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1、1GPS原理及其应用2第五章 GPS定位中的误差源5.1 GPS测量误差分类5.2 与GPS卫星有关的误差5.3 与卫星信号传播有关的误差5.4 与接受机有关的误差5.5 其他误差来源35.1 测量误差分类4与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏移和变化接收机钟差接收机内部噪声按照GPS测量误差来源分56 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，称为等效距离误差。7GPS测量误差的性质偶然误差内容卫星信号发生部分的随机噪声接收机信号接收处理部分的随机噪声其它外
2、部某些具有随机特征的影响特点随机量级小 毫米级包括多路径效应误差和观测误差等8GPS测量误差的性质系统误差（偏差-Bias）内容其它具有某种系统性特征的误差特点具有某种系统性特征量级大 最大可达数百米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。GPS测量误差的大小SPS（无SA）10GPS测量误差的大小SPS（有SA）11GPS测量误差的大小PPS，双频，P/Y-码12消除或消弱各种误差影响的方法模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式所针对的误差源相对论效应电离层延迟对流
3、层延迟卫星钟差限制：有些误差难以模型化。13消除或消弱各种误差影响的方法求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。所针对的误差源电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱14消除或消弱各种误差影响的方法参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计15消除或消弱各种误差影响的方法回避法原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱
4、误差的影响适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。所针对的误差源电磁波干扰多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性165.2 与GPS卫星有关的误差1、GPS卫星星历误差 由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，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用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约20-40m。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5-10m。卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。17 卫星轨道偏差对绝对定位的影响可达几十米到一百米。而在相对
5、定位中，由于相邻测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响，不过，随着基线距离的增加，卫星轨道偏差引起的基线误差将不断加大。GPS卫星到地面观测站的最大距离约为25000km，如果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。从表中可见，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。基线长度基线相对误差容许轨道误差1.0km1010-6250.0m10.km110-625.0m100.0km0.110-62.5m1000.0km0.0110-60.25m18在GPS定位中，根据不同要求，处理轨道误差的
6、方法原则上有三种；忽略轨道误差：广泛用于实时单点定位。采用轨道改进法处理观测数据：卫星轨道的偏差主要由各种摄动力综合作用而产生，摄动力对卫星6个轨道参数的影响不相同，而且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。因此在用轨道改进法进行数据处理时，根据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法和半短弧法。19短弧法：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。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数，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10m，而计算量明显减
7、小。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。当基线较短时，有效性尤其明显，而对精密相对定位，也有极其重要意义。202、卫星钟差包括系统性误差（如钟差、钟速、频飘等偏差），也包括随机误差。应对方法 模型改正钟差改正多项式 其中a0为ts时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，a2为老化率。相对定位或差分定位213、相对论效应狭义相对论效应广义相对论效应22相对论效应对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
8、变慢23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：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快24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令：令：25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：265、3与卫星信号传播有关的误差1、电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路径上的电子总量。通常采取的措施：利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并对观测量加以修正。其有效性不
9、低于95%.利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用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。目前模型改正的有效性约为75%，至今仍在完善中。利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小于20km）时，卫星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10-6。272、对流层的影响对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分量两部分。干分量主要与大气温度和压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。目前湿分量的影响尚无法准确确定。对流层影响的处理方法：定位精度要求不高时，忽略不计。采用对流层模型加以改正。引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。观
10、测量求差。283、多路径效应也称多路径误差，即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置变化，使观测量产生误差。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。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。采取措施：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。选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。适当延长观测时间，削弱周期性影响。改善接收机的电路设计。29305.4与接收机有关的误差1、接收机钟差定义GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时
11、之间存在的偏差和漂移。应对方法作为未知数处理相对定位或差分定位31 GPS接收机一般采用石英钟，假如接收机钟与卫星钟的同步误差为1s，则相应的测距误差约为300m。在相对定位中可采用双差观测量以消除或削弱接收机钟差的影响。也可通过在每一历元引入一个接收机钟差未知数，通过平差系统估计出接收机钟差的值，但这显然会大大增加待估未知数的个数。还可象处理卫星钟差的办法，用多项式来模拟接收机钟差，以减少待估参数的个数。322、观测误差观测误差：除分辨误差外，还包括接收天线相对测站点的安置误差。分辨误差一般认为约为信号波长的1%。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。例如当
12、天线高1.6m,置平误差0.10，则对中误差为2.8mm。33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L224.45cm2.5mm343、载波相位观测的整周未知数 信号的遮挡或强外电磁源的影响会引起相位跟踪时整周计数器计数出现差错，即周跳现象。354、天线的相位中心偏差天线的相位中心与其几何中心的偏差称为天线相位中心偏差。GPS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。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。如何减小相位中心的偏移，是天线设计的一个迫切问题。处理办法：在相对定位中可通过使用同类型的天线并且使每次测量的天线处于固定方向（如指向磁北）来减弱天线相位中心偏差的影响。365、5 其他误差1、地球自转的影响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旋转（绕Z轴）。若取为地球的自转速度，则旋转的角度为=ij。ij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：372、地球潮汐改正