GPS測(cè)量的誤差影響及其對(duì)策

1、第四章 GPS測(cè)量的誤差影響及其對(duì)策第一節(jié) GPS測(cè)量誤差的來(lái)源及分類(lèi)第二節(jié) 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)目的、要求：1、GPS測(cè)量誤差的來(lái)源與分類(lèi)2、與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差 教學(xué)內(nèi)容概述：一、GPS測(cè)量誤差的來(lái)源及分類(lèi)1 GPS測(cè)量誤差的來(lái)源GPS測(cè)量是接收衛(wèi)星播發(fā)的信息來(lái)確定點(diǎn)三維坐標(biāo)。影響測(cè)量結(jié)果的誤差來(lái)源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程和地面接收設(shè)備。在高精度的GPS測(cè)量中，還應(yīng)考慮與地球整體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的地球潮汐、相對(duì)論效應(yīng)等，如圖主要影響因素所示。在研究誤差對(duì)GPS測(cè)量的影響時(shí)，往往將誤差化算為衛(wèi)星至觀測(cè)站的距離，以相應(yīng)的距離誤差表示，稱(chēng)為等效距離誤差。2 GPS測(cè)量誤差的分類(lèi)按誤

2、差性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差與偶然誤差兩類(lèi)。偶然誤差主要包括信號(hào)的多路徑效應(yīng)、天線(xiàn)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(jī)鐘差以及大氣折射的誤差等。其中系統(tǒng)誤差無(wú)論從誤差的大小還是對(duì)定位結(jié)果的危害性講都比偶然誤差要大得多，它是GPS測(cè)量的主要誤差源。同時(shí)，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(duì)觀測(cè)值進(jìn)行改正，或選擇良好的觀測(cè)條件，采用恰當(dāng)?shù)挠^測(cè)方法等。下面分別討論GPS測(cè)量中衛(wèi)星本身、信號(hào)傳播及信號(hào)接收等誤差對(duì)定位的影響及其對(duì)策。二、與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差1 衛(wèi)星星歷誤差GPS衛(wèi)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(shí)際位置的偏差。由于衛(wèi)星的

3、空間位置是由地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星測(cè)軌結(jié)果計(jì)算而得，因此也稱(chēng)衛(wèi)星軌道誤差。衛(wèi)星星歷是GPS衛(wèi)星定位中的重要數(shù)據(jù), 衛(wèi)星星歷誤差將嚴(yán)重影響單點(diǎn)定位的精度，也是精密相對(duì)定位中的主要誤差來(lái)源之一。1.1 星歷誤差的來(lái)源GPS衛(wèi)星星歷的數(shù)據(jù)有廣播星歷(預(yù)報(bào)星歷)和精密星歷(實(shí)測(cè)星歷)兩種。在進(jìn)行GPS定位時(shí)，計(jì)算在某時(shí)刻GPS衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)都是通過(guò)這二類(lèi)星歷提供的，但不論采用哪種類(lèi)型的星歷，所計(jì)算出的衛(wèi)星位置都會(huì)與其真實(shí)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(lái)源。1) 廣播星歷的誤差廣播星歷是衛(wèi)星導(dǎo)航電文中所攜帶的衛(wèi)星空間位置信息。它是根據(jù)美國(guó)GPS控

4、制中心跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推預(yù)算，由地面注入站發(fā)送給GPS衛(wèi)星，再通過(guò)GPS衛(wèi)星向地面發(fā)播的一種預(yù)報(bào)星歷。由于衛(wèi)星在運(yùn)行中受到多種攝動(dòng)力的影響，目前單靠地面監(jiān)測(cè)站尚不能精確可靠的測(cè)定作用在衛(wèi)星上的各種攝動(dòng)力因素的大小及變化規(guī)律，所以預(yù)報(bào)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(shí)測(cè)資料進(jìn)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(diǎn)上跟蹤衛(wèi)星來(lái)計(jì)算觀測(cè)瞬間的衛(wèi)星真實(shí)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(shí)測(cè)GPS衛(wèi)星求定的，所以精密星歷誤差來(lái)源于不可避免的實(shí)測(cè)誤差。這種星歷需要在觀測(cè)后12個(gè)星期才可以向美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局(NGS)購(gòu)

5、買(mǎi)到，這對(duì)導(dǎo)航和動(dòng)態(tài)定位無(wú)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(duì)單點(diǎn)定位的影響在GPS單點(diǎn)定位中，衛(wèi)星被作為空間的已知點(diǎn)，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(cè)站坐標(biāo)，從而產(chǎn)生定位誤差。在GPS絕對(duì)定位中，廣播星歷誤差對(duì)測(cè)站坐標(biāo)的影響可達(dá)幾十米。2) 星歷誤差對(duì)相對(duì)定位的影響在GPS相對(duì)定位中，衛(wèi)星星歷誤差對(duì)兩個(gè)相鄰測(cè)站的影響具有極強(qiáng)的相關(guān)性，所以，可以利用兩個(gè)相鄰測(cè)站上星歷誤差的相關(guān)性，采用相位觀測(cè)量求差的方法來(lái)削弱或消除星歷誤差的影響，從而獲得高精度的相對(duì)坐標(biāo)。因此，星歷誤差對(duì)相對(duì)定位的影響遠(yuǎn)小于對(duì)單點(diǎn)定位的影響

6、。 對(duì)于長(zhǎng)距離、高精度的GPS測(cè)量，需要采用精密星歷。1.3 削弱星歷誤差的對(duì)策 1.3.1建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立測(cè)軌 GPS衛(wèi)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(guó)家和組織都在建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)開(kāi)展獨(dú)立的定位工作。建立用戶(hù)自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)，進(jìn)行獨(dú)立測(cè)軌，這不僅可以使我國(guó)的用戶(hù)在非常時(shí)期不受美國(guó)政府有意降低衛(wèi)星星歷精度的影響，而且可向?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)定位用戶(hù)提供無(wú)人為干擾的預(yù)報(bào)星歷，向靜態(tài)定位用戶(hù)提供高精度的后處理星歷。 1.3.2采用軌道改進(jìn)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(guò)平差同時(shí)求得測(cè)站位置及軌道偏差改正

7、數(shù)。常采用的軌道改進(jìn)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(duì)距離不太遠(yuǎn)(20km以?xún)?nèi))的兩個(gè)測(cè)站的影響基本相同的特點(diǎn)，在兩個(gè)或多個(gè)測(cè)站上同步觀測(cè)同一顆衛(wèi)星所得的觀測(cè)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(duì)不同觀測(cè)站同步觀測(cè)量的影響具有系統(tǒng)性，因此，可通過(guò)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(shí)間與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。由于衛(wèi)星的位置是隨時(shí)間變化的，所以GPS測(cè)量是以精密測(cè)時(shí)為基礎(chǔ)的。當(dāng)測(cè)定了衛(wèi)星信號(hào)由衛(wèi)星傳播到觀測(cè)站的時(shí)間，即可得到站星間的距離。由此可見(jiàn)，

8、GPS測(cè)量精度與時(shí)鐘誤差有著密切的關(guān)系。2.1 衛(wèi)星鐘誤差的來(lái)源在GPS衛(wèi)星上配備有高精度的原子鐘(銫鐘和銣鐘)，在GPS測(cè)量中，無(wú)論是碼相位觀測(cè)或載波相位觀測(cè)，均要求衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘保持與GPS時(shí)間系統(tǒng)嚴(yán)格同步。盡管GPS衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘，但與理想的GPS時(shí)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(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，衛(wèi)星鐘誤差屬于系統(tǒng)性誤差，在GPS衛(wèi)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(shí)的運(yùn)行誤差為 4.3M，相當(dāng)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(jī)誤差。這些偏差的總量在lms以?xún)?nèi)，由此

9、引起的等效距離誤差約達(dá)300km，顯然無(wú)法滿(mǎn)足定位精度的要求。2.3 削弱衛(wèi)星鐘誤差的對(duì)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(biāo)是協(xié)議地球坐標(biāo)系，若某一時(shí)刻該衛(wèi)星從該瞬時(shí)空間位置向地面發(fā)射信號(hào)，當(dāng)?shù)孛娼邮諜C(jī)接收到衛(wèi)星信息時(shí)，與地球固連的協(xié)議坐標(biāo)系相對(duì)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(hào)會(huì)有時(shí)間延遲,這個(gè)延遲與地球自轉(zhuǎn)速度有關(guān)。故稱(chēng)為地球自轉(zhuǎn)的影響。3.2地球自轉(zhuǎn)的影響特征4 相對(duì)論效應(yīng)影響在高精度的GPS測(cè)量中，還應(yīng)考慮相對(duì)運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的時(shí)間誤差。相對(duì)論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)(運(yùn)動(dòng)速度

10、和引力位) 差異而引起衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘誤差的現(xiàn)象。4.1相對(duì)論效應(yīng)影響的產(chǎn)生4.2相對(duì)論效應(yīng)的特征及影響4.3 削弱相對(duì)論效應(yīng)的對(duì)策重點(diǎn)：1、掌握GPS定位測(cè)量三個(gè)方面的誤差來(lái)源；2、理解與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差的性質(zhì)、大小以及對(duì)定位所產(chǎn)生的影響；3、掌握消除或減弱與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差所采取的措施難點(diǎn)：1、理解與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差的性質(zhì)、大小以及對(duì)定位所產(chǎn)生的影響；2、掌握消除或減弱與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差所采取的措施思考題（作業(yè)）：1、GPS測(cè)量中出現(xiàn)的誤差來(lái)源于哪幾個(gè)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(duì)GPS測(cè)量定位所帶來(lái)的影響?備注（教學(xué)組織形式、教

11、學(xué)方法與手段等及其它需注明的問(wèn)題）： 本章節(jié)內(nèi)容多，不容易記憶，需要同學(xué)們及時(shí)復(fù)習(xí)和總結(jié)，加深對(duì)所講知識(shí)點(diǎn)的理解，再通過(guò)課后作業(yè)鞏固本章內(nèi)容。課后記：1、把GPS定位測(cè)量的誤差的性質(zhì)與常規(guī)測(cè)量誤差做比較，突出GPS測(cè)量誤差的系統(tǒng)性，加深學(xué)生的理解。2、在講完所有的誤差消除方法后，要求學(xué)生總結(jié)這些消除方法的一個(gè)共同方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。第四章 GPS測(cè)量的誤差影響及其對(duì)策第三節(jié) 與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差第四節(jié) 與接收機(jī)有關(guān)的誤差第五節(jié) 與動(dòng)態(tài)差分定位有關(guān)的誤差學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)目的、要求： 1、與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差 2、與接收機(jī)有關(guān)的誤差 3、與動(dòng)態(tài)差分定位有關(guān)的誤差教學(xué)內(nèi)容概述：一、與衛(wèi)星信號(hào)

12、傳播有關(guān)的誤差 與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差包括：信號(hào)穿越大氣電離層和對(duì)流層時(shí)所產(chǎn)生的誤差，以及信號(hào)反射產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)誤差。1 電離層折射誤差由于地球周?chē)碾婋x層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致衛(wèi)星至接收機(jī)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501000km之間的大氣層。電離層中的氣體分子由于受到太陽(yáng)等天體各種射線(xiàn)輻射的影響，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離，形成大量的自由電子和正離子。當(dāng)GPS信號(hào)通過(guò)電離層時(shí)，如同其他電磁波一樣，信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)發(fā)生變化，這種變化稱(chēng)為電離層延遲。所以用信號(hào)的傳播時(shí)

13、間乘上真空中光速而得到的距離就會(huì)不等于衛(wèi)星至接收機(jī)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(duì)策對(duì)于電離層折射的影響，可以通過(guò)以下解決途徑削弱。1.3.1 利用電離層模型加以改正在導(dǎo)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(jī)，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(cè)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(jī)用戶(hù)無(wú)法通過(guò)電離層模型完全消除電離層傳播誤差。但是，對(duì)于雙頻接收機(jī)用戶(hù)，則可利用雙頻觀測(cè)量色散效應(yīng)有效的削弱電離層傳播誤差。1.3.3 利用兩個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)量求差1.3.

14、4 選擇有利觀測(cè)時(shí)段由于電離層的影響與信號(hào)傳播路徑上的電子總數(shù)有關(guān)，因此，選擇最佳觀測(cè)時(shí)段(一般為晚上)，這時(shí)，大氣不受太陽(yáng)光的照射，大氣中的離子數(shù)目減少，從而達(dá)到削弱電離層影響的目的。2 對(duì)流層折射誤差由于地球周?chē)膶?duì)流層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱(chēng)為對(duì)流層延遲。從而導(dǎo)致衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離偏差。這種偏差叫對(duì)流層折射誤差。2.1對(duì)流層折射誤差的產(chǎn)生對(duì)流層是高度為40km以下的大氣底層，大氣層中質(zhì)量99%都集中在此層中。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(fù)雜。對(duì)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

15、低，GPS信號(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí)，也使傳播的路徑發(fā)生折射彎曲，從而使測(cè)量距離產(chǎn)生偏差。2.2 對(duì)流層折射的特征及影響2.3 削弱對(duì)流層折射影響的對(duì)策減弱對(duì)流層折射對(duì)電磁波延遲影響主要措施有：.利用上述對(duì)流層模型加以改正。實(shí)測(cè)地區(qū)氣象資料利用模型改正，能減少對(duì)流層對(duì)電磁波延遲達(dá)92%93% 。. 利用同步觀測(cè)量求差。3 多路徑誤差3.1 多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的原因GPS衛(wèi)星信號(hào)從20200km高空向地面發(fā)射，若接收機(jī)天線(xiàn)周?chē)懈叽蠼ㄖ锘蛩鏁r(shí)，建筑物和水面等對(duì)于電磁波具有強(qiáng)反射作用。接收機(jī)天線(xiàn)接收的信號(hào)不但有直接從衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，還有從反射體反射的電磁波，這兩種信號(hào)疊加作為觀測(cè)量，將引起天線(xiàn)相位中心位置的

16、遷移，從而引起觀測(cè)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(yīng)的措施多路徑效應(yīng)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(diǎn)將會(huì)日復(fù)一日的重復(fù)出現(xiàn)。多路徑效應(yīng)不僅與衛(wèi)星信號(hào)方向有關(guān)、反射系數(shù)有關(guān)，而且與反射物離測(cè)站遠(yuǎn)近有關(guān)，至今尚無(wú)法建立改正模型。下面介紹幾種減弱多路徑效應(yīng)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(jī)天線(xiàn)1）選擇在天線(xiàn)中設(shè)置抑徑板，觀測(cè)中應(yīng)當(dāng)使用水平極化板半徑較大的所謂仰徑天線(xiàn)。為了減弱多路徑誤差，接收機(jī)天線(xiàn)下應(yīng)配置抑徑板。2）選擇對(duì)極化特性不同的反射信號(hào)有較強(qiáng)抑制作用的接收機(jī)天線(xiàn)。3）由于多路徑誤差是時(shí)間的函數(shù)，

17、所以在靜態(tài)定位中經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)后，多路徑誤差的影響可大為削弱。二、與接收機(jī)有關(guān)的誤差1 接收機(jī)鐘差所產(chǎn)生的誤差接收機(jī)鐘差是GPS接收機(jī)所使用的鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異。減少接收機(jī)鐘差的方法有：（1）在單點(diǎn)定位時(shí)，是將接收機(jī)鐘差作為獨(dú)立的未知數(shù)在數(shù)據(jù)處理中求解。 （2）在載波相位相對(duì)定位中，同步觀測(cè) 5顆以上衛(wèi)星，采用對(duì)觀測(cè)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(jī)鐘差。（3）在高精度定位時(shí)，可采用外接頻標(biāo)的方法，為接收機(jī)提供高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，如外接銫鐘、銣鐘等，最后 一種方法常用于固定站。 2 觀測(cè)誤差 觀測(cè)誤差還與天線(xiàn)的安置精度有關(guān)，即天線(xiàn)對(duì)中誤差、天線(xiàn)整平誤差

18、及量取天線(xiàn)高的誤差。例如天線(xiàn)高2.0m，天線(xiàn)整平時(shí)，即圓水準(zhǔn)氣泡略偏一格，對(duì)中影響為5mm，所以，在精密定位中，應(yīng)注意整平天線(xiàn)，仔細(xì)對(duì)中。3 接收機(jī)天線(xiàn)相位中心偏差接收機(jī)天線(xiàn)相位中心偏差是GPS接收機(jī)天線(xiàn)的標(biāo)稱(chēng)相位中心與其真實(shí)的相位中心之間的差異。4 整周未知數(shù)的誤差5 接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差三、與動(dòng)態(tài)差分定位有關(guān)的誤差1 與無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈有關(guān)的誤差 目前，實(shí)施動(dòng)態(tài)差分GPS定位技術(shù)時(shí)可選擇便攜電臺(tái)分為二類(lèi)：一類(lèi)為直接傳輸，包括甚高頻 (VHF)、超高頻(UHF) 作用距離達(dá)20一100km; 另一類(lèi)為地波傳輸，包括低頻(LF)和中頻(MF)，這種電臺(tái)信號(hào)能沿地球表面?zhèn)鞑ィ芾@過(guò)建筑物和山丘作用距離可達(dá)1000一2000km，但電臺(tái)價(jià)格昂貴。由于傳輸信道內(nèi)部噪聲及其造成的符號(hào)間干擾，不可避