第4章-GPS定位误差分析-新课件.ppt

1、GPS定位技术与应用 2010.12 L2P2 D(t)L1C/A P1 GPS定位技术与应用 2010.12 4.1 概述概述 4.1.1.GPS测量主要误差分类 卫星时钟误差卫星时钟误差一、与卫星有关的误差一、与卫星有关的误差 卫星星历误差卫星星历误差 相对论效应误差相对论效应误差 电离层折射误差电离层折射误差二、与信号传播有关的误差二、与信号传播有关的误差 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 接收机时钟误差接收机时钟误差三、与接收机有关的误差三、与接收机有关的误差 接收机位置误差接收机位置误差 天线相位中心位置误差天线相位中心位置误差四、其它误差四、其它误差:地球

2、自转的影响、地球潮汐的影响地球自转的影响、地球潮汐的影响GPS定位技术与应用 2010.124.1.2消除或削弱误差影响的方法和措施消除或削弱误差影响的方法和措施 理论模型理论模型(电离层双频改正电离层双频改正)一、建立误差改正模型一、建立误差改正模型 经验模型经验模型(GPS中一般不用中一般不用)综合模型综合模型(对流层改正模型对流层改正模型)模型改正的效果取决于模型的完善程度和模型改正的效果取决于模型的完善程度和有关参数的获取精度。有关参数的获取精度。二、选择较好的硬件和较好的观测条件二、选择较好的硬件和较好的观测条件三、利用同步观测的方法，并对相应的同步观测值三、利用同步观测的方法，并对

3、相应的同步观测值进行求差分（站际差分、星际差分、历元间差分）进行求差分（站际差分、星际差分、历元间差分）四、引入相应的参数，在数据处理中与其它未知参四、引入相应的参数，在数据处理中与其它未知参数一同进行求解。数一同进行求解。GPS定位技术与应用 2010.12GPS定位技术与应用 2010.12l4.2.1 卫星时钟误差卫星时钟误差l卫星时钟的误差通常是指卫星时钟的时卫星时钟的误差通常是指卫星时钟的时间读数与间读数与GPS标准时间之间的偏差。标准时间之间的偏差。GPS定位技术与应用 2010.12物理同步误差:一般在一般在1ms左右左右;1ms的钟误差的钟误差 300Km的距离误差！的距离误差

4、！可利用下面公式进行改正可利用下面公式进行改正:其中其中 t0 和和 a0、a1、a2由卫星导航电文提供。由卫星导航电文提供。202010ttattaatGPS定位技术与应用 2010.12数学同步误差：一般在一般在20ms以内以内 6m的距离误的距离误差！差！这样的误差对于一般导航这样的误差对于一般导航,即可忽略不计。即可忽略不计。但对于测量定位则必须利用求站间一次差但对于测量定位则必须利用求站间一次差分的方法来进一步消除。分的方法来进一步消除。GPS定位技术与应用 2010.12l卫星星历计算得到的卫星位置与卫星在卫星星历计算得到的卫星位置与卫星在空间的实际位置之差。空间的实际位置之差。一

5、、卫星星历误差对测量定位的影响：一、卫星星历误差对测量定位的影响：单点绝对定位：数米单点绝对定位：数米-上百米上百米 相对定位：卫星星历误差对基线的影响相对定位：卫星星历误差对基线的影响可达可达0.1 PPm 0.25 PPm左右左右 GPS定位技术与应用 2010.12l1、采用轨道松弛法：、采用轨道松弛法：轨道松弛法的基本思想是：在数据处理时，轨道松弛法的基本思想是：在数据处理时，将卫星广播星历给出的轨道参数作为初始值，将卫星广播星历给出的轨道参数作为初始值，而将表征卫星运行轨道的轨道参数设为未知参而将表征卫星运行轨道的轨道参数设为未知参数并与其它未知参数一同进行求解。通过平差数并与其它未

6、知参数一同进行求解。通过平差计算，不仅可以求出观测站的位置坐标，同时计算，不仅可以求出观测站的位置坐标，同时也能求出卫星轨道参数的改正数。这种方法即也能求出卫星轨道参数的改正数。这种方法即为轨道松弛法。为轨道松弛法。GPS定位技术与应用 2010.12l短弧法（也称为全短弧法）短弧法（也称为全短弧法）在使用轨道松弛法时，将在使用轨道松弛法时，将6个卫星轨个卫星轨道参数都设为未知参数，在数据处理中道参数都设为未知参数，在数据处理中与其它未知参数一同进行解算。这种方与其它未知参数一同进行解算。这种方法可以有效地削弱卫星星历误差的影响，法可以有效地削弱卫星星历误差的影响，明显地提高测量定位的精度。但

7、是其未明显地提高测量定位的精度。但是其未知参数较多，计算工作量较大。知参数较多，计算工作量较大。GPS定位技术与应用 2010.12l半短弧法半短弧法 在使用轨道松弛法时，将在使用轨道松弛法时，将6个卫星轨道参个卫星轨道参数中的若干个设为未知参数，例如：将摄动力数中的若干个设为未知参数，例如：将摄动力影响较大的轨道切向、径向和法向三个参数设影响较大的轨道切向、径向和法向三个参数设为未知参数，在数据处理中与其它未知参数一为未知参数，在数据处理中与其它未知参数一同进行解算。由于其引入的未知参数相对较少，同进行解算。由于其引入的未知参数相对较少，所以计算较为简单。半短弧法与短弧法的结果所以计算较为简

8、单。半短弧法与短弧法的结果精度大体差不多精度大体差不多 GPS定位技术与应用 2010.12l2、建立卫星跟踪网进行独立定轨、建立卫星跟踪网进行独立定轨l3、进行同步观测求差分法、进行同步观测求差分法GPS定位技术与应用 2010.124.2.3、相对论效应 相对论效应是指由于卫星钟和接收机钟所处的状态相对论效应是指由于卫星钟和接收机钟所处的状态(运运动速度和重力位动速度和重力位)不同而使两钟产生相对误差的现象不同而使两钟产生相对误差的现象。狭义相对论效应狭义相对论效应:现将有关参数代入可得现将有关参数代入可得:可见因受狭义相对论效应的影响,使卫星钟比地球上的同类钟走慢了(频率变小了)。fcv

9、fffsss222fffs10110835.0GPS定位技术与应用 2010.12 广义相对论效应广义相对论效应:现将有关参数代入可得现将有关参数代入可得:可见因受广义相对论效应的影响,使卫星钟比地球上的同类钟走快了(频率变大了)。fcWWfffTsss2fffs10210284.5GPS定位技术与应用 2010.12总的相对论效应影响为总的相对论效应影响为:为消除相对论效应的影响为消除相对论效应的影响,卫星钟在出厂时其卫星钟在出厂时其频率应调为频率应调为:10.23MHZ(14.44910-10)=10.22999999545MHZ;虽然如此但仍有残差（可达70ns左右）,可将其归入卫星钟误

10、差内。ffff102110449.4GPS定位技术与应用 2010.124.3.1、电离层折射误差1、电离层及其影响 电离层是指地球上空距地面高度在电离层是指地球上空距地面高度在50Km1000Km之间的大气层。在电离层中具有大量的自由电子和正之间的大气层。在电离层中具有大量的自由电子和正离子离子,当当 GPS 卫星信号通过电离层时其卫星信号通过电离层时其传播路径会产生弯曲,其传播速度也会发生变化。由此使所测星站。由此使所测星站距离产生的误差就叫距离产生的误差就叫电离层折射误差。GPS定位技术与应用 2010.12l电磁波信号通过电离层时，由于折射率电磁波信号通过电离层时，由于折射率的变化而引

11、起的传播路径上距离延迟和的变化而引起的传播路径上距离延迟和时间延迟可以表示成为：时间延迟可以表示成为：228.40fNIp27103436.1fNtIpGPS定位技术与应用 2010.12l由群折射率而引起的传播路径距离延迟由群折射率而引起的传播路径距离延迟和时间延迟可以表示成为：和时间延迟可以表示成为：228.401fNdSnSIgIg27103436.1fNtIgGPS定位技术与应用 2010.12lGPS卫星信号中，测距码（卫星信号中，测距码（C/A码和码和P码）和码）和D码（导航电文）都是调制在码（导航电文）都是调制在L1和和L2载波上的。载波上的。测距码（测距码（C/A码和码和P码）

12、信号是以群速度在电码）信号是以群速度在电离层中传播的；而载波信号则是以相速度在电离层中传播的；而载波信号则是以相速度在电离层中传播的。所以从前边两式可以看出，由离层中传播的。所以从前边两式可以看出，由于电离层延迟误差的影响，进行伪距测量时，于电离层延迟误差的影响，进行伪距测量时，所测得的距离值总是比真实距离长；而进行载所测得的距离值总是比真实距离长；而进行载波相位测量时，所测得的距离值总是比真实距波相位测量时，所测得的距离值总是比真实距离短。离短。GPS定位技术与应用 2010.122、消除或削弱电离层影响的方法和措施:（1）利用双频观测（对于双频接收机）利用双频观测（对于双频接收机）现令现令

13、:dion=A/f2 对于双频接收机对于双频接收机,可以同时接收两个载波信号。可以同时接收两个载波信号。则有则有:S =1+A/f12 ；S =2+A/f22 ；式中：式中：S为星站的为星站的理论距离,1 和和 2 为对两个载波为对两个载波上的上的P码信号进行测量分别获得的码信号进行测量分别获得的伪距观测值。GPS定位技术与应用 2010.12现将二式相减现将二式相减 有有:=12 =A/f22A/f12将上面二式代入有：将上面二式代入有：因有因有 f1=154f0 和和 f2=120f0，并代入上式并代入上式 则则 有有:=0.6469 dion1 即即 有有 :dion1=1.54573(

14、12)dion2=2.54573(12)1221122222121ffdffffAionGPS定位技术与应用 2010.12可利用可利用(12)的值求得的值求得dion1 和和 dion2的值的值(只只有电离层对两观测值的影响是不同的有电离层对两观测值的影响是不同的)，即可，即可对对 1和和 2 进行改正进行改正:S=1+dion1 =1+1.54573(12)S=2+dion2=2+2.54573(12)GPS定位技术与应用 2010.12（2）利用电离层改正模型加以改正）利用电离层改正模型加以改正a）为了满足高精度）为了满足高精度GPS测量的需要测量的需要,可利用可利用Fritzk、Bru

15、nner等人提供的电离层延迟改正模型等人提供的电离层延迟改正模型(其考虑其考虑折射率折射率 n 的高阶项影响和地磁场的影响的高阶项影响和地磁场的影响),其精度其精度优于优于 2mm。b）对于单频）对于单频GPS接收机接收机,为了削弱电离层的影响为了削弱电离层的影响可利用导航电文提供的电离层改正模型加以改正。可利用导航电文提供的电离层改正模型加以改正。但由于其能反映全球的平均状况但由于其能反映全球的平均状况,与各地的实际情况与各地的实际情况必然会有一定的差异必然会有一定的差异,所以其改正效果仅能改正电离所以其改正效果仅能改正电离层折射误差的层折射误差的 75左右。左右。GPS定位技术与应用 20

16、10.12（3）利用同步观测值求差分）利用同步观测值求差分 对于短基线既使是单频对于短基线既使是单频GPS接收机也可达到相当高接收机也可达到相当高的精度。但随着距离长度的增加的精度。但随着距离长度的增加,其精度会随之明显其精度会随之明显下降。下降。（4）码）码/载波相位扩散技术载波相位扩散技术(CCD技术技术)测距码观测值测距码观测值:载波相位观测值载波相位观测值:将二者结合处理可基本消除电离层折射误差的影响将二者结合处理可基本消除电离层折射误差的影响,使单频使单频GPS接收机的测程扩大到接收机的测程扩大到200Km左右。左右。seiondsNfCd228.40seiondsNfCd228.4

17、0GPS定位技术与应用 2010.12l（5）选择最佳的观测时间进行观测）选择最佳的观测时间进行观测l 由于电离层折射误差影响的大小与电由于电离层折射误差影响的大小与电磁波信号传播路径上的电子总量有密切磁波信号传播路径上的电子总量有密切的关系，所以选择最佳的观测时间（例的关系，所以选择最佳的观测时间（例如在晚上或夜间）进行观测，此时大气如在晚上或夜间）进行观测，此时大气电离的程度小、电子总量少，从而达到电离的程度小、电子总量少，从而达到减弱电离层折射误差影响的目的。减弱电离层折射误差影响的目的。GPS定位技术与应用 2010.124.3.2 对流层折射误差 1、对流层及其影响 对流层是指高度在

18、对流层是指高度在40Km（约占整个大气层质（约占整个大气层质量的量的99）以下的大气底层）以下的大气底层,其密度比电离层要大其密度比电离层要大,呈中性。与地面接触受地面辐射热能和人类活动呈中性。与地面接触受地面辐射热能和人类活动的影响，大气状态更为复杂。当的影响，大气状态更为复杂。当GPS卫星信号通卫星信号通过对流层时其传播路径会产生弯曲过对流层时其传播路径会产生弯曲,由此使所测的由此使所测的星站距离产生的误差就叫星站距离产生的误差就叫对流层折射误差。GPS定位技术与应用 2010.12对流层折射误差其数值可达几米对流层折射误差其数值可达几米(GPS卫卫星信号在天顶方向时星信号在天顶方向时)到

19、十几米到十几米(GPS卫星信卫星信号号接近地平方向时接近地平方向时)。对流层折射误差大小与。对流层折射误差大小与温度、湿度、气压、信号的高度角E和测站高程有关。GPS定位技术与应用 2010.122、消除或削弱对流层影响的方法和措施:（1）利用模型加以改正（a）霍普菲尔德公式）霍普菲尔德公式:（b）萨斯塔莫宁公式）萨斯塔莫宁公式:;25.2Esin25.6Esin212212wdwdKKSSS;tan05.01255Esin002277.02EaeTPSSSSGPS定位技术与应用 2010.12同一套气象参数同一套气象参数,利用各种模型算出改正数利用各种模型算出改正数的较差一般仅为几的较差一般

20、仅为几mm至几至几Cm。但如果气象。但如果气象参数的测定有误差参数的测定有误差,利用模型计算出改正数的利用模型计算出改正数的实际误差会比模型本身误差大一个数量级。实际误差会比模型本身误差大一个数量级。所以在进行精密所以在进行精密GPS测量时，气象参数要实测量时，气象参数要实际测量。际测量。亦可将有关参数设为未知数参与平差。亦可将有关参数设为未知数参与平差。GPS定位技术与应用 2010.12（2）利用同步观测值求差分 当两站距离相距不太远时当两站距离相距不太远时(S 20Km),效果非常好效果非常好,并被广泛应用在精密并被广泛应用在精密GPS相对相对定位中。但随着两站距离长度的增加定位中。但随

21、着两站距离长度的增加,其精其精度会随之下降。度会随之下降。实用中星际求差分比站际求差分效果要好(为什么?)！GPS定位技术与应用 2010.124.3.3、多路径效应误差 接收机天线除接收卫接收机天线除接收卫星的信号外星的信号外,亦有可能接亦有可能接收到经天线周围地物一收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信次或多次反射的卫星信号号,两种或多种信号叠加两种或多种信号叠加使观测量产生误差即为使观测量产生误差即为多路径误差(亦称为多路径效应)。GPS定位技术与应用 2010.12GPS定位技术与应用 2010.12 多路径效应误差随天线周围地形和地物多路径效应误差随天线周围地形和地物的不同而不有所

22、不同。的不同而不有所不同。一方面它可以使观测值产生误差一方面它可以使观测值产生误差,其值其值最大可达米级。最大可达米级。另一方面它可以使载波相位测量产生另一方面它可以使载波相位测量产生周跳周跳,而且有时会导致卫星信号的失锁。而且有时会导致卫星信号的失锁。所以在精密所以在精密 GPS 测量定位中测量定位中,多路径效应多路径效应误差的影响决不可忽视。误差的影响决不可忽视。GPS定位技术与应用 2010.12削弱多路径误差影响的方法和措施:（1）选择合适的站址）选择合适的站址(远离信号源和反射源远离信号源和反射源)。（2）对接收机天线的完善）对接收机天线的完善:（a）设置抑径板）设置抑径板(见图见图

23、)。（b）不接收小角度信号）不接收小角度信号(见图见图)。（3）适当延长观测时间）适当延长观测时间,削弱多路径效应中削弱多路径效应中的周期性影响。的周期性影响。GPS定位技术与应用 2010.12GPS定位技术与应用 2010.12GPS定位技术与应用 2010.12GPS定位技术与应用 2010.124.4.1、接收机时钟误差接收机时钟误差的概念！接收机时钟误差的概念！削弱接收机时钟误差的方法和措施削弱接收机时钟误差的方法和措施:（1）将每一观测时刻的接收机时钟误差设为未知数）将每一观测时刻的接收机时钟误差设为未知数,与测站的位置坐标以一起求解。与测站的位置坐标以一起求解。（2）将接收机时钟

24、误差表示为时间多项式）将接收机时钟误差表示为时间多项式:这样可以大大减少未知数的个数这样可以大大减少未知数的个数(各系数的意义各系数的意义)。（3）利用在卫星间求一次差分的方法来消除接收机）利用在卫星间求一次差分的方法来消除接收机时钟误差的影响。时钟误差的影响。202010ttattaatGPS定位技术与应用 2010.124.4.2、接收机的位置误差接收机的位置误差的概念！接收机的位置误差的概念！一般接收机的位置误差为几一般接收机的位置误差为几mm几个几个Cm级。级。（取决于仪器设备的质量、观测者的业务技术水平（取决于仪器设备的质量、观测者的业务技术水平和工作态度）和工作态度）削弱接收机位置

25、误差的方法和措施:（1）精确整平对中）精确整平对中(技术水平、工作态度技术水平、工作态度)。（2）建立观测墩）建立观测墩,强制对中强制对中(在变形监测中经常使在变形监测中经常使用用)。GPS定位技术与应用 2010.124.4.3 天线相位中心位置的误差天线相位中心位置误差的概念！天线相位中心位置误差的概念！天线相位中心随信号的强度和方向的不同天线相位中心随信号的强度和方向的不同而有所不同。而有所不同。削弱天线相位中心位置误差的方法和措施削弱天线相位中心位置误差的方法和措施:各测站同时观测同一组卫星各测站同时观测同一组卫星,并尽量使各天线并尽量使各天线同方向，使各天线受影响相同，在差分中预同方

26、向，使各天线受影响相同，在差分中预以削弱。以削弱。GPS定位技术与应用 2010.12一、地球自转的影响式中式中,的几何意义的几何意义!jijjjZYXZYX00000sin0sin0ZYXZYXjjjji,GPS定位技术与应用 2010.12由于由于1.5,现取至一次项时可简化为现取至一次项时可简化为:二、地球潮汐改正 固体潮和负荷潮会使测站的位置产生移固体潮和负荷潮会使测站的位置产生移动动,最多可达几十最多可达几十Cm。在精密。在精密GPS测量定位中测量定位中应应考虑其影响。考虑其影响。jjjZYXZYX0000000GPS定位技术与应用 2010.12l1、名词解释：卫星时钟误差、卫星星历误差、名词解释：卫星时钟误差、卫星星历误差、相对论效应误差、电离层折射误差、对流层相对论效应误差、电离层折射误差、对流层折射误差、多路径效应误差、接收机时钟误折射误差、多路径效应误差、接收机时钟误差、接收机位置误差、接收机天线相位中心差、接收机位置误差、接收机天线相位中心位置误差。位置误差。l试述在试述在GPS测量定位中都存在有哪些误差？测量定位中都存在有哪些误差？是如何进行分类的？是如何进行分类的？l在在GPS测量定位中，通常可以采取哪些方法测量定位中，通常可以采取哪些方法和措施来消除或削弱误差的影响？和措施来消除或削弱误差的影响？