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1、1第五章GPS测量的误差来源系统误差系统误差 偶然误差偶然误差5.1测量误差分类第1页/共44页2第五章GPS测量的误差来源偶然误差偶然误差:信号的多路径效应信号的多路径效应;系统误差系统误差:卫星的星历误差、卫星钟差、接收卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。机钟差以及大气折射的误差等。系统误差无论从误差的大小还是对定系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性都比偶然误差要大得多，它是位结果的危害性都比偶然误差要大得多，它是GPS测量的主要误差源。同时系统误差有一定测量的主要误差源。同时系统误差有一定的规律可循，可采取一定的措施加以消除。的规律可循，可采取一定的措施加
2、以消除。为了便于理解为了便于理解,通常将各种误差的影响通常将各种误差的影响投影到观测站至卫星的距离上，以相应距离误投影到观测站至卫星的距离上，以相应距离误差来表示，称之为等效距离误差。差来表示，称之为等效距离误差。第2页/共44页3第五章GPS测量的误差来源5.2与与GPS卫星有关的误差卫星有关的误差卫星星历误差卫星星历误差星历数据来源星历数据来源广播星历广播星历是卫星电文中携带的主要信息。是卫星电文中携带的主要信息。实测星历实测星历它是根据实测资料进行拟合处理而直接它是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。得出的星历。第3页/共44页4第五章GPS测量的误差来源星历误差对定位的影响星历误
3、差对定位的影响对单点定位的影响对单点定位的影响广播星历误差对测站坐标的影响一般可达数米、数十米、广播星历误差对测站坐标的影响一般可达数米、数十米、甚至上百米。甚至上百米。第4页/共44页5第五章GPS测量的误差来源对相对定位的影响对相对定位的影响相对定位时，因星历误差对两站的影响具有很强的相关性，相对定位时，因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，从而获得精度很所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得精度很高的相对坐标。高的相对坐标。第5页/共44页6第五章GPS测量的误差来源解决星历误差的方法解决星历误差的方法:1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨
4、）建立自己的卫星跟踪网独立定轨2）轨道松驰法）轨道松驰法3）同步观测值法）同步观测值法第6页/共44页7第五章GPS测量的误差来源轨道松驰法轨道松驰法: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道改正数。为未知数，通过平差求得测站位置及轨道改正数。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加，不宜在作业单位普遍推广，只适用于
5、无法获取精密星历而采取的补救措施.第7页/共44页8第五章GPS测量的误差来源同步观测值求差同步观测值求差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。测站之间的相对位置，可以减弱卫星星历误差的影响。第8页/共44页9第五章GPS测量的误差来源卫星钟的钟误差卫星钟的钟误差卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随卫星钟的钟差包括由钟差、频
6、偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。在机误差。在GPS测量中，无论是码相位观测或载波相位观测，均要求卫星测量中，无论是码相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟和接收机保持严格同步。钟和接收机保持严格同步。经改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在经改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，由此引起以内，由此引起的等效距离偏差不会超过的等效距离偏差不会超过6m，卫星钟差和经改正后的残余误差，则需采卫星钟差和经改正后的残余误差，则需采用在接收机间求一次差等方法来进一步消除它。用在接收机间求一次差等方法来进一步消除它。第9页/共44页10第五章GPS测量的误差来源相对论效应相对论效应相对论效
7、应是由于卫星钟和接收机钟所处的运动状态（运动速度相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的运动状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。和重力位）不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。第10页/共44页11第五章GPS测量的误差来源第11页/共44页12第五章GPS测量的误差来源5.35.3与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差电离层折射误差电离层折射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第12页/共44页13第五章GPS测量的误差来源电离层折射电离层折射当当GPS信号通过电离层时，如同其它电磁波一样，信号的路径会信号通过电离
8、层时，如同其它电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。所以用信号的传播时间乘上真空中光发生弯曲，传播速度也会发生变化。所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。层折射误差。第13页/共44页14第五章GPS测量的误差来源第14页/共44页15第五章GPS测量的误差来源第15页/共44页16第五章GPS测量的误差来源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；在一倍；在一年中，冬
9、季为夏季的年中，冬季为夏季的4倍；太阳黑子活动最激烈时可为最小时的倍；太阳黑子活动最激烈时可为最小时的4倍。倍。对于对于GPS信号来讲，这种距离差在天顶方向最大可达信号来讲，这种距离差在天顶方向最大可达50m，在接近地平方在接近地平方向时向时(高度角为高度角为20o)可达可达150m。第16页/共44页17第五章GPS测量的误差来源求电离层折射改正数的关键在于求电子密度求电离层折射改正数的关键在于求电子密度Ne。可是电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。不同、测站位置等多种因素而变化。
10、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，也不可能用式直接求出电离层折射改正数的确化规律，所以，也不可能用式直接求出电离层折射改正数的确切数值。切数值。第17页/共44页18第五章GPS测量的误差来源减弱电离层影响的措施减弱电离层影响的措施1）利用双频观测）利用双频观测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3）利用同步观测值求差）利用同步观测值求差第18页/共44页19第五章GPS测量的误差来源利用双频观测利用双频观测第19页/共44页20第五章GPS测量的误差来源(2)利用电离层改正模型加
11、以修正利用电离层改正模型加以修正为进行高精度卫星导航和定位，普遍采用双频技术，可为进行高精度卫星导航和定位，普遍采用双频技术，可有效地减弱电离层折射的影响，但在电子含量很大，卫星的高度有效地减弱电离层折射的影响，但在电子含量很大，卫星的高度角又较小时求得的电离层延迟改正中的误差有可能达几厘米。角又较小时求得的电离层延迟改正中的误差有可能达几厘米。为了满足更高精度为了满足更高精度GPS测量的需要，测量的需要，Fritzk、Brunner等人提出了电离层延迟改正模型。该模型考虑等人提出了电离层延迟改正模型。该模型考虑了折射率了折射率中的高阶项影响以及地磁场的影响，并且是中的高阶项影响以及地磁场的影
12、响，并且是沿着信号传播路径来进行积分。计算结果表明，无论在沿着信号传播路径来进行积分。计算结果表明，无论在何种情况下改进模型的精度均优于何种情况下改进模型的精度均优于2mm。第20页/共44页21第五章GPS测量的误差来源第21页/共44页22第五章GPS测量的误差来源模型基本上是一种经验估算公式。加之全球统一模型基本上是一种经验估算公式。加之全球统一采用一组系数，因而这种模型只能大体上反映全球的采用一组系数，因而这种模型只能大体上反映全球的平均状况，与各地的实际情况必然会有一定的差异。平均状况，与各地的实际情况必然会有一定的差异。实测资料表明，采用上述改正模型大体上可消除电离实测资料表明，采
13、用上述改正模型大体上可消除电离层折射的层折射的75左右。左右。第22页/共44页23第五章GPS测量的误差来源(3)利用同步观测值求差利用同步观测值求差用两台接收机在基两端进行同步观测并取其观测量之用两台接收机在基两端进行同步观测并取其观测量之差，可以减弱电离层折射的影响。这是因为当两观测站相距不差，可以减弱电离层折射的影响。这是因为当两观测站相距不太远时，由卫星至两观测站电磁波传播路程上的大气状况甚为太远时，由卫星至两观测站电磁波传播路程上的大气状况甚为相似，因此大气状况的系统影响便可通过同步观测量的求差而相似，因此大气状况的系统影响便可通过同步观测量的求差而减弱。减弱。这种方法对于短基线这
14、种方法对于短基线(例如小于例如小于20km)的效果尤为明的效果尤为明显，这时经电离层折射改正后基线长度的残差一般为显，这时经电离层折射改正后基线长度的残差一般为1ppm。所以在所以在GPS测量中，对于短距离的相对定位，使用单频接收机测量中，对于短距离的相对定位，使用单频接收机也可达到相当高的精度。不过，随着基线长度的增加，其精度也可达到相当高的精度。不过，随着基线长度的增加，其精度随之明显降低随之明显降低。第23页/共44页24第五章GPS测量的误差来源第24页/共44页25第五章GPS测量的误差来源对流层折射对流层折射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对流层与地面接触并
15、从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低，而降低，GPS信号通过对流层时，也使传播的路径发生弯曲，从而使测量信号通过对流层时，也使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，这种现象叫做距离产生偏差，这种现象叫做对流层折射对流层折射。第25页/共44页26第五章GPS测量的误差来源第26页/共44页27第五章GPS测量的误差来源第27页/共44页28第五章GPS测量的误差来源对流层的折射与对流层的折射与地面气候、大气压力、温度地面气候、大气压力、温度和和湿度变化湿度变化密切厢关，这也使得对流层折射比电密切厢关，这也使得对流层折射比电离层折射更复杂。离层折射更复杂。对流层折射的影响与信号的高
16、度角有关，当在对流层折射的影响与信号的高度角有关，当在天顶方向天顶方向(高度角为高度角为90O)，其影响达其影响达2.3m；当当在地面方向在地面方向(高度角为高度角为10O)，其影响可达，其影响可达20m。第28页/共44页29第五章GPS测量的误差来源对流层折射的改正模型对流层折射的改正模型1）霍普菲尔德（）霍普菲尔德（Hopfield）公式公式2）萨斯塔莫宁（）萨斯塔莫宁（Saastamoinen）公公式式3）勃兰克（）勃兰克（Black）公式公式理论分析与实践表明，目前采用的各种对流层理论分析与实践表明，目前采用的各种对流层模型，难以将对流层的影响减少至模型，难以将对流层的影响减少至92
17、95。第29页/共44页30第五章GPS测量的误差来源减弱对流层折射改正残差影响的主要措施减弱对流层折射改正残差影响的主要措施:采用上述对流层模型加以改正。其气象参数在测站采用上述对流层模型加以改正。其气象参数在测站直接测定。直接测定。引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得。理中一并求得。利用同步观测量求差。利用同步观测量求差。当两观测站相距不太远时当两观测站相距不太远时(例如例如100km时，对流层折射的影时，对流层折射的影响就制约响就制约GPS定位精度提高。定位精度提高。利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。此法利用水汽辐射计直接测
18、定信号传播的影响。此法求得的对流层折射湿分量的精度可优于求得的对流层折射湿分量的精度可优于1cm.第30页/共44页31第五章GPS测量的误差来源多路径误差多路径误差在在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射的测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，这就将和直接卫星信号（反射波）进入接收机天线，这就将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的偏离真值产生所谓的“多路径效应多路径效应”。第31页/共44页32第五章GPS测量的误差来源第32页/共44页33第五章GPS测量的误差来源第33页/
19、共44页34第五章GPS测量的误差来源多路径效应对伪距测量比载波相位测量的影多路径效应对伪距测量比载波相位测量的影响要严重的多。多路径误差对响要严重的多。多路径误差对P码最大可达码最大可达10m以上以上.第34页/共44页35第五章GPS测量的误差来源消弱多路径误差的方法消弱多路径误差的方法:1）选择合适的站址）选择合适的站址a、测站应远离大面积平静地水面测站应远离大面积平静地水面;b、测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中;c、测站应离开高层建筑物测站应离开高层建筑物.第35页/共44页36第五章GPS测量的误差来源2）对接收机天线的要求）对接收机天线的要求第36页
20、/共44页37第五章GPS测量的误差来源5.4与接收机有关的误差与接收机有关的误差 接收机钟误差接收机钟误差GPS接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度约为约为109。若接收机钟与卫星种间的同步差为。若接收机钟与卫星种间的同步差为1us，则由此引起的等效距离误差约为则由此引起的等效距离误差约为300m。第37页/共44页38第五章GPS测量的误差来源减弱接收机钟差的方法：减弱接收机钟差的方法：把把每每个个观观测测时时刻刻的的接接收收机机钟钟差差当当作作一一个个独独立立的的未未知知数数，在在数数据据处处理理中中与与观观测测站站的位置参数一并求解。的位置参数一
21、并求解。认认为为各各观观测测时时刻刻的的接接收收机机钟钟差差之之间间是是相相关关的的，像像卫卫星星钟钟那那样样，将将接接收收机机钟钟差差表表示示为为时时间间多多项项式式，并并在在观观测测量量的的平平差差计计算算中中求求解解多多项项式式的的系系数数。这这种种方方法法可可以以大大大大减减少少未知数个数，该方法成功与否得关键在于钟误差模型的有效程度。未知数个数，该方法成功与否得关键在于钟误差模型的有效程度。通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。第38页/共44页39第五章GPS测量的误差来源接收机的位置误差接收机的位置误差接收机天线相位中心相对观测标石中心位
22、置的误差，叫接收机天线相位中心相对观测标石中心位置的误差，叫接收机位置误差接收机位置误差。如当天线高度为如当天线高度为1.6m时，置平误差为时，置平误差为0.1O时，可能会产生对中误差时，可能会产生对中误差3mm。因因此，在精密定位时，必须仔细操作，以尽量减少这种误差的影响。在变形监测中，应采此，在精密定位时，必须仔细操作，以尽量减少这种误差的影响。在变形监测中，应采用有强制对中装置的观测墩用有强制对中装置的观测墩.第39页/共44页40第五章GPS测量的误差来源天线相位中心位置的偏差天线相位中心位置的偏差实际上天线的相位中心实际上天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同随着信号输入的强度和
23、方向不同而有所变化，即观测时相位中心而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（一般称相位中心）的瞬时位置（一般称相位中心）与理论上的相位中心将有所不同，与理论上的相位中心将有所不同，这种差别叫这种差别叫天线相位中心天线相位中心的位置偏移的位置偏移。这种偏差的影响，可达这种偏差的影响，可达数毫米至数厘米。而如何减少相数毫米至数厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。个重要问题。第40页/共44页41第五章GPS测量的误差来源5.5其他误差其他误差地球自转的误差地球自转的误差当卫星信号传播到观当卫星信号传播到观测站时，而与地球相固测站时，而与地球相固联的
24、协议地球坐标系相联的协议地球坐标系相对的卫星的上述瞬时位对的卫星的上述瞬时位置已产生了旋转（绕置已产生了旋转（绕Z轴）轴）。第41页/共44页42第五章GPS测量的误差来源地球潮汐改正地球潮汐改正因为地球并非是一个刚体，所以在太阳和月球的万有因为地球并非是一个刚体，所以在太阳和月球的万有引力作用下，固体地球要产生周期性的弹性形变，称为引力作用下，固体地球要产生周期性的弹性形变，称为固体固体潮。潮。此外在日月引力的作用下，地球上的负荷也将发生周此外在日月引力的作用下，地球上的负荷也将发生周期性的变动，使地球产生周期的形变，称为期性的变动，使地球产生周期的形变，称为负荷潮汐负荷潮汐。固体潮和负荷潮引起的测站位移可达固体潮和负荷潮引起的测站位移可达80cm，使不同使不同时间的测量结果互不一致，在高精度相对定位中应考虑其影响。时间的测量结果互不一致，在高精度相对定位中应考虑其影响。第42页/共44页43第五章GPS测量的误差来源第43页/共44页44感谢您的观看！第44页/共44页