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1、GPS测量定位技术测量定位技术第五章第五章 GPSGPS测量的误差来源及其影响测量的误差来源及其影响 学习目标第一节 GPS测量的主要误差分类第二节 与卫星有关的误差第三节 卫星信号传播误差第四节 接收设备误差与图形强度第五节 整周跳变分析与整周未知数的确定本章小结思考题与习题GPS测量定位技术测量定位技术第五章第五章 GPS 卫星定位的来源及其影响卫星定位的来源及其影响 学习目标学习目标 了解卫星星历误差，卫星钟误差，相对论效应的产生与消减方法。理解接收机钟误差，相位中心位置误差的产生与消减方法。掌握电离层折射误差、对流层折射误差、多路径误差的产生与消减方法。整周未知数的确定。GPS测量定位
2、技术测量定位技术第一节第一节 GPSGPS测量主要误差分类测量主要误差分类 GPS测量是通过地面接收设备接收卫星传送的信息来确定地面点的三维坐标。GPS定位测量的主要误差来源有三个方面：与GPS卫星有关的误差；与信号传播有关的误差；与接收设备有关的误差。误差种类如下表所列。误差来源误差分类对距离测量的影响（m）GPS卫星卫星星历误差卫星误差相对论效应1.515信号传播电离层折射误差对流层折射误差多路径效应1.515接收设备接收机钟误差位置误差天线相位中心变化1.55其它影响地球潮汐负荷潮1.0表5-1 GPS定位误差的分类GPS测量定位技术测量定位技术第一节第一节 GPSGPS测量主要误差分类
3、测量主要误差分类 在上述误差中，偶然误差主要包括信号的多路径效应，系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气的折射误差等。可以看出：GPS测量和经典的大地测量在误差方面有明显的不同，经典大地测量的主要误差源是偶然误差，而GPS测量的主要误差源是系统误差，其无论从误差的大小还是对定位的结果的危害性都比偶然误差要大的多，因系统误差有一定的规律可循，故在测量过程中可采用一定的措施加以消除。GPS测量定位技术测量定位技术第二节第二节 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 一、卫星星历误差一、卫星星历误差 某一瞬间的卫星位置，是由卫星星历提供的。所以卫星星历误差实际上就是卫星位置的确定误差
4、。星历误差是一种起始数据误差，在一个观测时间段内属系统误差。其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。它对单点定位的精度有很大的影响，也是精密相对定位中的重要误差来源之一。1.1.星历来源 卫星星历的数据来源有广播星历和实测星历两类。GPS测量定位技术测量定位技术 1.1.星历来源（1）广播星历 广播星历是是根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行外推，通过GPS卫星发播的一种预报星历，它是卫星电文中所携带的主要信息。由于我们还不能充分了解作用在卫星上的各种摄动因素的大小及变化规律，所以预报数据中存在着较大的误差。当前从卫
5、星电文中解译出来的星历参数共17个，每小时更换一次。由这17个星历参数确定的卫星位置精度约为2040m，有时可达80m。广播星历的误差对相对定位的影响为110-6。即对长度为10km的基线会产生10mm的误差。对长度为1000km的基线会产生1m的误差。可以看出，广播星历误差是影响长基线定位精度的重要原因。全球定位系统投入运行后，启用全球均匀分布的跟踪网进行测轨和预报，此时由星历参数计算的卫星坐标可能精确到510m。如果美国政府的启用GPS政策，广大用户很难获得应有的定位精度。GPS测量定位技术测量定位技术 1.1.星历来源 （2）实测星历 它是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。它需要
6、在一些已知精确位置的点上跟踪卫星来计算观测瞬间的卫星真实位置，从而获得准确可靠的精密星历。这种星历要在观测后12个星期才能得到（可向美国国家大地测量局（NGS）购买），这对导航和动态定位无任何意义，但是在静态精密定位中具有重要作用。其次，GPS卫星是高轨卫星，区域性的跟踪网也能获得很高的定轨精度。所以许多国家和组织都在建立自己的GPS卫星跟踪网开展独立的定轨工作。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.星历误差对定位的影响 当把卫星位置当作已知值使用时，星历误差便成为一种起始数据的误差。对于单点定位时，星历误差的径向分量作为等价测距误差进入平差计算，配赋到星站坐标和接收机钟差改正数中去，具体配
7、赋方式则与卫星的几何图形有关。利用两站的同步观测资料进行相对定位时，由于星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得高精度的相对坐标。根据一次观测的结果，可以导出星历误差对相对定位影响的估算式为 （5-1）式中b为基线长；db为卫星星历误差所引起的基线误差；为卫星至测站的距离；ds为星历误差，则为卫星星历的相对误差。实测结果表明，经数小时观测后，基线相对误差大约为星历相对误差的四分之一左右。GPS测量定位技术测量定位技术 3.3.减弱星历误差影响的途径 （1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨 为了不受美国政府有意降低卫星星历精度的影响，可以建立自己的GPS
8、卫星跟踪网，进行独立定轨。如果跟踪站的数量和分布选择得当，实测星历有可能达到10-7 的精度，这对提高精密定位的精度将起显著作用。根据实测星历外推，还可为实时定位用户提供较为准确的预报星历。（2）相对定位 也称为同步观测值求差，这一方法是利用在两个或多个观测站上，对同一卫星的同步观测值求差，因为星历误差对相距不太远的两个测站的影响基本相同，所以对于确定两个测站之间的相对位置，可以减弱卫星星历误差的影响。GPS测量定位技术测量定位技术 3.3.减弱星历误差影响的途径（3）轨道松弛法 所谓轨道松弛法，就是在平差模型中把卫星星历给出的卫星轨道视为初始值，将其改正数作为未知数，通过平差求得测站位置及轨
9、道改正数。这种方法不适用于范围较小的测区，此外数据处理相当复杂，工作量大为增加，不宜在作业单位普遍推广，只适用于无法获取精密星历而采取的补救措施。二、卫星钟的钟误差二、卫星钟的钟误差 卫星钟采用的是GPS时，它是由主控站按照美国海军天文台（USNO）的协调世界时（UTC）进行调整的。GPS测量定位技术测量定位技术 二、卫星钟的钟误差二、卫星钟的钟误差 GPS时与UTC在1980年1月6日零时对准，不随闰秒增加，时间是连续的，随着时间的积累，两者之间的差别将表现秒的整倍数，如有需要，可由主控站对卫星钟的运行状态进行调整，不过这种遥控调整仍然满足不了定位所需的精度。其次，尽管GPS卫星均设有高精度
10、的原子钟（铷钟和铯钟），但它们与理想的GPS时之间仍存在着难以避免的频率偏差或频率漂移，也包含钟的随机误差。这些偏差总量在1ms以内，由此引起的等效距离可达300km。在GPS测量中，卫星作为高空观测目标，其位置在不断变化，必须有严格的瞬间时刻，卫星位置才有实际意义。其次，GPS测量就是通过接收和处理GPS信号实现定位的，必须准确测定信号传播时间，才能准确测定观测站至卫星的距离。所以时钟误差是一个重要误差源之一。GPS测量定位技术测量定位技术 二、卫星钟的钟误差二、卫星钟的钟误差 为保证测量精度，由主控站测定出每颗卫星的钟参数，编入卫星电文发布给用户。卫星钟在时刻t的偏差可表示为二阶多项式形式
11、，即 （5-2）式中t0为一参考历元；为钟差常值；为卫星钟钟速（或频率偏差）；为卫星钟的钟速变率（或老化率）。经上述钟差改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，由此引起的等效距离偏差不超过6m。卫星钟差或经改正后的残差，在相对定位中可通过差分法在一次求差中得到消除。GPS测量定位技术测量定位技术 三、相对论效应三、相对论效应 相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。GPS卫星在高20200km的轨道上运行，卫星钟受狭义相对论效应和广义相对论效应的影响，其频率与地面静止钟相比，将发生频率偏移，这是精密定位中必须顾及的一种误差影响因
12、素。首先，根据狭义相对论的观点，一个频率 为的振荡器安装在飞行速度为v的载体上，由于载体的运动，对地面观测者来说将产生频率变化，其改变量为 （5-3）式中c为真空中光速。上式表明，卫星钟的钟频增加了 。这就意味着，卫星钟比静止在地球上的同类钟走得慢了。GPS测量定位技术测量定位技术三、相对论效应三、相对论效应再应用已知公式：将式（5-4）代入（5-3）得 （5-5）式中 地面重力加速度；地面平均半径；卫星轨道平均半径。（5-4）GPS测量定位技术测量定位技术 三、相对论效应三、相对论效应 其次，按照广义相对论的观点，处于不同等位面的振荡器，其频率 将由于引力位不同而发生变化。例如卫星钟与地面钟
13、相比处于较高的引力位，将产生引力频移，此时卫星钟要走得快一些，其钟频增加量为 （5-6）由上可以看出，对GPS卫星而言，广义相对论效应的影响大于狭义相对论效应的影响，且符号相反，总的相对论效应影响为 （5-7）经计算得GPS测量定位技术测量定位技术 三、相对论效应三、相对论效应 由于相对论效应，卫星钟比地面钟快 。为了解决其影响，须将GPS卫星钟的频率降低 。将GPS卫星钟的标准频率 代入得 使卫星钟进入轨道受到相对论效应影响后，恰与标准频率10.23MHz相一致。应该说明，上述讨论是在 的圆形轨道下卫星作匀速运动（且取 ）情况下进行的。事实上，卫星轨道是一椭圆，卫星运行速度也随时间发生变化，
14、相对论效应的影响并非常数。所以经上述改正后仍有残差，它对GPS时的影响最大可达70ns，对精密定位仍不可忽略。GPS测量定位技术测量定位技术第三节第三节 卫星信号传播误差卫星信号传播误差 一、电离层折射一、电离层折射 1.1.电离层及其影响 所谓电离层，系指地球上空大气圈的上层，距离地面高度在501000km之间的大气层。电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线的辐射作用，产生强烈的电离，形成大量的自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时，因受到带电介质的非线性散射特性的影响，信号的传播路径会发生弯曲，由于自由电子的作用，其传播速度会发生变化。所以用光速乘上信号传播时间就不会等于卫星至接
15、收机的实际距离。由于电离的原动力来自太阳，电离层的电子密度白天约为夜间的5倍；在一年中，冬季为夏季的4倍；太阳黑子活动最激烈时可为最小时的4倍。对于GPS信号来讲，这种距离差在天顶方向最大可达50m，在接近地平方向时（高度角为20）可达150m。可见它对观测量的精度影响较大，必须采取有效措施削弱它的影响。GPS测量定位技术测量定位技术 1.1.电离层及其影响 电离层含有较高密度的电子，它属于弥散性介质，电磁波在这种介质内传播时，其速度与频率有关。理论证明，电离层的群折射率为 因而式中Ne为电子密度（每立方米中的电子数）；f为信号的频率（Hz）；c为真空中的光速。（5-8）GPS测量定位技术测量
16、定位技术 1.1.电离层及其影响 进行伪距测量时，调制码就是以群速vG 在电离层中传播的。若伪距测量中测得信号的传播时间为，则卫星至接收机的真正距离S为 （5-9）上式表明，正确的距离S包括两部分：一部分是真空中光速乘以信号传播时间；另一部分则是电离层改正项 （5-10）式中 表示沿信号传播路径 对电子密度Ne进行积分。GPS测量定位技术测量定位技术 1.1.电离层及其影响 应该明确，电离层中的相折射率与群折射率是不同的。码相位测量和载波相位测量应分别采用群折射率和相折射率。所以载波相位测量时的电离层折射改正和伪距测量时的改正数是不同的，两者大小相等，符号相反。从公式（5-10）可以看出，求电
17、离层折射改正的关键在于求电子密度Ne。可是电子密度随着距离地面的高度、时间变化、太阳活动程度、季节不同、测站位置等多种因素而变化。目前还无法用一个严格的数学模型来描述电子密度的大小和变化规律，所以也不可能用公式（5-10）直接求出电离层折射改正数 的确切数值。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.减弱电离层影响的有效措施（1）相对定位 相对定位也称差分处理技术。当测站间的距离相距不太远时（例如20km以内），两测站上的电子密度变化不大，卫星的高度角相差不多，此时卫星信号到达不同观测站所经过的介质状况相似、路径相似，当利用两台或多台接收机对同一组卫星的同步观测值求差时，可以有效的减弱电离层折射
18、的影响，即使不对电离层折射进行改正，对基线成果的影响一般也不会超过1ppm，所以在短基线上用单频接收机也能获得很好的定位结果。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.减弱电离层影响的有效措施（2）双频接收 从公式（5-10）可以看出，和信号频率f的平方成反比。如果分别用两个已知频率 和 发射卫星信号，则两个不同频率的信号就会沿同一路径到达接收机。公式中的积分值虽然无法求算，但对两个频率的信号却是相同的。为简便起见，我们将公式（5-10）写成 形式，根据式（5-9）有，以上二式相减得 （5-11）GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.减弱电离层影响的有效措施 在用调制在两个载波上的测距码测距时
19、，只有电离层折射影响不同，其余误差影响相同，所以上式中的（）也就等于两个载波所测伪距之差()，当已知 时，即可算得 ，于是 因此，用双频接收机进行伪距测量，就能根据电离层折射和信号频率有关的特性，从两个伪距观测值中求得电离层折射改正数。正因为如此，具有双频的GPS接收机在精密定位中得到了广泛应用。在拟定作业计划时，应该选择适当的作业季节和一天中的最佳时段（夜间）来进行观测。不要在太阳辐射强烈的正午时分观测。双频载波相位测量观测值的电离层折射改正与式（5-12）类同，只是和伪距测量时的改正有两点区别：一是电离层折射改正的符号相反；二是要引入整周未知数N0。（5-12）GPS测量定位技术测量定位技
20、术 2.2.减弱电离层影响的有效措施（3）利用电离层改正模型进行改正 采用双频接收技术，可以有效地减弱电离层折射的影响，但在电子含量很大，卫星高度角较小时其误差有可能达几个厘米。为了满足更高精度GPS测量的需要，Fritzk、Brunner提出的电离层延迟改正模型在任何情况下其精度均优于2mm。对于GPS单频接收机，一般采用导航电文中提供的电离层延迟模型加以改正，以减弱电离层的影响。由于影响电离层折射的因素很多，无法建立严格的数学模型，所以该模型最多可以消除电离层折射的75%。GPS测量定位技术测量定位技术 二、对流层折射二、对流层折射 1.1.对流层及其影响 对流层是高度为50km以下的大气
21、底层，由于离地面更近，其大气密度比电离层更大，大气状态变化也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低。对流层中虽有少量带点离子，但对电磁波传播影响不大，不属于弥散性介质，也就是说，电磁波在其中的传播速度与频率无关，所以其群折射率与相折射率可认为相等。对流层的折射率与大气压力、温度和湿度密切相关。由于大气的对流作用很强，大气状态变化复杂。对流层折射的影响与信号的高度角有关，当在天顶方向（高度角为90），其影响达2.3m；当在地面方向（高度角为10），其影响达20m；所以对流层及其影响难以准确地模型化。利用测站地面实测的气象数据，可通过现有的各种数学模型消除92%95
22、%的对流层折射影响。目前采用的对流层折射改正公式主要有霍普菲尔德（Hopfield）公式、萨斯塔莫宁（Saastamoinen）公式和勃兰克（Black）公式，这里仅介绍应用较广的霍普菲尔德（Hopfield）公式。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.用霍普菲尔德公式进行对流层折射改正 设对流层的大气折射率为n，真空中折射率为1，则对流层折射改正可写为 由于（n1）数值很小，为方便计，令 N称为折射指数，它可以分为干气部分 和湿气部分 ，它们与大气压力、温度和湿度有如下近似关系：式中p为大气压力（mbar）；T为绝对温度；e为水汽分压（mbar）。（5-13）GPS测量定位技术测量定位技术
23、 2.2.用霍普菲尔德公式进行对流层折射改正 这说明，为了计算N必须建立一个根据测站上气象元素（）计算空中各点气象元素的数学模型。下面直接给出计算对流层改正的霍普菲尔德模型：式中E为卫星的高度角（度）；分别为卫星位于天顶方向时（E=90）的对流层干气改正和湿气改正，其计算式为（5-14）（5-15）GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.用霍普菲尔德公式进行对流层折射改正式中 为测站的高程；为当 趋近于0时的高程值 ；为当 趋近于0时的高程值（），它们可按下式计算：以上各式中的温度均采用绝对温度，以度为单位；气压和水汽压以毫巴为单位；以米为单位。（5-15）（5-16）GPS测量定位技术测量定
24、位技术 3.3.减弱对流层影响的措施 （1）用改正模型进行对流层改正。其设备简单，方法易行。但是由于水汽在空间的分布很不均匀，不同时间不同地点水汽含量相差甚远，用统一模型难以准确描述，所以对流层改正的湿气部分精度较低，只能将湿分量消去80%90%。在使用改正模型时，干温 和气压 可用温度计和气压计在测站直接测定；而水汽压 可根据测站上的相对温度RH 来计算，即 式中 ，为绝对温度；RH为相对温度，可用毛发湿度计直接测出。GPS测量定位技术测量定位技术 3.3.减弱对流层影响的措施 （2）利用同步观测值求差。与电离层的影响类型类似，当两观测站相距不太远时（例如20km），由于信号通过对流层的路径
25、大体相同，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显地减弱对流层折射的影响。这一方法在精密相对定位中被广泛应用。不过随着同步观测站之间距离的增大，大气状况的相关性减弱。当距离50100km时，对流层折射的影响就成为制约GPS定位精度提高的重要因素。GPS测量定位技术测量定位技术 三、多路径误差三、多路径误差 多路径是指卫星信号通过多个不同路径传到接收机天线。在直接收到卫星信号的同时，还可能收到经天线周围地物反射的卫星信号（下图），多种信号叠加就会引起测量参考点（相位中心）的位置变化，这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称作多路径效应。图5-1 多路径效应 GPS测量定位技术测量定位技术
26、三、多路径误差三、多路径误差 多路径效应的影响随着天线周围反射物面的性质而异。物面反射信号的能力可用反射系数来表示。表示信号完全被吸收不反射，表示信号完全反射不吸收。下表给出了不同发射物面对频率为2GHz的微波信号的反射系数。水 面稻 田野 地森 林 山 地a损耗（分贝）a损耗（分贝）a损耗（分贝）a损耗（分贝）1.000.820.640.310表5-2 反射系数表GPS测量定位技术测量定位技术 三、多路径误差三、多路径误差 多路径误差不仅与反射系数有关，也和反射物离测站的距离及卫星信号方向有关，无法建立准确的误差改正模型，只能恰当地选择站址，避开信号反射物。例如：（1）选设点位时应远离大面积
27、平静的水面，较好的站址可选在地面有草丛、农作物等植被时能较好吸收微波信号的能量的地方。（2）测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。（3）测站附近不应有高层建筑物，观测时测站附近也不要停放汽车。GPS测量定位技术测量定位技术第四节第四节 接收设备误差与图形强度接收设备误差与图形强度 一、接收机钟误差一、接收机钟误差 在GPS测量时，为了保证随时导航定位的需要，卫星钟必须具有极好的长期稳定度。而接收机钟则只需在一次定位的期间内保持稳定，所以一般使用短期稳定度较好、便宜轻便的石英钟，其稳定度约为10-10。如果接收机钟与卫星钟间的同步差为1s，则由此引起的等效距离误差约为300m。减弱接收机钟差比较有效的
28、方法是：把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。伪距测量的数据处理就是根据这一原理进行的。在静态绝对定位中，可以认为各观测时刻的接收机钟差是相关的，设法建立一个钟误差模型，在平差计算中求解多项式系数。不过接收机钟的稳定性较差，钟差模型不易反映真实情况，难以充分消除其误差影响。此外，还可以通过在卫星间求一次差来削弱接收机钟差的影响。GPS测量定位技术测量定位技术 二、天线相位中心位置的误差二、天线相位中心位置的误差 在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，所以天线的相位中心应该与其几何中心保持一致。但实际上天线的相位中心位置随信
29、号输入的强度和方向不同会发生变化，使其偏离几何中心。这种偏差视天线性能的好坏可达数毫米至数厘米，对精密相对定位也是不容忽视的。实际工作中如果使用同一类型天线，在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星，可以通过观测值求差来减弱相位中心偏移的影响。不过这时各测站的天线均应按天线附有的方位标志进行定向，根据仪器说明书的要求，根据罗盘指向磁北极。其定向偏差应在3以内。GPS测量定位技术测量定位技术 三、等效距离误差三、等效距离误差 前面各节阐述了GPS卫星定位的各种误差来源、影响与减弱方法。这些误差对GPS卫星定位的综合影响可用一个精度指标来表示，这就是等效距离误差。等效距离误差也就是各项误差投影
30、到测站至卫星方向上的具体数值。如果认为各项误差之间相互独立，就可以求出总的等效距离误差，并用 表示。从而 就可以作为GPS定位时衡量观测精度的客观标准。GPS测量定位技术测量定位技术 四、几何图形强度四、几何图形强度 GPS定位的精度除了取决于等效距离误差 以外，还取决于空间后方交会的几何图形强度。在公式（4-13）所表示的权系数阵Qx中，若顾及各权系数元素，该式又可写为 （5-17）GPS测量定位技术测量定位技术 四、几何图形强度四、几何图形强度 显然，GPS星座与测站所构成的几何图形不同，权系数的数值亦不同，此时即使相同精度的观测值所求得的点位精度也不会相同。为此需要研究卫星星座几何图形与
31、定位精度的关系。通常用图形强度因子DOP（Dilution Of Precision）来表示几何图形强度，其定义是 式中 为等效距离的标准差；为某定位元素的标准差；DOP实际是权系数阵中主对角线元素的函数。图形强度因子是一个直接影响定位精度、但又独立于观测值和其它误差之外的一个量。其值恒大于1，最大值可达10，其大小随时间和测站位置而变化。在GPS测量中，希望DOP值越小越好。（5-18）GPS测量定位技术测量定位技术 四、几何图形强度四、几何图形强度 在实际工作中，常根据不同的要求采用不同的评价模型和相应的图形强度因子。平面位置图形强度因子HDOP（Horizontal DOP）及其相应的平
32、面位置精度：高程图形强度因子VDOP（Vertical DOP）及其相应的高程精度：（5-19）（5-20）GPS测量定位技术测量定位技术 四、几何图形强度四、几何图形强度空间位置的图形强度因子PDOP（Position DOP）及其相应的三维定位精度：（5-21）接收机钟差图形强度因子TDOP（Time DOP）及其钟差精度：（5-22）几何图形强度因子GDOP（Geometric DOP）及其三维坐标和时间误差的综合影响：（5-23）GPS测量定位技术测量定位技术四、几何图形强度四、几何图形强度 由分析表明，如果由测站与四颗卫星构成一个六面体时，图形强度因子GDOP与该六面体体积成反比。如
33、下图所示，意味着所测卫星在空间分布越大，六面体的体积越大，GDOP值越小，图形越坚强，定位精度越高。图5-2 卫星的分布与GDOPaGDOP良好；bGDOP较差GPS测量定位技术测量定位技术第五节第五节 整周跳变分析与整周未知数的确定整周跳变分析与整周未知数的确定一、整周跳变分析一、整周跳变分析 1.1.整周跳变及其发生 在跟踪卫星过程中可能由于卫星信号被障碍物暂时阻挡，或受到无线电信号干扰的影响，引起卫星跟踪的暂时中断，使计数器无法连续计数，出现信号失锁。这时的瞬时量测值虽然仍是正确的，但是整周计数 由于丢失了在失锁期间载波相位变化的整周数，使其后的相位观测值均含有同样的整周误差，这种现象叫
34、整周跳变。如果我们能够检测出在何时发生了整周跳变，并能求出丢失的整周数，就可以对中断后的整周计数进行修正，恢复其正确计数。发生整周跳变后的整周计数可以从中断处继续向后计数，也可以归零后重新计数，或者从任意一个整周数从新开始计数，他们取决于接收机的类型及产生周跳的具体情况。GPS测量定位技术测量定位技术一、整周跳变分析一、整周跳变分析 2.2.整周跳变的检验和修正 卫星和接收机之间的距离在随时间而不断变化，其径向速度最大可达0.9km/s，相应的载波相位观测值 亦应随之变化，不过这种变化应该是循序渐变，有一定的规律性。例如表5-3，接收机在不同时间对同一颗卫星进行相位观测，每15秒输出一个观测值
35、，相邻观测值的变化可达数万周，难以发现几十周的跳变。如果在相邻观测值之间求一次差，就得到观测间隔 内卫星至接收机的距离之差，亦即卫星径向速度 平差值与 的乘积。由于径向速度平均值变化比较缓慢，所以一次差的变化也就较小。如果在一次差间再求二次差，就得到卫星径向加速度平均值和观测间隔平方之乘积，其变化越加缓慢。同理求至四次差时，趋近于零，这时的差值主要是震荡器的随机误差，具有偶然误差特性。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.整周跳变的检验和修正历元1次差2次差3次差4次差t1475833.225311608.7531t2487441.9784399.841012008.56712.5072t3
36、499450.5455402.32120.579512410.88831.9277t4511861.4338404.24890.963912815.13722.8916t5524746.5710407.14050.272113222.27772.6195t6537898.8487409.76000.421913632.03772.1976t7551530.8864411.957614043.9953t8565574.8817表5-3 载波相位观测量及其差值GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.整周跳变的检验和修正 但是，如果在过程中出现了整周跳变，势必要破坏上述相位观测量的正常变化，高次差的
37、随机特性也将受到破坏。例如表5-4中在时刻的观测值中含有100周的周跳（表中有*号的数据），四次差中将出现数十周的异常现象。这表明通过求差有利于发现周跳。不过这种求高次差的方法难以检验只有几周的小周跳，因为震荡器本身就有可能造成2周左右的随机误差。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.整周跳变的检验和修正历元1次差2次差3次差4次差t1475833.225311608.7531t2487441.9784399.841012008.56712.5072t3499450.5455402.3212100.579512410.888398.0723t4511861.4338304.2489 300.
38、963912715.1372202.8916t5524746.5710507.1405300.272113222.277797.3805t6537898.8487409.7600 99.578113632.03772.1976t7551530.8864411.957614043.9953t8565574.8817表5-4 含有周跳影响的观测量及其差值GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.整周跳变的检验和修正 当发现周跳后，可以根据前面或后面的正确观测值，利用高次插值公式外推观测值的正确整周计数，或者根据相邻的几个正确相位观测量，采用n阶多项式 拟合的方法来推求整周计数的正确性，从而发现周跳并
39、修正整周计数。修正后的观测值中还可能有12周的小周跳未被发现。若用这些观测值进行平差计算，就会出现很大的残差，据此还可以发现周跳。继续用修正周跳后的观测值和平差值（基线向量等）重复进行平差计算，直至残差符合要求为止，就会得到一组无周跳的载波相位观测值。检验和修正周跳还有其它一些方法。但是，解决问题的根本途径还是提高对外业观测的要求，重视选择机型、选点、组织观测等外业工作环节，人为地避免周跳的发生。GPS测量定位技术测量定位技术 二、整周未知数的确定二、整周未知数的确定 正确地解决整周未知数的确定问题，一方面是提高载波相位测量精度的必不可少的条件，这是因为在连续跟踪的载波相位观测值中，均含有相同
40、的整周未知数；另一方面，快速而正确地确定，又是提高GPS定位作业效率的重要环节。因为在同步观测4颗以上卫星的情况下，为解算至少需要在不同的时间进行两次观测。如果其间时间间隔很短，则所测卫星的几何分布变化很小，这就降低了不同观测结果的作用，影响了定位结果的可靠性，所以必须延长观测时间。这样，GPS定位所需的时间，其实就成了正确确定所需的时间，因此，快速解算整周未知数，对于提高定位效率具有决定性的作用。GPS测量定位技术测量定位技术 二、整周未知数的确定二、整周未知数的确定 确定整周未知数的方法很多，常用的方法有以下几种：1.1.经典静态相对定位法 经典静态相对定位法，是将整周未知数作为特定参数与
41、其它未知参数在平差计算中一并求解。根据整周未知数在平差计算中解算结果的取值，又有两种情况：（1）整数解 整周未知数具有整数的特性，但一般平差计算得到的整周未知数并非为整数，此时将其固定为整数，并作为已知数代入原观测方程重新进行平差计算，求得基线向量的最后值。（2）实数解 该方法不考虑整周未知数的整数性质，通过平差计算求得的整周未知数不再进行凑整和重新解算。这种方法一般用于基线较长的相对定位中。GPS测量定位技术测量定位技术 二、整周未知数的确定二、整周未知数的确定 2.2.“动态”测量法 在上述经典相对定位法中，是在基线向量未知的情况下，通过静态相对定位解算整周未知数的。可是当观测站之间的基线
42、向量已知时，便可以根据基线端点两接收机的同步观测结果，应用静态相对定位的双差模型直接求解相应的整周未知数，这时观测时间可大为缩短，一般只需几分钟。具体做法是：将接收机设置在两个已知点上进行短时间观测，首先利用已知的基线向量确定初始整周未知数。随后留一台接收机在已知点上（称为基准接收机），其余一台（或若干台）接收机依次迁往各待定点（称为流动接收机）。迁站过程中需保持对卫星连续跟踪，迁站后与基准接收机进行同步观测。这时流动接收机在待定点上就不需要再确定整周未知数，只需要进行一至二分钟的观测便可精确确定流动站与基准站之间的相对位置，从而完成静态相对定位。GPS测量定位技术测量定位技术 二、整周未知数
43、的确定二、整周未知数的确定 3.3.交换天线法 首先需要在已知的基准站附近510m处任意选择一个天线交换点，形成一个短基线。将两台接收机的天线分别安置于该二点，对至少四颗相同的卫星进行同步观测，采集若干历元（28）的观测值。然后将两台接收天线从三角架上取下，在对卫星信号保持跟踪的情况下互换位置，继续同步观测若干历元。最后把天线恢复到原来位置，再同步观测若干历元。此后，基准接收机留在已知点上继续观测，流动接收机则可依次迁往待定点进行观测。由于整周未知数已经确定，所以在新的待定点定位时只需很短时间。GPS测量定位技术测量定位技术 二、整周未知数的确定二、整周未知数的确定 4.4.快速确定整周未知数
44、法 快速确定整周未知数法是根据初次平差所提供的信息，利用数理统计中参数估计和假设检验的方法，对信息空间的每一点进行比较判别，最终选择其可能性最大点确定最佳整周未知数。实验结果表明，当基线较短（20km）时，根据一至二分钟的双频观测结果，便可精确地解算整周未知数，使相对定位的精度达到厘米级甚至更高。GPS测量定位技术测量定位技术本章小结本章小结 本章主要介绍了GPS定位测量的主要误差，其来源有三个方面：与GPS卫星有关的误差；与信号传播有关的误差；与接收设备有关的误差。其中卫星星历误差、电离层折射误差、对流层折射误差是影响GPS定位精度的主要因素。在上述误差中，偶然误差主要包括信号的多路径效应；
45、系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气的折射误差等。星历误差是一种起始数据误差，在一个观测时间段内属系统误差。是精密相对定位中的重要误差来源之一。广播星历是是外推星历，它是卫星电文中所携带的主要信息。当前从卫星电文中解译出来的星历参数共17个，每小时更换一次。GPS测量定位技术测量定位技术本章小结本章小结 实测星历是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。它需要在一些已知精确位置的点上跟踪卫星来计算观测瞬间的卫星真实位置，从而获得准确可靠的精密星历。减弱星历误差影响的途径有三种：（1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨；（2）相对定位；（3）轨道松弛法。与卫星信号传播有关的误
46、差主要包括电离层折射、对流层折射、多路径误差等各项误差影响。其中最大的系统误差是电离层折射误差的影响。与接收设备有关的误差主要有接收机钟误差、天线相位中心位置误差、接收机的位置误差和几何图形强度误差等。载波相位测量的整周跳变的解决和整周未知数的确定是目前研究的热点问题。GPS测量定位技术测量定位技术思考题与习题思考题与习题1.在GPS测量定位中，其主要误差源是什么误差？系统误差主要包括哪几种？2.GPS卫星星历误差的实质是什么？3.广播星历与实测星历的优缺点？4.星历误差对定位的影响有哪些？减弱星历误差影响的途径有几种？5.相对论效应是怎样产生的？如何解决？6.电离层折射及其影响有哪些？减弱电离层影响的有效措施有几种？7.对流层折射及其影响有哪些？减弱对流层影响的有效措施有几种？8.多路径效应是什么？怎样防止？9.减弱接收机钟差比较有效的方法是什么？10.接收机天线的相位中心与其几何中心的区别在哪里？11.图形强度因子DOP的定义是什么？我国采用哪种图形强度因子？为什么？12.整周跳变是哪种测量方法中必须解决的问题？如何解决？13.如何确定整周未知数？常用的方法有哪几种？