GPS测量误差及其影响.ppt

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①►►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②►►系统误差（偏差 - Bias）§内容内容►►其它具有某种系统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①►►SPS（无SA）GPS测量误差的大小②►►SPS（有SA）GPS测量误差的大小③►►PPS，双频，P/Y-码消除或消弱各种误差影响的方法①►►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②►►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③►►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④►►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)  20～～30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，ρ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①►►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②►►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③►►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GPSGPS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①►►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②电离层折射①电离层折射②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电子密度与大气高度的关系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 Ionosphere））§ §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、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①►►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②►►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③►►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：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§ §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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①►►受多路径效应影响的情况下的接收信号多路径误差②多路径误差③►►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①►►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②►►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③►►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§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？。