GPS測量的誤差來源及其影響

1、海洋海洋111Page 2目 錄與信號傳播有關(guān)與信號傳播有關(guān)的的誤差誤差2 21 13 3G P SG P S 測量主要測量主要誤差分 類誤差分 類與 衛(wèi) 星 有 關(guān) 的 誤 差與 衛(wèi) 星 有 關(guān) 的 誤 差4 45 5與 接 收 機(jī) 有 關(guān) 的與 接 收 機(jī) 有 關(guān) 的 誤 差誤 差其 他 誤 差其 他 誤 差Page 3誤差來源對距離測量影響（對距離測量影響（m m）衛(wèi)星部分衛(wèi)星星歷誤差；衛(wèi)星鐘誤差；相對論效應(yīng)1.51.51515信號傳播電離層折射誤差；對流層折射誤差；多路徑效應(yīng)1.51.51515信號接收接收機(jī)鐘誤差；接收機(jī)位置誤差；天線相位中心變化1.51.51515其他影響地球潮汐；

2、負(fù)荷潮1.01.0nGPS測量主要誤差分類 Page 4123Page 5n地球大氣層結(jié)構(gòu)：地球大氣層結(jié)構(gòu)： Page 6 Page 7n 電離層折射誤差及其定位影響規(guī)律 信號傳播路徑上的電子總量載波相位測量和偽距測量的載波相位測量和偽距測量的dion等值反號等值反號在天頂方向可達(dá)在天頂方向可達(dá)50m，接近地平線方向（高度角為，接近地平線方向（高度角為20度）達(dá)度）達(dá)150m與電子總量和信號頻率相關(guān)與電子總量和信號頻率相關(guān)信號傳播路徑上的電子總量21 40.28etcN fdtGtSv dt240.28eSctcN dsf iond240.28ioneSdcN dsf 信號傳播路徑上的電子總量

3、Page 8n 減弱電離層影響的有效措施 雙頻雙頻觀測觀測：如分別用兩個(gè)已知頻率：如分別用兩個(gè)已知頻率f f1 1和和f f2 2發(fā)射衛(wèi)發(fā)射衛(wèi)星信號，則兩個(gè)不同頻率的信號就會沿同一路徑到星信號，則兩個(gè)不同頻率的信號就會沿同一路徑到達(dá)接收機(jī)。精度為達(dá)接收機(jī)。精度為cmcm。利用電離層改正模型修正：沿著信號傳播路徑來利用電離層改正模型修正：沿著信號傳播路徑來進(jìn)行積分，精度優(yōu)于進(jìn)行積分，精度優(yōu)于2mm2mm。相對定位：利用兩臺或多臺接收機(jī)對同一組衛(wèi)星相對定位：利用兩臺或多臺接收機(jī)對同一組衛(wèi)星的同步觀測值求差時(shí)可以有效地減弱電離層折射的的同步觀測值求差時(shí)可以有效地減弱電離層折射的影響影響。3 34 4

4、 選擇有利觀測時(shí)段：電離層電子含量，選擇有利觀測時(shí)段：電離層電子含量，白天是晚白天是晚上的上的5 5倍，地方時(shí)倍，地方時(shí)1111時(shí)最大；時(shí)最大；夏天是冬天的夏天是冬天的4 4倍。倍。Page 9 由于離地面更近，其大氣密度比由于離地面更近，其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)電離層更大，大氣狀態(tài)也也更復(fù)雜更復(fù)雜。對流層與地面接觸并從地面得對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的上到輻射熱能，其溫度隨高度的上升而降低，升而降低，GPSGPS信號通過對流層時(shí)信號通過對流層時(shí)，也使傳播路徑發(fā)生彎曲，從而，也使傳播路徑發(fā)生彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差。使測量距離產(chǎn)生偏差。Page 10電磁波在

5、對流層中的傳播速度與頻率無關(guān)，與大氣折射率有關(guān)，電磁波在對流層中的傳播速度與頻率無關(guān)，與大氣折射率有關(guān)，也與電磁波傳播方向有關(guān)。也與電磁波傳播方向有關(guān)。n 對流層折射誤差 對流層折射誤差對流層折射誤差干分量干分量濕分量濕分量壓力壓力大氣濕度大氣濕度高度高度n 衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，占對流層折射影響的90%n 可利用大氣資料計(jì)算n 影響值可達(dá)20mn 影響值較小n 無法精確測定n 是高精度基線測量的主要誤差源Page 11n 減弱對流層影響的有效措施 1 利用對流層模型改正Page 1223利用同步觀測量求差4n 減弱對流層影響的有效措施 利用電磁波傳播路程上大氣狀況的相似特性，在基線兩端同步觀測

6、相同 衛(wèi)星并求差，可削弱對流層折射誤差。 適用于20km的情形，當(dāng)100km時(shí)，該誤差是制 約GPS定位精度的重要因素。 此法求得的對流層折射濕分量的精度可優(yōu)于此法求得的對流層折射濕分量的精度可優(yōu)于1cm1cm，但較昂貴，但較昂貴Page 13 n 在GPS測量中，被測站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號（反射波）被接收機(jī)天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。n 由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)。Page 14HAOGSSSzz2zzHzHzzHzzHzGAzGAGAOAGAsin42sin2)sin21 (1 (sin

7、)2cos1 (sin)2cos1 (2cos2為：號的相位差反射信號相對于直接信為：號多經(jīng)過的路徑長度反射信號相對于直接信強(qiáng)弱取決于地面或地物的反射系數(shù)強(qiáng)弱取決于地面或地物的反射系數(shù)為影響多路徑誤差的主要因素為影響多路徑誤差的主要因素Page 15n 減弱多路徑誤差的有效措施 測站應(yīng)遠(yuǎn)離大面積平靜的水面測站應(yīng)遠(yuǎn)離大面積平靜的水面測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中測站應(yīng)離開高層建筑物測站應(yīng)離開高層建筑物- 抗多路徑的天線，帶抑徑板或抑徑圈的天線，抗多路徑的天線，帶抑徑板或抑徑圈的天線，極化天線極化天線Page 16123Page 17 Page 18n 星歷誤差對

8、定位的影響 dbdsbPage 19n 減弱星歷誤差的有效措施 短弧法短弧法 半短弧法半短弧法 建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立定軌 同步觀測值求差：同一衛(wèi)星，多個(gè)測站間求差 軌道松弛法：在平差模型中把衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星軌道作為初始值，視其改正數(shù)為未知數(shù)。通過平差同時(shí)求得測站位置及軌道的改正數(shù)。Page 20 1 1）來源：鐘頻穩(wěn)定性。）來源：鐘頻穩(wěn)定性。 2 2）對星站距離的影響達(dá)）對星站距離的影響達(dá)300km300km，改正后仍有，改正后仍有6m6m。 3 3）性質(zhì)：基線）性質(zhì)：基線20KM20KM時(shí)，具有相關(guān)性。時(shí)，具有相關(guān)性。 4 4）減弱措施：）減弱措施：相對定位或差分定位相對定位或差

9、分定位模型改正模型改正鐘差改正多項(xiàng)式鐘差改正多項(xiàng)式其中其中a0為為ts時(shí)刻的時(shí)鐘偏差，時(shí)刻的時(shí)鐘偏差，a1為鐘的漂移，為鐘的漂移，a2為老化率。為老化率。Page 21 狹義相對論觀點(diǎn)狹義相對論觀點(diǎn)一個(gè)頻率為一個(gè)頻率為f f0 0的振蕩器安裝飛行速的振蕩器安裝飛行速度為度為v v的載體上，由于載體的運(yùn)動(dòng)，對地面觀測者來說的載體上，由于載體的運(yùn)動(dòng)，對地面觀測者來說將產(chǎn)生頻率變化。衛(wèi)星上的時(shí)鐘比地球上的要慢。將產(chǎn)生頻率變化。衛(wèi)星上的時(shí)鐘比地球上的要慢。廣義相對論觀點(diǎn)廣義相對論觀點(diǎn)處于不同等位面的振蕩器，其頻處于不同等位面的振蕩器，其頻率將由于引力位不同而發(fā)生變化。與狹義相對論影響率將由于引力位不同

10、而發(fā)生變化。與狹義相對論影響相反，影響程度大于上者。相反，影響程度大于上者。總的影響總的影響衛(wèi)星上的原子鐘比地球上的頻率增加了衛(wèi)星上的原子鐘比地球上的頻率增加了4.4494.449* *1010-10 -10 f f0 0相對論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，經(jīng)改正后相對論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，經(jīng)改正后仍有殘差，它對仍有殘差，它對GPSGPS時(shí)的影響最大可達(dá)時(shí)的影響最大可達(dá)70ns70ns，對精密定，對精密定位仍不可忽略。位仍不可忽略。Page 22n 減弱相對論效應(yīng)引起的誤差的有效措施 n 方法（分兩步）：首先考慮假定衛(wèi)星軌道為圓軌道的情況；然后考慮衛(wèi)方法（分兩步）：首先考慮假定衛(wèi)星軌道為圓軌道的情況；然

11、后考慮衛(wèi)星軌道為橢圓軌道的情況。星軌道為橢圓軌道的情況。n 第一步：第一步：n 第二步：第二步：MHzMHz52299999954.10)10449. 41 (23.1010，調(diào)低后的頻率為到衛(wèi)星上去的鐘的頻率在地面上調(diào)低將要搭載rococLrrtttattaattttmscFtEAeFtttt221012110221)()()()(10442807633. 42)(sin)(,應(yīng)為正因而，實(shí)際衛(wèi)星鐘的改上改正數(shù)時(shí)，在衛(wèi)星鐘讀數(shù)上加在時(shí)刻Page 23123Page 24 n 減弱接收機(jī)鐘誤差的有效措施 Page 25 n 減弱措施 Page 26 在在GPSGPS測量中，觀測值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為測量中，觀測值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)的，所以天線的相位中心該與其幾何中心保持一致。但準(zhǔn)的，所以天線的相位中心該與其幾何中心保持一致。但實(shí)際天線的相位中心位置隨信號輸入的強(qiáng)度和方向不同會實(shí)際天線的相位中心位置隨信號輸入的強(qiáng)度和方向不同會發(fā)生變化，使其偏離幾何中心。這種偏差視天線性能的好發(fā)生變化，使其偏離幾何中心。這種偏差視天線性能的好壞可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米壞可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米Page 27n 減弱天線相位中心位置偏差的有效措施 Page 2812Page 29 信號傳播過程中協(xié)