第四章 GPS测量的误差来源

全球定位系统
通常采取的措施： 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 利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数， 利用双频观测 率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小， 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。其有效性不低于95%. 加以修正。其有效性不低于 •利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用由导航 利用电离层模型加以修正：对单频接收机， 利用电离层模型加以修正 电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正。 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。 前模型改正的有效性约为 ，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） 利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小于 利用同步观测值求差 ） 卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差， 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。 残差不超过
全球定位系统
短弧法：引入全部 个轨道偏差改正 个轨道偏差改正， 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。 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。 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， 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， 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， 作为待估参数。据分析，目前该法修正的轨道 偏差不超过10m，而计算量明显减小。 偏差不超过 ，而计算量明显减小。
C/A码 码
4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 5.0-10.0 2.0 1.2 0.5 5.5-10.3 7.5 0.5 7.5 10.8-13.6
信号传播
接收机
总计
全球定位系统 根据误差的性质可分为： 根据误差的性质可分为： （1）系统误差：主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收 ）系统误差：主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、 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。为了减弱和修正系统误差 对观测量的影响， 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： 的措施，包括： • 引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并 引入相应的未知参数， 求解。 求解。 • 建立系统误差模型，对观测量加以修正。 建立系统误差模型，对观测量加以修正。 • 将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱和消 将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差， 除系统误差的影响。 除系统误差的影响。 • 简单地忽略某些系统误差的影响。 简单地忽略某些系统误差的影响。
全球定位系统
由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响， 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， 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， 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 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， 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 。 精度将可提高到 GPS定位的重要误差来源之一。 定位的重要误差来源之一。 定位的重要误差来源之一
全球定位系统
（2）偶然误差：包括多路径效应误差和观测误差等。 ）偶然误差：包括多路径效应误差和观测误差等。 • 当卫星信号到达地面时，往往受到某些物体表面 当卫星信号到达地面时， 反射， 反射，使接收机收到的信号不单纯是直接来自卫 星的信号，而包含了一部分反射信号，从而参数 星的信号，而包含了一部分反射信号， 信号的多路径误差 多路径误差。 信号的多路径误差。 • 观测误差即接收机的分辨率误差，具有随机性质， 观测误差即接收机的分辨率误差，具有随机性质， 即接收机的分辨率误差 通过增加观察量可以明显减弱其影响。 通过增加观察量可以明显减弱其影响。
全球定位系统
卫星轨道偏差对绝对定位的影响可达几十米到一百米。 卫星轨道偏差对绝对定位的影响可达几十米到一百米。 而在相对定位中， 而在相对定位中，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 相关性， 影响，不过，随着基线距离的增加， 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。 的基线误差将不断加大。
全球定位系统
定位中， 在GPS定位中，根据不同要求，处理轨道误差的 定位中 根据不同要求， 方法原则上有三种； 方法原则上有三种； •忽略轨道误差：广泛用于实时单点定位。 忽略轨道误差：广泛用于实时单点定位。 忽略轨道误差 •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 采用轨道改进法处理观测数据： 主要由各种摄动力综合作用而产生， 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 个轨道参数的影响不相同， 卫星 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， 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。 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， 处理时，根据引入轨道偏差改正数的不同，分 短弧法和半短弧法。 为短弧法和半短弧法。
为了便于理解， 为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距 等效距离误差。 离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差 离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。
全球定位系统
误差来源
卫星轨道误差 卫星相位中心误 差 电离层误差
对流层误差 多路径误差 天线相位中心误差 接收机钟差误差
全球定位系统
全球定位系统
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 不同观测站同步观测量的影响具有系统性。 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。 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， 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。 也有极其重要意义。
全球定位系统
卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连 续监测精确地确定，并用二阶多项式表示： 续监测精确地确定，并用二阶多项式表示： δtj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。 式中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文 式中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文 提供给用户。 提供给用户。 经钟差模型改正后， 经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保 持在20ns以内，引起的等效距离偏差不超过 。 以内， 持在 以内 引起的等效距离偏差不超过6m。 卫星钟经过改正的残差，在相对定位中， 卫星钟经过改正的残差，在相对定位中，可通过 观测量求差（差分）方法消除。 观测量求差（差分）方法消除。
全球定位系统
减弱措施： 减弱措施： ；（残余误差随边长的增 （1）相对定位；（残余误差随边长的增 ）相对定位；（ 大而增大） 大而增大） （2）差分定位； ）差分定位； （3）采用后处理星历； ）采用后处理星历； （4）建立自己的地面监测站，进行 ）建立自己的地面监测站，进行GPS 卫星的定轨观测，求精密星历。 卫星的定轨观测，求精密星历。
全球定位系统 3. 卫星信号传播误差 （1）电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路径上的 ）电离层折射影响： 电子总量。 电子总量。影响电离层折射的因素
（1）电磁波频率 250MHz电磁波的折射数为1600MHz电磁波折射数的约30倍，L1载波 250MHz电磁波的折射数为1600MHz电磁波折射数的约30倍，L1载波 与L2载波的折射数显著不同。 L2载波的折射数显著不同。 （2）电磁波传播路径上的带电离子密度及带电粒子数： 电离层高度，200~400km时密度最大； 电离层高度，200~400km时密度最大； 地方时，白天是晚上的5倍，地方时11时最大； 地方时，白天是晚上的5倍，地方时11时最大； 季节，夏天是冬天的4 季节，夏天是冬天的4倍； 测站纬度，赤道最高，南北极最低； 年份，太阳黑子活动周期为11年，最高年份可达1016/m 年份，太阳黑子活动周期为11年，最高年份可达1016/m2,最 低年份近于零。58，69，80，91，02年最高； 低年份近于零。58，69，80，91，02年最高； 卫星高度：高度越大，地面观测站的最大距离约为 卫星到地面观测站的最大距离约为25000km，如果基 卫星到地面观测站的最大距离约为 ， 线测量的允许误差为1cm，则当基线长度不同时，允许的 线测量的允许误差为 ，则当基线长度不同时， 轨道误差大致如下表所示。从表中可见，在相对定位中， 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， 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。 的主要因素。 基线长度 1.0km 10.km 100.0km 1000.0km 基线相对误差 10×10-6 × 1×10-6 × 0.1×10-6 × 0.01×10-6 × 容许轨道误差 250.0m 25.0m 2.5m 0.25m
全球定位系统
（2）卫星轨道偏差（星历误差）： ）卫星轨道偏差（星历误差）：
1）来源：地面监测站观测数据误差及星历数据计算方法 ）来源： 不合理带来的误差。 不合理带来的误差。 2）大小：卫星位置偏差达数米至数十米。 ）大小：卫星位置偏差达数米至数十米。 3）性质：当地面两点间的距离较近（<20km）时，对两 ）性质：当地面两点间的距离较近（ ） 点定位的影响具有相关性。 点定位的影响具有相关性。
全球定位系统 （2）多路径效应：也称多路径误差，即接收机天线除直 ）多路径效应：也称多路径误差， 接收到卫星发射的信号外， 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， 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。 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， 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 影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大， 常常导致卫星失锁和产生周跳。措施： 常常导致卫星失锁和产生周跳。措施： •安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、平 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 坦光滑的地面和建筑表面。 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。 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 •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。 适当延长观测时间 •改善接收机的电路设计。 改善接收机的电路设计。 改善接收机的电路设计