就可以通过观测值求差来削弱相位中心偏移的影响。此时要求各测站的天线应按天线附有的方位标进行影响。此时

42、要求各测站的天线应按天线附有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。通常定向偏差应保持在定向，使之根据罗盘指向磁北极。通常定向偏差应保持在3以内。以内。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析391、地球自转的影响、地球自转的影响 当卫星信号传播到观测站时，而与地球相固连的协议当卫星信号传播到观测站时，而与地球相固连的协议地球坐标系相对卫星的上述瞬时位置以饶地球坐标系相对卫星的上述瞬时位置以饶Z轴产生了旋轴产生了旋转，从而产生了微小的误差。转，从而产生了微小的误差。2、GPS控制部分人为或计算机造成的影响控制部分人为或计算机造成的影响 由于由于GPS控制部分的问题

43、或用户在进行数据处理时引控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。入的误差等。3、数据处理软件的影响、数据处理软件的影响数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析404、地球潮汐改正、地球潮汐改正 因为地球并非是一个刚体，所以在太阳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，称为周期性的弹性形变，称为固体潮固体潮。此外，在。此外，在日月引力的作用下，地球上的负荷也将发生日月引力的作用下，地球上的

44、负荷也将发生周期性的变动，使地球产生周期的形别，称周期性的变动，使地球产生周期的形别，称为为负荷潮汐负荷潮汐，如海潮。固体潮和负荷潮汐引，如海潮。固体潮和负荷潮汐引起的测站位移可达起的测站位移可达80cm，使不同时间的测，使不同时间的测量结果互不一致，在高精度相对定位时应考量结果互不一致，在高精度相对定位时应考虑其影响（构造位移模型）。虑其影响（构造位移模型）。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析41甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析42观测卫星的几何分布及其对观测卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响绝对定位精度的影响决定GP

45、S绝对定位精度的两个因素是：（1）所测卫星在空间的几何分布（卫星分布的几何图形）。（2）观测量的精度。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析43以测码伪距为观测量，进行动态绝对定位时，根据测码伪距方程可以得到在空间直角坐标系中权系数阵为或：绝对定位精度的评价绝对定位精度的评价甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析44对于大地坐标系中相应点位坐标的权系数阵为：对于大地坐标系中相应点位坐标的权系数阵为：对于大地坐标系中相应点位坐标的权系数阵为：对于大地坐标系中相应点位坐标的权系数阵为：甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误

46、误差差分分析析45为伪距测量中误差。根据不同要求，可采用不同的精度评价模型和相应的精度因子：平面位置精度因子HDOP（Horizontal DOP)：相应平面精度。高程精度因子VDOP(Vertical DOP)：相应的高程精度。空间位置精度因子PDOP(Position DOP)：相应的三维定位精度。接收机钟差精度因子TDOP（Time DOP)：钟差精度。几何精度因子GDOP（Geometric DOP）：描述空间位置误差 和时间误差综合影响的精度因子。在导航学中，估算未知参数解的精度，一般采用有关精度因子DOP（Dilution of precision）的概念，其定义为：甘甘林林院院测

47、测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析46几种精度因子的计算公式：几种精度因子的计算公式：几种精度因子的计算公式：几种精度因子的计算公式：平面位置精度因子HDOP：高程精度因子VDOP：空间位置精度因子PDOP：接收机钟差精度因子TDOP：几何精度因子GDOP：甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析47卫星选择原则卫星选择原则由观测站与4颗卫星构成六面体，设其体积为V所以，原则上应在可测卫星中，选择各种可能的4颗卫星的组合来计算相应的GDOP（或PDOP），并选取其中GDOP（或PDOP）为最小的一组卫星进行观测和计算。1.卫星高度角的控制。2.卫

48、星所构成的空间图形使其GDOP值最小。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析48GPS接收机载体航速的测定接收机载体航速的测定设历元 测定载体的实时位置分别为：其运动速度可表示为：甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析49GPS测时测时利用GPS测时，目前主要有两种方法 （1）单站单机测时法甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析50（2）共视法）共视法原理：在两个观测站上各设一台GPS接收机，并同步观测同 一卫星，来测定两用户时钟的相对偏差，从而达到高精度时间比对目的。设两观测站 和 ，于历元t同步观测卫

49、星 ，则可以求得伪距分别为：甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析51将两式相减将两式相减甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析52GPS相对定位相对定位|相对定位z在两个或若干个测量站上，设置GPS接收机，同步跟踪观测相同的GPS卫星，测定它们之间的相对位置z在相对定位中，至少其中一点或几个点的位置是已知的，即其在WGS84坐标系的坐标为已知，称之为基准点。|卫星的星历误差，卫星钟差、接收机钟差和电离层、对流层延迟误差，对同一颗卫星的两站观测值的影响是相同的或基本相同z通过相对定位可有效地消除或减弱这些误差的影响，提高定位精度。甘甘林林院院测测绘绘工工程程系系GPSGPS测测量量误误差差分分析析53GPS相对定位相对定位|相对定位是高精度定位的基本方法z广泛应用于高精度大地控制网、精密工程测量、地球动力学、地震监测网和导弹和火箭弹道测量等方面|相对定位有两类解算方法：z一是用直接观测值组成定位观测误差方程、法方程，一并解算出两点间的相对位置；z另一类方法是将直接观测值进行不同的线性组合，构成虚拟观测值，由虚拟观测值组成相应的观测误差方程，进行相对定位解算。