1、GPS原理第七章GPS误差来源及其影响7.1 GPS误差的分类误差的分类1.与与GPS卫星有关的误差卫星有关的误差（1）卫星轨道误差）卫星轨道误差（2）卫星钟差）卫星钟差（3）相对论效应）相对论效应2.与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差（1）电离层延迟）电离层延迟（2）对流层延迟）对流层延迟（3）多路径效应）多路径效应3.与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差（1）接收机天线相位中心的偏移和）接收机天线相位中心的偏移和变化变化（2）接收机钟差）接收机钟差（3）接收机内部噪声）接收机内部噪声7.1.1按按GPS测量误差的来源测量误差的来源7.1.2 按按GPS测量误差的性质测量误差的性质
2、1.偶然误差偶然误差(观测噪声观测噪声 Noise)特点特点 ：量级小量级小 毫米级毫米级2.系统误差系统误差(偏差偏差 Bias)特点：特点：量级大量级大 最大可达数百米最大可达数百米7.1.3 GPS测量误差的大小测量误差的大小1.SPS（Standard Positioning Service）（有（有SA）（）（Selective Availability）1-sigma 误差，单位 m 误差来源 偏差 随机误差 总误差 星历数据 2.1 0.0 2.1 卫星钟 2.0 0.7 2.1 电离层 4.0 0.5 4.0 对流层 0.5 0.5 0.7 多路径 1.0 1.0 1.4 接收
3、机观测 0.5 0.2 0.5 用户等效距离误差(UERE),rms 5.1 1.4 5.3 滤波后的 UERE，rms 5.1 0.4 5.1 1-sigma 垂直误差VDOP=2.5 12.8 1-sigma 水平误差HDOP=2.0 10.2 7.1.3 GPS测量误差的大小测量误差的大小2.SPS（Standard Positioning Service）（有（有SA）（）（Selective Availability）1-sigma 误差，单位 m 误差来源 偏差 随机误差 总误差 星历数据 2.1 0.0 2.1 卫星钟 20.0 0.7 20.0 电离层 4.0 0.5 4.0
4、对流层 0.5 0.5 0.7 多路径 1.0 1.0 1.4 接收机观测 0.5 0.2 0.5 用户等效距离误差(UERE),rms 20.5 1.4 20.6 滤波后的 UERE，rms 20.5 0.4 20.5 1-sigma 垂直误差VDOP=2.5 51.4 1-sigma 水平误差HDOP=2.0 41.1 7.1.4消除或消弱各种误差影响的方消除或消弱各种误差影响的方法（了解）法（了解）1.模型改正法模型改正法(1)原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正值进行修正(2)适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深
5、刻适用情况：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了解，能建立理论或经验公式(3)所针对的误差源所针对的误差源相对论效应相对论效应电离层延迟电离层延迟对流层延迟对流层延迟卫星钟差卫星钟差(4)限制：有些误差难以模型化限制：有些误差难以模型化改正后的观测值=原始观测值+模型改正7.1.4消除或消弱各种误差影响的方消除或消弱各种误差影响的方法（了解）法（了解）2.求差法求差法(1)原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消原理：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弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响(2)适用情况：误差
6、具有较强的空间、时间或其它类型的适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。相关性。(3)所针对的误差源所针对的误差源电离层延迟电离层延迟对流层延迟对流层延迟卫星轨道误差卫星轨道误差(4)限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱7.1.4消除或消弱各种误差影响的方消除或消弱各种误差影响的方法（了解）法（了解）3.参数法参数法(1)原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来求定出来(2)适用情况：几乎适用于任何的情况适用情况：几乎适用于任何的情况(3)限制：不能同时将所有影响均作为参数来估限制：不
7、能同时将所有影响均作为参数来估计计7.1.1消除或消弱各种误差影响的方消除或消弱各种误差影响的方法（了解）法（了解）4.回避法回避法(1)原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；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，消除或采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响减弱误差的影响(2)适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。特殊的设备。(3)所针对的误差源所针对的误差源电磁波干扰电磁波干扰多路径效应多路径效应(4)限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目
8、性限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性7.2 与卫星有关的误差与卫星有关的误差1.定义定义物理同步误差物理同步误差数学同步误差数学同步误差2.应对方法应对方法(1)模型改正模型改正钟差改正多项式钟差改正多项式其中其中a0为为ts时刻的时钟偏差，时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，为钟的漂移，a2为老化为老化率。率。(2)相对定位或差分定位相对定位或差分定位2210ocsocstttattaas7.2.1 卫星钟差卫星钟差7.2.2 相对论效应相对论效应7.2.2 相对论效应相对论效应1.狭义相对论效应 与钟的运动速度有关，与钟的运动速度有关，使星钟变慢使星钟变慢2.广义相对论效应 与钟所
9、处位置的重力与钟所处位置的重力位有关，使星钟变快位有关，使星钟变快3.应对方法 事先调整钟速，根据卫星轨事先调整钟速，根据卫星轨道进行修正道进行修正7.2.3卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差1.起因：起因：卫星在运动的过程中受到多种摄动卫星在运动的过程中受到多种摄动力的复杂影响，通过地面监控，难以掌握力的复杂影响，通过地面监控，难以掌握它们的作用规律。它们的作用规律。7.2.3卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差2.定义定义由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。实际位置之差称为卫星星历误差。（1）广播星历（预报
10、星历）广播星历（预报星历）的精度的精度(无无SA)2030米米(有有SA)100米米（2）精密星历（后处理星）精密星历（后处理星历）的精度历）的精度可达可达1厘米厘米7.2.3卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差3.星历误差对单点定位的影响：星历误差对单点定位的影响：星历误差对单星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机卫星与接收机构成的几何图形构成的几何图形4.星历误差对相对定位的影响：星历误差对相对定位的影响：随着基线长度随着基线长度的增加的增加基线长度与容许轨道误差基线长度与容
11、许轨道误差基线长度（km）基线相对误差（10-6）容许轨道误差（m）1.010250.010.01.025.0100.00.12.51000.00.010.257.2.3卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差5.解决办法解决办法 （1）忽略轨道误差。）忽略轨道误差。（2）采用轨道改进法处理观测数据。（其中）采用轨道改进法处理观测数据。（其中包括两种方法：短弧法和半短弧法）包括两种方法：短弧法和半短弧法）（3）同步观测求值）同步观测求值7.3 卫星信号的传播误差卫星信号的传播误差 地球大气结构地球大气结构7.3.1大气折射效应大气折射效应1.大气折射：大气折射：信号在穿过大气时，速度将发生变化
12、，信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称传播路径也将发生弯曲。也称大气延迟大气延迟。在。在GPS测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。2.色散介质与非色散介质色散介质与非色散介质（1）色散介质：对不同频率的信号，所产生的折）色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同射效应也不同（2）非色散介质：对不同频率的信号，所产生的）非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同折射效应相同（3）对）对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质层是非色散介质7.3.2电离层折射的影响电
13、离层折射的影响1.起因：起因：和其他电磁信号一样，和其他电磁信号一样，GPS信号通信号通过电离层时，将受到一个介质弥散特性的过电离层时，将受到一个介质弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变化。这种影响，使信号的传播路径发生变化。这种影响主要取决于电子总量和信号的频率。影响主要取决于电子总量和信号的频率。2.解决办法：解决办法：利用双频观测利用双频观测 利用电离层模型加以修正利用电离层模型加以修正 利用同步观测求值利用同步观测求值7.3.2对流层对流层（Troposphere）折射的影响7.3.2对流层对流层（Troposphere）折射的影响1.起因：起因：对流层的折射引起的，在天顶方向可使电
14、对流层的折射引起的，在天顶方向可使电磁波路径差达到磁波路径差达到2.3m，当高度角为，当高度角为10度的时候，度的时候，影响为影响为20m.2.解决办法：解决办法：定位精度要求不高时，可以简单忽略。定位精度要求不高时，可以简单忽略。采用对流层模型加以改正。采用对流层模型加以改正。引入描述对流层影响的附加待估参数。引入描述对流层影响的附加待估参数。观测量求差。观测量求差。7.3.3 多路径误差多路径误差7.3.3 多路径误差多路径误差1.多路径（多路径（Multipath）误差）误差 在在GPS测量中，被测站附近的测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射物体所反射的卫星信号（反射波）被接收
15、机天线所接收，与波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的真值产生所谓的“多路径误多路径误差差”。2.多路径效应多路径效应 由于多路径的信号传播所引起由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效的干涉时延效应称为多路径效应。应。3.多路径误差的多路径误差的特点特点（1）与测站环境有关）与测站环境有关（2）与反射体性质有关）与反射体性质有关（3）与接收机结构、性能有关）与接收机结构、性能有关4.应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法（1）观测上）观测上选择合适的测站，避开易产生多路
16、径的环境选择合适的测站，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4.应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法（2）硬件上）硬件上采用抗多路径误差的仪器设备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，极化天抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线线抗多路径的接收机：窄相关技术抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等等抗多路径效应的天线抗多路径效应的天线4.应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法（3）数据处理上）数据处理上加权加权参数法参数法滤波法滤波法信号分析法信号分析法
17、7.4与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差7.4.1 观测误差观测误差 信号波长观测误差P 码29.3m0.3mC/A码293m2.9m载波L119.05m2.0mm载波L224.45m2.5mm码相位与载波相位的分辨误差7.4.2 接收机钟差接收机钟差1.定义定义GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。时之间存在的偏差和漂移。2.应对方法应对方法(1)作为未知数处理作为未知数处理(2)相对定位或差分定位相对定位或差分定位7.4.3接收机的位置误差接收机的位置误差1.定义：接收机天线的相位中心相对测站标定义：接收机天线
18、的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。石中心位置的偏差。2.应对方法应对方法正确的对中整平正确的对中整平采用强制对中装置（变形监测时）采用强制对中装置（变形监测时）7.4.4天线相位中心偏差改正天线相位中心偏差改正1.卫星天线相位中心偏差改正卫星天线相位中心偏差改正2.接收机天线相位中心变化的改正接收机天线相位中心变化的改正GPS测量和定位时是以接收机天线的相位中心位测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准的，天线的相位中心与其几何中心理论置为准的，天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。可是接收机天线接收到的上应保持一致。可是接收机天线接收到的GPS信号是来自四面八方，随着信号是来自四面八方，随着GPS信号方位和高信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。在发生变化。7.4.4天线相位中心偏差改正天线相位中心偏差改正3.应对方法应对方法使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相对使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相对定位）定位）模型改正模型改正
