GPS測量的誤差影響及其對策

1、第四章GPS測 量的誤差影響及其對策第一節(jié)GPS測量誤差的來源及分類 第二節(jié)與GPSE星有關的誤差學時：2學時目的、要求：1、GPSW量誤差的來源與分類2、與GPS衛(wèi)星有關的誤差教學內(nèi)容概述:一、GPS測量誤差的來源及分類1 GPS測量誤差的來源GPS測量是接收衛(wèi)星播發(fā)的信息來確定點三維坐標。影響測量結(jié)果的誤差來源于 GPSE星、衛(wèi)星信號傳播過程和地面接收設備。在高精度的 GPS測量中，還應考慮與地 球整體運動有關的地球潮汐、相對論效應等，如圖主要影響因素所示。在研究誤差對 GPS測量的影響時，往往將誤差化算為衛(wèi)星至觀測站的距離，以相應的距離誤差表示， 稱為等效距離誤差。2 GPS測量誤差的分

2、類按誤差性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差與偶然誤差兩類。偶然誤差主要包括信號的多路徑效應、 天線姿態(tài)誤差等，系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星的星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及大氣 折射的誤差等。其中系統(tǒng)誤差無論從誤差的大小還是對定位結(jié)果的危害性講都比偶然誤 差要大得多，它是GPS測量的主要誤差源。同時，系統(tǒng)誤差有一定的規(guī)律可循，可采取 一定的措施加以消除。如建立誤差改正模型對觀測值進行改正，或選擇良好的觀測條件， 采用恰當?shù)挠^測方法等。下面分別討論GPSM量中衛(wèi)星本身、信號傳播及信號接收等誤差對定位的影響及其對策。二、與GPSS星有關的誤差1衛(wèi)星星歷誤差GPSE星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷所提供的衛(wèi)星空間位置與實際位置的偏

3、差。由于衛(wèi) 星的空間位置是由地面監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星測軌結(jié)果計算而得，因此也稱衛(wèi)星軌道誤差。 衛(wèi)星星歷是GPSE星定位中的重要數(shù)據(jù)，衛(wèi)星星歷誤差將嚴重影響單點定位的精度，也 是精密相對定位中的主要誤差來源之一。1.1星歷誤差的來源GPSE星星歷的數(shù)據(jù)有廣播星歷（預報星歷）和精密星歷（實測星歷）兩種。在進行 GPS定位時，計算在某時刻GPSE星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)都是通過這二類星歷提供 的，但不論采用哪種類型的星歷，所計算出的衛(wèi)星位置都會與其真實位置有所差異，這 就是所謂的星歷誤差。以下分別介紹廣播星歷的誤差和精密星歷的誤差來源。1）廣播星歷的誤差廣播星歷是衛(wèi)星導航電文中所攜帶的衛(wèi)星空間位置信息。

4、它是根據(jù)美國GPS空制中心跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)進行外推預算，由地面注入站發(fā)送給GPSE星，再通過GPS衛(wèi)星向地面發(fā)播的一種預報星歷。由于衛(wèi)星在運行中受到多種攝動力的影響，目前單靠地面監(jiān) 測站尚不能精確可靠的測定作用在衛(wèi)星上的各種攝動力因素的大小及變化規(guī)律，所以預 報數(shù)據(jù)中存在著較大的誤差。2）精密星歷的誤差精密星歷是根據(jù)實測資料進行擬合處理而直接得出的星歷。它需要在一些已知精確 位置的參考站點上跟蹤衛(wèi)星來計算觀測瞬間的衛(wèi)星真實位置，從而獲得精確可靠的精密衛(wèi)星軌道參數(shù)。由于精密衛(wèi)星星歷是由跟蹤實測 GPS衛(wèi)星求定的，所以精密星歷誤差來 源于不可避免的實測誤差。這種星歷需要在觀測后1 2個星期才可以向

5、美國國家大地測量局（NGS購買到，這對導航和動態(tài)定位無任何意義，但是在靜態(tài)精密定位中具有重 要作用。1.2星歷誤差的特征及影響1）星歷誤差對單點定位的影響在GPS單點定位中，衛(wèi)星被作為空間的已知點，衛(wèi)星星歷被作為已知的起算數(shù)據(jù)。 這樣，星歷誤差必將以某種方式傳遞給測站坐標，從而產(chǎn)生定位誤差。在GPS絕對定位中，廣播星歷誤差對測站坐標的影響可達幾十米。2）星歷誤差對相對定位的影響在GPS相對定位中，衛(wèi)星星歷誤差對兩個相鄰測站的影響具有極強的相關性，所以， 可以利用兩個相鄰測站上星歷誤差的相關性，采用相位觀測量求差的方法來削弱或消除 星歷誤差的影響，從而獲得高精度的相對坐標。因此，星歷誤差對相對定

6、位的影響遠小 于對單點定位的影響。對于長距離、高精度的GPSW量，需要采用精密星歷。1.3削弱星歷誤差的對策1.3.1建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨立測軌GPS1星是高軌衛(wèi)星，區(qū)域性的跟蹤網(wǎng)也能獲得很高的定位精度。所以許多國家和 組織都在建立自己的GPS1星跟蹤網(wǎng)開展獨立的定位工作。建立用戶自己的 GPS1星跟 蹤網(wǎng)，進行獨立測軌，這不僅可以使我國的用戶在非常時期不受美國政府有意降低衛(wèi)星 星歷精度的影響，而且可向?qū)崟r動態(tài)定位用戶提供無人為干擾的預報星歷，向靜態(tài)定位 用戶提供高精度的后處理星歷。1.3.2采用軌道改進法這種方法的基本思想是在平差模型中將星歷中給出的衛(wèi)星軌道參數(shù)作為未知參數(shù)納 入平差模型，通過平

7、差同時求得測站位置及軌道偏差改正數(shù)。常采用的軌道改進法有半 短弧法和短弧法。1.3.3同步求差法此方法是根據(jù)星歷誤差對距離不太遠（20km以內(nèi)）的兩個測站的影響基本相同的特點， 在兩個或多個測站上同步觀測同一顆衛(wèi)星所得的觀測量求差，以減弱星歷誤差的影響。 由于同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影響具有系統(tǒng)性，因此，可通過上 述求差的方法，將兩站的共同誤差消除，采用同步求差法可有效減弱星歷誤差的影響。 2衛(wèi)星鐘誤差衛(wèi)星鐘差是GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時間與 GPSB準時間之間的誤差。由 于衛(wèi)星的位置是隨時間變化的，所以 GPSW量是以精密測時為基礎的。當測定了衛(wèi)星信 號由衛(wèi)星傳播到

8、觀測站的時間，即可得到站星間的距離。由此可見，GPSW量精度與時鐘誤差有著密切的關系。2.1衛(wèi)星鐘誤差的來源在GPS1星上配備有高精度的原子鐘（銫鐘和銣鐘），在GPSW量中，無論是碼相位 觀測或載波相位觀測，均要求衛(wèi)星鐘和接收機鐘保持與GPS時間系統(tǒng)嚴格同步。盡管GPS1星均設有高精度的原子鐘，但與理想的 GPS寸之間仍存在著偏差或飄移。2.2衛(wèi)星鐘誤差的特征及影響在一個觀測時間段內(nèi)，衛(wèi)星鐘誤差屬于系統(tǒng)性誤差，在GPS1星上配備的高精度原子鐘（銫鐘和銣鐘），其穩(wěn)定度為1013； 12小時的運行誤差為4.3M,相當距離誤差 1.3m。衛(wèi)星鐘的鐘差包括鐘差、頻偏、頻飄等產(chǎn)生的誤差，也包含鐘的隨機誤

9、差。這 些偏差的總量在Ims以內(nèi)，由此引起的等效距離誤差約達 300km顯然無法滿足定位精度的要求。2.3削弱衛(wèi)星鐘誤差的對策2.3.1采用鐘差改正法2.3.2采用差分技術(shù)3地球自轉(zhuǎn)的影響3.1地球自轉(zhuǎn)影響的產(chǎn)生GPS定位采用的坐標是協(xié)議地球坐標系，若某一時刻該衛(wèi)星從該瞬時空間位置向地 面發(fā)射信號，當?shù)孛娼邮諜C接收到衛(wèi)星信息時，與地球固連的協(xié)議坐標系相對衛(wèi)星發(fā)射 瞬間的位置已產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)（繞z軸旋轉(zhuǎn)）。這樣，接收到的信號會有時間延遲，這個延遲 與地球自轉(zhuǎn)速度有關。故稱為地球自轉(zhuǎn)的影響。3.2地球自轉(zhuǎn)的影響特征4相對論效應影響在咼精度的GPS測量中，還應考慮相對運動所帶來的時間誤差。相對論效應是由

10、于 衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)（運動速度和引力位）差異而引起衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間 產(chǎn)生相對鐘誤差的現(xiàn)象。4.1相對論效應影響的產(chǎn)生4.2相對論效應的特征及影響4.3削弱相對論效應的對策重點：1、掌握GPS定位測量三個方面的誤差來源；2、理解與GPS衛(wèi)星有關的誤差的性質(zhì)、大小以及對定位所產(chǎn)生的影響；3、掌握消除或減弱與GPS衛(wèi)星有關的誤差所采取的措施難點：1、理解與GPS衛(wèi)星有關的誤差的性質(zhì)、大小以及對定位所產(chǎn)生的影響；2、掌握消除或減弱與GPS衛(wèi)星有關的誤差所采取的措施思考題（作業(yè)）:1、GPS測量中出現(xiàn)的誤差來源于哪幾個方面？2、什么是星歷誤差？它是怎樣產(chǎn)生的？如何削弱或消除其對GPS測量定

11、位所帶來的 影響？ 備注（教學組織形式、教學方法與手段等及其它需注明的問題）：本章節(jié)內(nèi)容多，不容易記憶，需要同學們及時復習和總結(jié)，加深對所講知識點的理 解，再通過課后作業(yè)鞏固本章內(nèi)容。課后記：1、把GPS定位測量的誤差的性質(zhì)與常規(guī)測量誤差做比較，突出 GPS測量誤差的系統(tǒng)性, 加深學生的理解。2、在講完所有的誤差消除方法后，要求學生總結(jié)這些消除方法的一個共同方法，調(diào)動 學生的積極性。第四章GPSW 第三節(jié) 與衛(wèi)星信號傳播有關的誤差學時：2學時量的誤差影響|第四節(jié) 與接收機有關的誤差及其對策 第五節(jié)與動態(tài)差分定位有關的誤差目的、要求：1、與衛(wèi)星信號傳播有關的誤差2、與接收機有關的誤差3、與動態(tài)差

12、分定位有關的誤差教學內(nèi)容概述:一、與衛(wèi)星信號傳播有關的誤差與衛(wèi)星信號傳播有關的誤差包括：信號穿越大氣電離層和對流層時所產(chǎn)生的誤差， 以及信號反射產(chǎn)生的多路徑效應誤差。1電離層折射誤差由于地球周圍的電離層對電磁波的折射效應，使得 GPS言號的傳播速度發(fā)生變化， 從而導致衛(wèi)星至接收機間的幾何距離偏差。這種偏差叫電離層折射誤差。1.1電離層折射誤差的產(chǎn)生所謂電離層，指地球上空距地面高度在 50 1000km之間的大氣層。電離層中的氣 體分子由于受到太陽等天體各種射線輻射的影響，產(chǎn)生強烈的電離，形成大量的自由電 子和正離子。當GPS言號通過電離層時，如同其他電磁波一樣，信號的路徑會發(fā)生彎曲， 傳播速度

13、也會發(fā)生變化，這種變化稱為電離層延遲。所以用信號的傳播時間乘上真空中 光速而得到的距離就會不等于衛(wèi)星至接收機間的幾何距離。從而產(chǎn)生電離層折射誤差。1.2電離層折射的特征及影響1.3削弱電離層折射影響的對策對于電離層折射的影響，可以通過以下解決途徑削弱。1.3.1利用電離層模型加以改正 在導航電文中提供電離層改正模型，該模型一般用于單頻接收機，用目前所提供的 模型可將電離層延遲影響減少75%1.3.2利用雙頻觀測減少電離層延遲由于電離層的電子密度分布受到多種因素的影響，單頻接收機用戶無法通過電離層 模型完全消除電離層傳播誤差。但是，對于雙頻接收機用戶，則可利用雙頻觀測量色散 效應有效的削弱電離層

14、傳播誤差。1.3.3利用兩個觀測站同步觀測量求差1.3.4選擇有利觀測時段由于電離層的影響與信號傳播路徑上的電子總數(shù)有關，因此，選擇最佳觀測時段 （一般為晚上），這時，大氣不受太陽光的照射，大氣中的離子數(shù)目減少，從而達到削弱 電離層影響的目的。2對流層折射誤差由于地球周圍的對流層對電磁波的折射效應，使得 GPS言號的傳播速度發(fā)生變化， 這種變化稱為對流層延遲。從而導致衛(wèi)星至接收機間的幾何距離偏差。這種偏差叫對流 層折射誤差。2.1對流層折射誤差的產(chǎn)生對流層是高度為40km以下的大氣底層，大氣層中質(zhì)量 99%集中在此層中。這一層 也是氣象現(xiàn)象主要出現(xiàn)的地區(qū)。其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復

15、雜。對流層 與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的上升而降低，GPS言號通過對流層時，也使傳播的路徑發(fā)生折射彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差。2.2對流層折射的特征及影響2.3 削弱對流層折射影響的對策減弱對流層折射對電磁波延遲影響主要措施有： .利用上述對流層模型加以改正。實測地區(qū)氣象資料利用模型改正，能減少對流 層對電磁波延遲達92%- 93%。 .利用同步觀測量求差。3多路徑誤差3.1多路徑效應產(chǎn)生的原因GPS衛(wèi)星信號從20200km高空向地面發(fā)射，若接收機天線周圍有高大建筑物或水面 時，建筑物和水面等對于電磁波具有強反射作用。接收機天線接收的信號不但有直接從 衛(wèi)星發(fā)射的信號，還有從

16、反射體反射的電磁波，這兩種信號疊加作為觀測量，將引起天 線相位中心位置的遷移，從而引起觀測值偏離真值產(chǎn)生多路經(jīng)誤差。3.2多路徑誤差的特征及影響3.3削弱多路徑效應的措施多路徑效應的影響一般包括常數(shù)部分和周期性部分，常數(shù)部分在同一地點將會日復 一日的重復出現(xiàn)。多路徑效應不僅與衛(wèi)星信號方向有關、反射系數(shù)有關，而且與反射物 離測站遠近有關，至今尚無法建立改正模型。下面介紹幾種減弱多路徑效應影響的主要 措施：3.3.1選擇合適的站址3.3.2選擇合適的接收機天線1）選擇在天線中設置抑徑板，觀測中應當使用水平極化板半徑較大的所謂仰徑天 線。為了減弱多路徑誤差，接收機天線下應配置抑徑板。2）選擇對極化特

17、性不同的反射信號有較強抑制作用的接收機天線。3）由于多路徑誤差是時間的函數(shù)，所以在靜態(tài)定位中經(jīng)過較長時間的觀測后，多 路徑誤差的影響可大為削弱。二、與接收機有關的誤差1接收機鐘差所產(chǎn)生的誤差接收機鐘差是GP宓收機所使用的鐘的鐘面時與 GPSS準時之間的差異。減少接收 機鐘差的方法有：（1）在單點定位時，是將接收機鐘差作為獨立的未知數(shù)在數(shù)據(jù)處理中求解。（2） 在載波相位相對定位中，同步觀測5顆以上衛(wèi)星，采用對觀測值的求差（星間單 差，星站間雙差）的方法，可以有效地消除接收機鐘差。（3）在高精度定位時，可采用外接頻標的方法，為接收機提供高精度時間標準，如 外接銫鐘、銣鐘等，最后 一種方法常用于固定

18、站。2觀測誤差觀測誤差還與天線的安置精度有關，即天線對中誤差、天線整平誤差及量取天線高 的誤差。例如天線高2.0m，天線整平時，即圓水準氣泡略偏一格，對中影響為5mm所以，在精密定位中，應注意整平天線，仔細對中。3接收機天線相位中心偏差接收機天線相位中心偏差是GPS接收機天線的標稱相位中心與其真實的相位中心之 間的差異。4整周未知數(shù)的誤差5接收機軟件和硬件造成的誤差三、與動態(tài)差分定位有關的誤差1與無線數(shù)據(jù)鏈有關的誤差目前，實施動態(tài)差分GPS定位技術(shù)時可選擇便攜電臺分為二類：一類為直接傳輸， 包括甚高頻（VHF）、超高頻（UHF）作用距離達20 100km:另一類為地波傳輸，包括低 頻(LF)和中頻(MF)，這種電臺信號能沿地球表面?zhèn)鞑?，能繞過建筑物和山丘作用距離可 達1000 2000km，但電臺價格昂貴。由于傳輸信道內(nèi)部噪聲及其造成的符號間干擾， 不