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1、2概概 述述pGPSGPS定位中，影响观测量精度的主要误差源定位中，影响观测量精度的主要误差源n与与卫星卫星有关的误差有关的误差n与与信号传播信号传播有关的误差有关的误差n与与接收设备接收设备有关的误差有关的误差p 为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站为了便于理解，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，称为星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离等效距离误差误差5.1.1 误差的分类误差的分类3测码伪距的等效距离误差（测码伪距的等效距离误差（m）误差来源误差来源P码码C/A码码卫星卫星星历与模型误差星历与模型误差钟差与稳定度钟差与稳定度卫星摄动卫星摄动相位不
2、确定性相位不确定性其它其它合计合计4.23.01.00.50.95.44.23.01.00.50.95.4信号传播信号传播电离层折射电离层折射对流层折射对流层折射多路径效应多路径效应其它其它合计合计2.32.01.20.53.35.0-10.02.01.20.55.5-10.3接收机接收机接收机噪声接收机噪声其它其它合计合计1.00.51.17.50.57.5总计总计6.410.8-13.6p （1 1）系统误差系统误差：主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接：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。为了减弱和修正系统误收机钟差、以及大气折射的误差等。为了减弱和修正系
3、统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因而采取不差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因而采取不同的措施，包括：同的措施，包括：n 引入相应的引入相应的未知参数未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并求解。，在数据处理中联同其它未知参数一并求解。n 建立建立系统误差系统误差模型模型，对观测量加以修正。，对观测量加以修正。n 将不同观测站，对相同卫星的同步观测值将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差求差，以减弱和消除系统误，以减弱和消除系统误差的影响。差的影响。n 简单地简单地忽略忽略某些系统误差某些系统误差的影响。的影响。p （2 2）偶然误差偶然误差：包括多路径效应误差和观测
4、误差等。：包括多路径效应误差和观测误差等。n 选用较好的硬件和观测条件选用较好的硬件和观测条件n 延长观测时间延长观测时间5.1.1 误差的分类（根据误差的性质分类）误差的分类（根据误差的性质分类）56与卫星有关的误差与卫星有关的误差pGPS观测量均以观测量均以精密测时精密测时为依据。为依据。pGPS定位中，无论码相位观测还是载波相位观测，定位中，无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与接收机钟保持都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步严格同步。p实际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可实际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存在避免地存在钟差钟差和和漂移漂移，偏差总量约在，偏
5、差总量约在1 ms内，引内，引起的等效距离误差可达起的等效距离误差可达300km。5.2.1 卫星钟差卫星钟差7p通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，参数由参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户,并用并用二阶多项式表示：二阶多项式表示： 5.2.1 卫星钟差卫星钟差2012()()joeoetaa tta tt8卫星钟钟速钟差常值卫星钟的钟速变率参考历元 经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保持在经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保持在510ns以内，引起的等效距离偏差不超过以内，引起的等效距离偏
6、差不超过3m。p通过精密星历获得精确的卫星钟差值通过精密星历获得精确的卫星钟差值n e.g. PPP应用，应用，IGS给出给出0.1nsp卫星钟经过改正的残差，在相对定位中，可通过观测卫星钟经过改正的残差，在相对定位中，可通过观测量量求差（差分）求差（差分）方法消除。方法消除。5.2.1 卫星钟差卫星钟差9 3.4 GPS 3.4 GPS卫星星历卫星星历p 卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。一时刻的轨道根数及其变率。p根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度
7、，精密的轨道信息是精密定位的基础。度，精密的轨道信息是精密定位的基础。pGPS卫星星历按照发布的时间卫星星历按照发布的时间n预报星历（广播星历）预报星历（广播星历）n后处理星历（精密星历）后处理星历（精密星历）105.2.2 卫星轨道偏差（星历误差）卫星轨道偏差（星历误差）p由于卫星在运动中受多种由于卫星在运动中受多种摄动力摄动力的复杂影响，而通过的复杂影响，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用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。难。p目前，通过目前，通过导航电文导航电文所
8、得的卫星轨道信息，相应的位所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约置误差约10m左右。左右。p随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，卫星的位置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精度将可提高到5m左右左右,精密轨道的精度为精密轨道的精度为5cm以内以内p卫星的轨道误差是当前卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一定位的重要误差来源之一5.2.2 卫星轨道偏差（星历误差）卫星轨道偏差（星历误差）11p卫星轨道偏差对卫星轨道偏差对绝对定位绝对定位的影响可达几十米到一百米。的影响可达几十米到一百米。p而在相对定位中，由于相邻测站星历误差具有很强的相而在相对定位中，由于相邻测
9、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，随着响。不过，随着基线距离的增加基线距离的增加，卫星轨道偏差引起的，卫星轨道偏差引起的基线误差基线误差将不断加大。将不断加大。5.2.2 卫星轨道偏差（星历误差）卫星轨道偏差（星历误差）12dbbdbb101415.2.2 卫星轨道偏差（星历误差）卫星轨道偏差（星历误差）13 星历误差对相对定位的影响一般采用星历误差对相对定位的影响一般采用下列公式估算：下列公式估算：卫星星历误差卫星星历误差所引起的基线所引起的基线误差误差基线长基线长星历误差星历误差卫星至测站的距卫星
10、至测站的距离离基线长度基线长度基线相对误差基线相对误差容许轨道误差容许轨道误差1.0km110-5250.0m10.km110-625.0m100.0km110-72.5m1000.0km110-80.25m5.2.2 卫星轨道偏差（星历误差）卫星轨道偏差（星历误差）14n GPS卫星到地面观测站的最大距离约为25000km，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。n可见，在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨在相对定位中，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。道误差将成为影响定位精度的主要因素。在在GPSGPS定位中，根据不同要
11、求，处理轨道误差方法定位中，根据不同要求，处理轨道误差方法: :p 忽略轨道误差：忽略轨道误差：广泛用于实时单点定位。广泛用于实时单点定位。p 采用精密星历采用精密星历 ：e.g. IGSe.g. IGSp 同步观测值求差：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，也有极其重要短时，有效性尤其明显，而对精
12、密相对定位，也有极其重要意义。意义。5.2.2 卫星轨道偏差（星历误差）卫星轨道偏差（星历误差）15p 采用轨道改进法处理观测数据：采用轨道改进法处理观测数据：卫星轨道的偏差由各种摄动力卫星轨道的偏差由各种摄动力综合作用产生，在对卫星轨道摄动进行修正时，所采用的各摄综合作用产生，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。动力模型精度也不一样。p 根据引入轨道偏差改正数的不同，分为根据引入轨道偏差改正数的不同，分为n 短弧法：短弧法：引入全部引入全部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
13、差影响，但计算工作量大。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。n 半短弧法：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（如数（如轨道切向、径向和法向轨道切向、径向和法向），引入相应的改正数作为待估参数。据），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。，而计算量明显减小。5.2.2 卫星轨道偏差（星历误差）卫星轨道偏差（星历误差）1617与卫星信号传播有关与卫星信号传播有关的误差的误差5.3.1 大气层与电磁波大气层
14、与电磁波 地球大气结构及其性质地球大气结构及其性质p 对流层对流层n 0 040km40kmn 各种气体元素、水蒸气和各种气体元素、水蒸气和尘埃等尘埃等n 非弥散介质（电磁波的传非弥散介质（电磁波的传播速度与频率无关）播速度与频率无关）p 电离层电离层n 约约70km70km以上以上n 带电粒子带电粒子n 弥散介质（电磁波的传播弥散介质（电磁波的传播速度与频率有关）速度与频率有关）60101 nN18p弥散介质弥散介质：根据大气物理学，如果电磁波在某种介：根据大气物理学，如果电磁波在某种介质中的质中的传播速度与频率有关传播速度与频率有关，则该介质成为弥散介，则该介质成为弥散介质。质。p群波群波
15、：如果把具有不同频率的多种波叠加，所形成：如果把具有不同频率的多种波叠加，所形成的复合波称为群波。的复合波称为群波。p在具有速度弥散现象的介质中，在具有速度弥散现象的介质中，单一频率正弦波单一频率正弦波的的传播与群波的传播是不同的。传播与群波的传播是不同的。5.3.1 大气层与电磁波大气层与电磁波 19p信号传播信号传播n非弥散介质非弥散介质对流层对流层与大气压力、温度、湿度有关与大气压力、温度、湿度有关n弥散介质弥散介质电离层电离层与电子密度有关与电子密度有关n单一相波单一相波载波相位载波相位n群波群波测距码测距码5.3.1 大气层与电磁波大气层与电磁波 20p在电离层中，由于太阳和其它天体
16、的强烈辐射，大部在电离层中，由于太阳和其它天体的强烈辐射，大部分气体分子被电离，产生了密度很高的自由电子，在分气体分子被电离，产生了密度很高的自由电子，在离子化的大气中，单一频率正弦波相折射率的弥散公离子化的大气中，单一频率正弦波相折射率的弥散公式：式： 式中式中e et t为电荷量（库仑），为电荷量（库仑）， m me e为电荷质量（为电荷质量（kgkg），）， N Ne e为电子密度为电子密度(m(m3)3)， 0 0为真空介质常数为真空介质常数( (库仑库仑2 2/ /牛顿牛顿m m2 2） 21022241etepmfeNn5.3.2 电离层的影响与改正电离层的影响与改正 21p相折射
17、率的弥散公式：相折射率的弥散公式： 式中式中et为电荷量为电荷量/c，me为电荷质量为电荷质量/kg，Ne为电子密为电子密度度/m-3， 0为真空介质常数为真空介质常数/c2kg-1m-3s2。 当当取常数值取常数值et=1.6021 10-19， me=9.11 10-31， 0=8.859 10-12， 并略去二次微小项，可得：并略去二次微小项，可得：21022241etepmfeNn228.401fNnep5.3.2 电离层的影响与改正电离层的影响与改正 22228.401fNnegp在电离层中，单一频率正弦波相折射率的弥散公式，在电离层中，单一频率正弦波相折射率的弥散公式，并略去二次微
18、小项，可得：并略去二次微小项，可得：p根据群折射率与相折射率的关系，可得根据群折射率与相折射率的关系，可得 228.401fNnep23232228.401)28.40(228.40-1)12(28.40-128.40-28.40-1fNnfNffNfnfnnfNffNffNfnfnfnnegeeppgeeepppg）（）（）（5.3.2 电离层的影响与改正电离层的影响与改正 23p相折射率与群折射率：相折射率与群折射率：n 相折射率相折射率np与群折射率与群折射率ng二者不同二者不同n 当当f f确定后，确定后，n n取决于取决于 N Ne e；n 载波相位和码相位修正量分别采用载波相位和码
19、相位修正量分别采用n np p和和n ng gp当电磁波沿天顶方向通过电离层时，由于折射率的变当电磁波沿天顶方向通过电离层时，由于折射率的变化而引起的传播路径距离差和相位延迟，一般可写为化而引起的传播路径距离差和相位延迟，一般可写为：(1),(1)sscndsndsf221 40.28,1 40.28eepgNNnnff 5.3.2 电离层的影响与改正电离层的影响与改正 24称为总电子含量，则令为所造成的距离延迟电离层折射对群波相位为迟波相位所造成的距离延电离层折射对单一正弦NNcfctNfNcfctNfdsNNdsNfdsfNdsdsfNdsdsndsNfdsfNdsdsfNdsdsnggg
20、pppeeeegggeeeppp2222220202202028.4028.4028.4028.4028.40)28.40()28.401 (28.40)28.40- ()28.40-1 (5.3.2 电离层的影响与改正电离层的影响与改正 p由由相折射率相折射率和和群折射率群折射率引起的路径传播误差引起的路径传播误差( (m) )和时间延迟和时间延迟( (ns) )分别为分别为27227240.281.3436 1040.281.3436 10ppggNfNtfNfNtf 5.3.2 电离层的影响与改正电离层的影响与改正 26电离层地球柱体底面积为1 m2N5.3.2 电离层的影响与改正电离层
21、的影响与改正 27载波相位测量与伪距测量的电离层改正大小相等、符号相反载波相位测量与伪距测量的电离层改正大小相等、符号相反电离层产生的各延迟量，为信号频率和电子总量的函数电离层产生的各延迟量，为信号频率和电子总量的函数 当信号频率当信号频率f f确定后，取决于确定后，取决于电子总量电子总量 N N 电离层的电子密度与以下因素有关：电离层的电子密度与以下因素有关： 太阳辐射强度太阳辐射强度，尤其太阳黑子活动强度（活动高峰期为低峰期，尤其太阳黑子活动强度（活动高峰期为低峰期4 4倍）倍） 季节季节（冬季与夏季相差可达（冬季与夏季相差可达4 4倍）倍） 时间时间 （白天约为夜间的（白天约为夜间的5
22、5倍）倍） 偏离天顶方向偏离天顶方向 e.g. e.g.沿天顶方向沿天顶方向50m50m，沿水平方向最大可达，沿水平方向最大可达150m150m电子密度与大气高度的关系电子密度与大气高度的关系5.3.2 电离层的影响与改正电离层的影响与改正 28电子含量与地方时的关系电子含量与地方时的关系5.3.2 电离层的影响与改正电离层的影响与改正 29电子含量与太阳活动情况的关系电子含量与太阳活动情况的关系p与太阳活动密切相关，太阳与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加活动剧烈时，电子含量增加p太阳活动周期约为太阳活动周期约为11年年1700年年 1995年太阳黑子数年太阳黑子数30电子含量与
23、地理位置的关系电子含量与地理位置的关系2002.5.15 0:00 24:00 2小时间隔全球小时间隔全球TEC分布分布31p利用双频观测利用双频观测n方法：利用不同频率电磁波信号进行观测，对观测量方法：利用不同频率电磁波信号进行观测，对观测量加以修正。加以修正。n改正效果：其有效率不低于改正效果：其有效率不低于95%p利用电离层模型加以改正利用电离层模型加以改正n方法：对单频接收机，由导航电文提供的或其它适宜方法：对单频接收机，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。电离层模型对观测量进行改正。n效果：目前模型改正的有效率约为效果：目前模型改正的有效率约为75%，仍在完善，仍在
24、完善p利用同步观测值求差利用同步观测值求差n方法：当观测站间的距离较近（小于方法：当观测站间的距离较近（小于20km）时，卫星）时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过差不超过10-6。n效果：改正效果最好效果：改正效果最好5.3.2 电离层的改正电离层的改正 - 方法分类方法分类 3233电离层延迟的双频改正电离层延迟的双频改正54573. 254573. 13928. 06469. 015412015412012015421,28.4021212222222121222122222211212221222222212122
25、212221212221222211212ffffffffffAffffAffffAfAfAfAfASSPLPLfANAg即：得：则：实际的站星几何距离为码所测定的站星距离为上的采用码所测定的站星距离为上的采用设：，即有电离层延迟改正令电离层改正的经验模型简介电离层改正的经验模型简介 Bent模型 由美国的R.B.Bent提出 描述电子密度 是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数 国际参考电离层模型（IRI International Reference Ionosphere） 由国际无线电科学联盟（URSI International Union of Radio Science）和空间研
26、究委员会（COSPAR - Committee on Space Research）提出 描述高度为50km-2000km的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等 以地点、时间、日期等为参数电离层改正的经验模型简介电离层改正的经验模型简介 Klobuchar(克罗布歇)模型 由美国的J.A.Klobuchar提出 描述电离层的时延 广泛地用于GPS导航定位中 GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用KlobucharKlobuchar模型模型 中心电离层电离层地球约350km中心电离层电离层穿刺点 IP天顶方向ZKlobucharKlobuchar模型模型 模型算法9303
27、02sec5 10cos(14 );(0,1,2,3)(0,1,2,3)hgiimiiimiiimTZAtPAPiiIP 信号的电离层穿刺点处天顶方向的电离层时延其中：；由卫星所发送的导航电文提供；为信号的电离层穿刺点处的地磁纬度，可采用下面步骤计算电离层地球约 350km中心电离层电离层穿刺点IP天顶方向ZKlobucharKlobuchar模型模型 模型算法（续） 改正效果：可改正60左右445()4 ,20,cossincos291.078.411.6 cos(291.0 )15secIPIPIPSIPSSmIPIPIPSIPEAelelIPEAaaEAatIPtUTZIP 计算测站 和
28、在点心的夹角：为测站处卫星的高度角计算点的地心经纬度：；为卫星的方位角考虑到目前地磁北极位于东经，北纬有为处的地方时为卫星信号在处的天顶距：39612 ()90elZ 电离层地球约350km中心电离层电离层穿刺点I P天顶方向Z地心测站SEA地地5.3.3 对流层的影响与改正对流层的影响与改正 395.3.3 对流层的影响与改正对流层的影响与改正 p在对流层中，折射率略大于在对流层中，折射率略大于1 1，随着高度的增加逐，随着高度的增加逐渐减小：渐减小：n当接近对流层顶部时，其值接近于当接近对流层顶部时，其值接近于1 1。n对流层的折射影响，在天顶方向（高度角对流层的折射影响，在天顶方向（高度
29、角90900 0）可产生）可产生2.3m2.3m的电磁波传播路径误差的电磁波传播路径误差n当高度角为当高度角为10100 0时，传播路径误差可达时，传播路径误差可达20m20m。在精密定位。在精密定位中，对流层的影响必须顾及。中，对流层的影响必须顾及。p对流层的折射率与对流层的折射率与大气压力、温度大气压力、温度和和湿度湿度关系密切关系密切n变化复杂，对变化复杂，对n n的变化和影响，难以精确模型化。的变化和影响，难以精确模型化。40对流层延迟对流层延迟( (tropospheric delay)tropospheric delay)00( 1) (1)1 (1)1 (1)(1)(1)1(1(
30、 1)1Kkttttktttskkkcvnnrefractiveindex of atmosphereccvdtdtdtcn dtnncndtcdtc ndtctndsxxx 称为大气折射系数（）设为信号传播的真实距离，则当时，有故：称6(1)(1)(1) 10ssndsndsNnatmospheric refractivity：为对流层延迟，对流层改正。通常令：，称其为大气折射率（）大气折射率大气折射率N N与气象元素的关系与气象元素的关系 大气折射率N与温度、气压和湿度的关系 Smith和Weintranb，1954 对流层延迟与大气折射率N。为水气压，单位；单位为气温，为绝对温度，；为大
31、气压，单位称为湿气分量；称为干气分量；mbareKTmbarPNNTeTPNNNwdwd248106 .776 .77swsdsdsNdsNNdss161616101010霍普菲尔德（霍普菲尔德（HopfieldHopfield）改正模型）改正模型 对流层折射模型为水气压的协议高度）（对流层湿项偏差改正对流层外边缘高度）（swsdswsswsdssdwdwdehThhheTKhhTPKEKEKsss11000(16.27372.14840136)(4810102 .155)(102 .155)25. 2sin()25. 6sin(277212212萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoine
32、nSaastamoinen）改正模型）改正模型 原始模型有关，可查表获得。和与有关，可查表获得；与其中：sssssssshERhBhhWRhWEtgBeTPEs00028. 02cos0026. 01),(),()05. 01255(sin002277. 02萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（SaastamoinenSaastamoinen）改正模型）改正模型 拟合后的公式283210716. 01015. 016. 1)4810(16)05. 01255(sin002277. 0sssssssshhactgEeTPTEEEEEtgaeTPEs其中：勃兰克（勃兰克（BlackBlack）改正模型）改正模
33、型20. 0)69. 3(002312. 013000)96. 3(98.148)6 . 0(92. 1)273(00015. 0076. 0833. 0)()1 (1cos(1)()1 (1cos(1123 . 002020wsssdwsdEswwsddKTPTKhThEbTlEbhhlEKEbhhlEKs其中：对流层改正模型综述对流层改正模型综述 不同模型所算出的高度角30以上方向的延迟差异不大 Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式 Saastamoinen模型与Hopfield模型的差异要大于Black模型与Hopfield模型的差异气象元素的测定气象元素的测定 气象元
34、素 干温、湿温、气压 干温、相对湿度、气压 测定方法 普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计 自动化的电子仪器气象元素的测定气象元素的测定 水气压es的计算方法 由相对湿度RH计算 由干温、湿温和气压计算)000256908. 0213166. 02465.37(2sTsTeReHssPwTsTwTweseWTgWTgWTgwTgwTgeTeww)()31068. 11 (4105 . 4)(3)(2)(1)()(02808. 5)16.373(246.10131)16.3731 (1205.26) 116.373(03945. 87321101813. 3)()1 (0187265. 0)()
35、 116.373(19728.18)(wTwTeTgeTgTTgwwww对流层模型改正的误差分析对流层模型改正的误差分析 模型误差 模型本身的误差 气象元素误差 量测误差 仪器误差 读数误差 测站气象元素的代表性误差 实际大气状态与大气模型间的差异p分为干分量和湿分量：分为干分量和湿分量：n干分量干分量主要与大气温度和压力有关主要与大气温度和压力有关n湿分量湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关，湿主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关，湿分量的影响尚无法准确确定。分量的影响尚无法准确确定。p对流层影响的处理方法：对流层影响的处理方法：n定位精度要求不高时，定位精度要求不高时，忽略忽
36、略不计不计n采用采用对流层对流层模型模型加以改正加以改正n引入描述对流层的附加引入描述对流层的附加待估参数待估参数，在数据处理中求解，在数据处理中求解n观测量观测量求差求差对流层的影响与改正小结对流层的影响与改正小结 51p 目前采用的各种对流层模型，即使应用实时测量的气象资料，目前采用的各种对流层模型，即使应用实时测量的气象资料，电磁波的传播路径，经过对流层折射改正后的残差，仍保持在电磁波的传播路径，经过对流层折射改正后的残差，仍保持在对流层影响的对流层影响的5%5%左右。左右。p 减弱对流层折射改正项残差影响主要措施：减弱对流层折射改正项残差影响主要措施：n 充分地掌握观测站周围地区的充分
37、地掌握观测站周围地区的实时气象资料实时气象资料n 利用利用水汽辐射计水汽辐射计，准确地测定电磁波传播路径上的水汽积累量，以，准确地测定电磁波传播路径上的水汽积累量，以便精确的计算大气湿分量的改正项。但设备庞大价格昂贵，难以普便精确的计算大气湿分量的改正项。但设备庞大价格昂贵，难以普遍采用遍采用n 当基线较短时当基线较短时(20km)(20km)，稳定的大气条件下，利用，稳定的大气条件下，利用差分法差分法来减弱大气来减弱大气折射的影响折射的影响n 完善对流层大气折射的完善对流层大气折射的改正模型改正模型对流层的影响与改正小结对流层的影响与改正小结 52p 接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还
38、可能收到经天线周围地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。置变化，使观测量产生误差。n 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。厘米级。n 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5.3.4 多路径效应（多路径误差）多路径效应（多路径误差） 53反射波反射波 反射波的几何
39、特性 反射波的物理特性 反射系数a 极化特性 GPS信号为右旋极化 反射信号为左旋极化zHzHzzHzzHzGAzGAGAOAGAsin42sin2)sin21 (1 (sin)2cos1 (sin)2cos1 (2cos2为：号的相位差反射信号相对于直接信为：号多经过的路径长度反射信号相对于直接信HAOGSSSzz2z多路径误差多路径误差 受多路径效应影响的情况下的接收信号tUtUtUtUtUStUatUatUatUatUtUatUSSStUaStUSrdrdsin)sin(cos)cos(sinsincoscos)cos(sin)sin(cos)cos1 (sinsincoscoscos)
40、cos(cos)cos(cos为：因为接收信号也可表示实际接收信号：反射信号：直接信号：)cos1sin(cos1sincos21)sin()cos()cos21 (sin)cos(cos21 (sincos1sinsincoscos1222222222aaarctgaatgaaaaaaaaaaa得：除以第二式，有将上面两式中的第一式得：）（）（）（有对上面两式求平方和，则有：多路径误差多路径误差多路径误差多路径误差 多路径的数值特性 受多个反射信号影响的情况aaaaaaaaaaaaaddarcsin;)arccos(0)sincos1)(cos1 (cos)cos1 (sincos)cos1
41、 ()cos1sin(11max2222取得极值时，则，当)cos1sin(11niiiniiiaaarctg多路径误差的多路径误差的特点特点 与测站环境有关 与反射体性质有关 与接收机结构、性能有关应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法 观测上 选择合适的测站，避开易产生多路径的环境易发生多路径的环境易发生多路径的环境应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法 硬件上 采用抗多路径误差的仪器设备 抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线 抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等抗多路径效应的天线抗多路径效应的
42、天线p安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、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。平坦光滑的地面和建筑表面。p选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。p适当延长观测时间，削弱周期性影响。适当延长观测时间，削弱周期性影响。p改善接收机的电路设计。改善接收机的电路设计。应对多路径误差的方法小结6162与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差p主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不确定性影响。和载波相位观测的整周不确定性影响。（1 1）观测
43、误差观测误差：分辨误差、安置误差。：分辨误差、安置误差。p 分辨误差一般认为约为信号波长的分辨误差一般认为约为信号波长的1%1%。p 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。度（天线高）误差。n例如当天线高例如当天线高1.6m ,1.6m ,置平误差置平误差0.10.10 0，则对中误差为，则对中误差为2.8mm2.8mm。5.4.1 观测误差观测误差 63码相位与载波相位的分辨误差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L2
44、24.45cm2.5mm5.4.1 观测误差观测误差 64pGPSGPS接收机一般设有高精度的接收机一般设有高精度的石英钟石英钟，日频率稳定度，日频率稳定度约为约为1010-11-11。如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为。如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为1 1 s s，则引起的等效距离误差为，则引起的等效距离误差为300m300m。p处理接收机钟差的方法：处理接收机钟差的方法：n作为作为未知数未知数，在数据处理中求解。，在数据处理中求解。n利用观测值利用观测值求差求差方法，减弱接收机钟差影响。方法，减弱接收机钟差影响。n定位精度要求较高时，可采用定位精度要求较高时，可采用外接频标外接频标，如
45、铷、铯原子钟，如铷、铯原子钟，提高接收机时间标准精度。，提高接收机时间标准精度。5.4.2 接收机钟差接收机钟差 65p无法直接确定载波相位相应起始历元在传播路径上变无法直接确定载波相位相应起始历元在传播路径上变化的整周数。化的整周数。p同时存在因卫星信号被阻挡和受到干扰，而产生信号同时存在因卫星信号被阻挡和受到干扰，而产生信号跟踪中断和整周变跳。跟踪中断和整周变跳。5.4.3 载波相位观测的整周未知数载波相位观测的整周未知数 66p GPSGPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，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
46、。在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致。p 实际上，随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，同时实际上，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与天线的质量有关，可达数毫米至数厘米p 现在已经有仪器生产厂家提供具体改正数现在已经有仪器生产厂家提供具体改正数 北 几何中心 平均相位中心 5.4.1 天线相位中心位置偏差天线相位中心位置偏差 6768其他误差来源其他误差来源p地球自转影响地球自转影响：当卫星信号传播到观测站时，与地球：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相固联的协议地球坐标系相对卫星的瞬时
47、位置已产生旋转（绕旋转（绕Z Z轴）。若取轴）。若取 为地球的自转速度，则旋转的为地球的自转速度，则旋转的角度为角度为 = = ijij。 ijij为卫星信号传播到观测站的时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间延迟。由此引起卫星在上述坐标系中坐标的变化为：jjjZYXZYX00000sin0sin05.5.1 地球自转的影响地球自转的影响 695.5.2 相对论效应相对论效应 狭义相对论 1905 运动将使时间、空间和物质的质量发生变化 广义相对论 1915 将相对论与引力论进行了统一1879.3.141955.4.18相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对
48、卫星钟的影响 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22 1 2222101 () (1)2238742997924580.835 10sssssssssssVffVVfffccfVffffcGPSVm scm sff 若卫星在地心惯性坐标系中的运动速度为 ，则在地面频率为 的钟若安置到卫星上，其频率 将变为：即两者的频率差为考虑到卫星的平均运动速度和真空中的光速，则相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响 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
49、论效应作用下，卫星上钟的频率将变快ffkmkmRsmrRfcfcWWffWWTsTs1022314222210284. 526560637810986005. 3)11(，则卫星的地心距近似取，近似取，若地面处的地心距其中为：将的差异与放在地面上时钟频率则同一台钟放在卫星上，为，地面测站处的重力位为若卫星所在处的重力位相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响 相对论效应对卫星钟的影响 狭义相对论广义相对论:为上时总的变化量钟频率相对于其在地面用下，卫星上义相对论效应的共同作在狭义相对论效应和广fffRacgafffsmm10022110449. 4)231 (因因GPSGPS卫星钟的标
50、准频率为卫星钟的标准频率为10.23MHz10.23MHz，可得，可得 f=0.00455Hzf=0.00455Hz。说明说明GPSGPS卫星钟比其安设在地面上走的快，每秒约差卫星钟比其安设在地面上走的快，每秒约差0.45ms0.45ms。解决相对论效应对卫星钟影响的方法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：MHzMHz52299999954.10)10449. 41 (23.1010，调低后的频率为到卫星上去的钟的频率在地面上调低将要搭载GDrococLrrTtttattaattttmscFt