gps测量的误差来源课件.ppt

GPS原理及其应用1gps测量的误差来源优秀第五章 GPS定位中的误差源§5.1 GPS测量误差分类§5.2 与GPS卫星有关的误差§5.3 与卫星信号传播有关的误差§5.4 与接受机有关的误差§5.5 其他误差来源2gps测量的误差来源优秀5.1 测量误差分类3gps测量的误差来源优秀¡与卫星有关的误差™卫星轨道误差™卫星钟差™相对论效应¡与传播途径有关的误差™电离层延迟™对流层延迟™多路径效应¡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™接收机钟差™接收机内部噪声按照GPS测量误差来源分4gps测量的误差来源优秀5gps测量的误差来源优秀 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6gps测量的误差来源优秀GPS测量误差的性质①¡偶然误差™内容¡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¡其它外部某些具有随机特征的影响™特点¡随机¡量级小 – 毫米级包括多路径效应误差和观测误差等7gps测量的误差来源优秀GPS测量误差的性质②¡系统误差（偏差 - Bias）™内容¡其它具有某种系统性特征的误差™特点¡具有某种系统性特征¡量级大 – 最大可达数百米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。

8gps测量的误差来源优秀GPS测量误差的大小①¡SPS（无SA）gps测量的误差来源优秀GPS测量误差的大小②¡SPS（有SA）10gps测量的误差来源优秀GPS测量误差的大小③¡PPS，双频，P/Y-码11gps测量的误差来源优秀消除或消弱各种误差影响的方法①¡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解，能建立理论或经验公式™所针对的误差源¡相对论效应¡电离层延迟¡对流层延迟¡卫星钟差™限制：有些误差难以模型化12gps测量的误差来源优秀消除或消弱各种误差影响的方法②¡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关性™所针对的误差源¡电离层延迟¡对流层延迟¡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13gps测量的误差来源优秀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，将系统性偏差求定出来™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14gps测量的误差来源优秀消除或消弱各种误差影响的方法④¡回避法™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；具有特殊的设备。

™所针对的误差源¡电磁波干扰¡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15gps测量的误差来源优秀5.2 与GPS卫星有关的误差1、GPS卫星星历误差 由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约20-40m随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，卫星的位置精度将可提高到5-10m卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一16gps测量的误差来源优秀 卫星轨道偏差对绝对定位的影响可达几十米到一百米而在相对定位中，由于相邻测站星历误差具有很强的相关性，因此对相对定位的影响远远低于对绝对定位的影响，不过，随着基线距离的增加，卫星轨道偏差引起的基线误差将不断加大GPS卫星到地面观测站的最大距离约为25000km，如果基线测量的允许误差为1cm，则当基线长度不同时，允许的轨道误差大致如下表所示从表中可见，在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素基线长度基线相对误差容许轨道误差1.0km1010-6250.0m10.km110-625.0m100.0km0.110-62.5m1000.0km0.0110-60.25m17gps测量的误差来源优秀在GPS定位中，根据不同要求，处理轨道误差的方法原则上有三种；Ø忽略轨道误差：广泛用于实时单点定位。

Ø采用轨道改进法处理观测数据：卫星轨道的偏差主要由各种摄动力综合作用而产生，摄动力对卫星6个轨道参数的影响不相同，而且在对卫星轨道摄动进行修正时，所采用的各摄动力模型精度也不一样因此在用轨道改进法进行数据处理时，根据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法和半短弧法18gps测量的误差来源优秀短弧法：引入全部6个轨道偏差改正，作为待估参数，在数据处理中与其它待估参数一并求解可明显减弱轨道偏差影响，但计算工作量大半短弧法：根据摄动力对轨道参数的不同影响，只对其中影响较大的参数，引入相应的改正数作为待估参数据分析，目前该法修正的轨道偏差不超过10m，而计算量明显减小Ø同步观测值求差：由于同一卫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利用两个或多个观测站上对同一卫星的同步观测值求差，可减弱轨道误差影响当基线较短时，有效性尤其明显，而对精密相对定位，也有极其重要意义19gps测量的误差来源优秀2、卫星钟差¡包括系统性误差（如钟差、钟速、频飘等偏差），也包括随机误差¡应对方法™ 模型改正钟差改正多项式 其中a0为ts时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，a2为老化率™ 相对定位或差分定位20gps测量的误差来源优秀3、相对论效应¡狭义相对论效应¡广义相对论效应21gps测量的误差来源优秀相对论效应对卫星钟的影响①¡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22gps测量的误差来源优秀相对论效应对卫星钟的影响②¡广义相对论™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23gps测量的误差来源优秀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＋广义相对论令：令：24gps测量的误差来源优秀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：25gps测量的误差来源优秀5、3与卫星信号传播有关的误差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。

26gps测量的误差来源优秀2、对流层的影响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27gps测量的误差来源优秀3、多路径效应也称多路径误差，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采取措施：•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28gps测量的误差来源优秀29gps测量的误差来源优秀5.4与接收机有关的误差1、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30gps测量的误差来源优秀 GPS接收机一般采用石英钟，假如接收机钟与卫星钟的同步误差为1μs，则相应的测距误差约为300m 在相对定位中可采用双差观测量以消除或削弱接收机钟差的影响也可通过在每一历元引入一个接收机钟差未知数，通过平差系统估计出接收机钟差的值，但这显然会大大增加待估未知数的个数还可象处理卫星钟差的办法，用多项式来模拟接收机钟差，以减少待估参数的个数31gps测量的误差来源优秀2、观测误差观测误差：除分辨误差外，还包括接收天线相对测站点的安置误差分辨误差一般认为约为信号波长的1%安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线相位中心高度（天线高）误差例如当天线高1.6m ,置平误差0.10，则对中误差为2.8mm32gps测量的误差来源优秀码相位与载波相位的分辨误差信号波长观测误差P码29.3m0.3mC/A码293m2.9m载波L119.05cm2.0mm载波L224.45cm2.5mm33gps测量的误差来源优秀3、载波相位观测的整周未知数 信号的遮挡或强外电磁源的影响会引起相位跟踪时整周计数器计数出现差错，即周跳现象。

34gps测量的误差来源优秀4、天线的相位中心偏差天线的相位中心与其几何中心的偏差称为天线相位中心偏差GPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致实际上，随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，同时与天线的质量有关，可达数毫米至数厘米如何减小相位中心的偏移，是天线设计的一个迫切问题处理办法：在相对定位中可通过使用同类型的天线并且使每次测量的天线处于固定方向（如指向磁北）来减弱天线相位中心偏差的影响35gps测量的误差来源优秀5、5 其他误差1、地球自转的影响当卫星信号传播到观测站时，与地球相固联的协议地球坐标系相对卫星的瞬时位置已产生旋转（绕Z轴）若取为地球的自转速度，则旋转的角度为=ij ij为卫星信号传播到观测站的时间延迟由此引起卫星在上述坐标系中坐标的变化为：36gps测量的误差来源优秀2、地球潮汐改正37gps测量的误差来源优秀。