05GPS测量的误差来源

五、GPS测量的误差来源张广驰广东工业大学1GPS定位技术与应用五、GPS测量的误差来源本章思路•误差分类•描述误差产生的原因•消除、减弱误差的方法广东工业大学GPS定位技术与应用2五、GPS测量的误差来源5.1GPS测量误差的分类•GPS测量的误差来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程、地面接收设备等等。•与GPS卫星有关的误差：–GPS卫星星历误差–卫星钟误差–相对论效应广东工业大学GPS定位技术与应用3五、GPS测量的误差来源•与卫星信号传播有关的误差–电离层折射误差–对流层折射误差–多路径效应•与接收机有关的误差–观测误差–接收机钟误差–载波相位观测的整周未知数–天线相位中心位置偏差广东工业大学GPS定位技术与应用4五、GPS测量的误差来源•其他误差来源–地球自转的影响–地球潮汐改正•为了便于理解，将各种误差的影响投影到观测站至卫星的距离上，用相应距离误差来表示，称之为等效距离误差。广东工业大学GPS定位技术与应用5五、GPS测量的误差来源•误差的分类：–系统误差（主要误差源）•轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、大气折射误差–偶然误差•多路径效应、观测误差•消除、削弱误差的措施：–建立误差模型，对观测量进行修正；–将误差作为未知数，同其他未知数一起求解；–将不同观测站对相同卫星进行的同步观测值求差；广东工业大学GPS定位技术与应用6五、GPS测量的误差来源5.2与GPS卫星有关的误差•卫星的星历误差•卫星钟误差•相对论效应广东工业大学GPS定位技术与应用7五、GPS测量的误差来源5.2.1GPS卫星星历误差•卫星星历误差：卫星星历所提供的卫星空间位置与实际位置的偏差。–也称为卫星轨道误差。–卫星星历误差是系统误差，是定位的主要误差来源之一。•卫星空间位置由地面监测系统根据卫星测轨结果计算得到。–由于卫星受到多种摄动力影响，地面监测站难以精确测定各种摄动力的作用规律。广东工业大学GPS定位技术与应用8五、GPS测量的误差来源1、星历误差的来源•GPS卫星星历分为广播星历和实测星历。•广播星历：–用户从卫星电文中获得广播星历；–提供17个星历参数，每小时更新一次；–广播星历是外推星历，存在较大误差（各种摄动力对卫星的影响）广东工业大学GPS定位技术与应用9五、GPS测量的误差来源•实测星历–是根据实测资料进行测后处理而直接得出的星历，也称为精密星历。–需要在位置精确已知的点上跟踪卫星，并且在观测后1～2周才能得到，对导航和动态定位没有意义，对静态精密定位具有重要作用。–可以通过区域性的卫星跟踪网获得高精度星历，许多国家、组织都建立了自己的GPS卫星跟踪网，进行独立定轨工作。广东工业大学GPS定位技术与应用10五、GPS测量的误差来源2、星历误差对定位精度的影响•对单点定位的影响–在GPS单点定位中，卫星位置被认为是已知的。–广播星历误差对测量站坐标的影响达到几十米到一百米。广东工业大学GPS定位技术与应用11五、GPS测量的误差来源•对相对定位的影响–相对定位利用了相邻测量站星历误差的相关性，采用观测量求差的方法来削弱星历误差的影响。–星历误差对相对定位的影响远小于对绝对定位的影响。–用下式估计星历误差对相对定位的影响：•dD是定位误差，D是两观测站间距离，d是星历误差，是卫星到测量站的距离。广东工业大学GPS定位技术与应用1211104ddDdD五、GPS测量的误差来源•因此，相对定位受星历误差影响较小。–即使存在SA技术的干扰，广播星历误差达到100m，取卫星高度为20000km，相对定位的测量误差在(0.1~1.3)10-6之间，可以满足测量工程的需求。广东工业大学GPS定位技术与应用13五、GPS测量的误差来源3、削弱星历误差的方法•1）建立卫星跟踪网独立测轨–不受美国政府降低卫星星历精度行为的影响；–可以向实时动态定位用户提供无干扰的预报星历、向静态用户提供高精度的后处理星历。–我国已在上海、长春、西安、乌鲁木齐、昆明等地建立了测轨站，精度约为3米。广东工业大学GPS定位技术与应用14五、GPS测量的误差来源•2）采用轨道改进法–基本思想：把卫星轨道参数作为未知数进行求解。–a.半短弧法：将受摄动力影响较大的轨道切向、径向、法向三个改正数作为位置参数，同测量站坐标一起求解。•计算量较小，能把轨道误差减少到10m以内。–b.短弧法：将6个轨道参数作为未知数，同测量站坐标一起求解。能明显提高定位精度，但计算工作量较大。•3）同步求差法：使用相对定位的原理。广东工业大学GPS定位技术与应用15五、GPS测量的误差来源5.2.2卫星钟误差•GPS测量是以精密测时为基础的：–卫星位置是随时间变化的，卫星轨道坐标必须与时刻相对应才有意义。–卫星到测站的距离，是通过测量信号传播时间确定的。•因此，GPS测量精度与时钟误差有密切的关系。广东工业大学GPS定位技术与应用16五、GPS测量的误差来源•GPS卫星配备了高精度的原子钟（铯、铷原子钟），稳定度高。•然而，卫星钟面时间和GPS系统时间之间存在偏差。若–量值在1ms以内，等效距离误差为300km！•卫星钟的时间偏差：–t0是参考时刻，a0、a1、a2分别是t0时刻的钟差、钟速、钟速的变率。广东工业大学GPS定位技术与应用17201020()()staattatt五、GPS测量的误差来源•卫星会通过卫星电文把上述信息告诉用户，使等效距离误差不超过6m。•进一步提高定位精度的方法：接收机间求一次差分，可以消除卫星钟钟差。广东工业大学GPS定位技术与应用18五、GPS测量的误差来源5.2.3相对论效应•要保证定位的高精度，还需要考虑相对论效应——相对运动带来的时间误差。•相对论效应取决于卫星的运动速度和重力位，以卫星钟误差的形式表现出来。•分别讨论狭义、广义相对论的效应。广东工业大学GPS定位技术与应用19五、GPS测量的误差来源•狭义相对论效应：卫星钟频率为–其中，Vs为卫星在惯性坐标系中运动的速度，f是同一时钟在惯性坐标系中的频率。•代入数据，Vs=3874m/s得到：•钟变慢了。广东工业大学GPS定位技术与应用201/2222112sssVVfffcc1010.83510sffff五、GPS测量的误差来源•广义相对论效应：–Ws是卫星所处位置的重力位，WT为地面测量站的重力位。–把地球看成质点：–忽略日、月引力位，代入具体数字，得：–钟变快了！广东工业大学GPS定位技术与应用2122sTWWffc,sTWWrR1025.28410ff五、GPS测量的误差来源•总的影响：•因此，由于相对论效应，卫星上的时钟比放在地面时频率变快了。•解决相对论效应的最简单方法：预先把频率调低。–卫星钟的标准频率：10.23MHz–出厂时，把频率改为10.22999999545MHz•卫星运动轨道是椭圆，运行速度并不恒定，相对论效应的影响不是常数，经修正仍存在残差。广东工业大学GPS定位技术与应用2210124.44910ffff五、GPS测量的误差来源5.3与卫星信号传播有关的误差•电离层折射误差•对流层折射误差•多路径效应广东工业大学GPS定位技术与应用23五、GPS测量的误差来源5.3.1电离层折射误差1、电离层及其影响•电离层是离地面高度为50～1000km之间的大气层。•在太阳光的强烈照射下，电离层中的中性气体分子被电离，产生大量的正离子和自由电子。广东工业大学GPS定位技术与应用24五、GPS测量的误差来源•按照距离地面高度不同，将电离层划分为D、E、F1、F2等4个电离区。广东工业大学GPS定位技术与应用25五、GPS测量的误差来源•（1）D区–高度为50～90km，因强烈的X射线和辐射电离产生。–主要吸收中波无线电波，对GPS信号不产生延时。•（2）E区–高度为90～140km，由弱X射线电离产生。–对GPS信号有较小的时延影响。广东工业大学GPS定位技术与应用26五、GPS测量的误差来源•（3）F1区–高度为140～210km。–F1区和E区的共同影响，约占GPS电离层时延影响的10%。•（4）F2区–高度为210km～1000km，主要由原子氧电离而产生。–是对GPS信号产生最大时延影响的区域。广东工业大学GPS定位技术与应用27五、GPS测量的误差来源•当GPS信号通过电离层时，信号路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。•用信号传播时间乘以真空中光速得到的距离会产生偏差，由电离层引起的偏差叫电离层折射偏差。•电离层是弥散性介质（色散介质）。电磁波在这种介质内传播时，速度与频率有关。广东工业大学GPS定位技术与应用28五、GPS测量的误差来源•电离层的群折射率为•GPS信号的群速为–Ne为电子密度–群速：多个频率合成的电磁波，其合成波的波峰（或波谷）随时间变化而一定的速度。–相速：单一频率的电磁波，其波峰（或波谷）随时间变化而移动的速度。广东工业大学GPS定位技术与应用292140.28GenNf2(140.28)GeGcvcNfn五、GPS测量的误差来源•设信号传播时间为t，卫星至接收机的真实距离S：–对于GPS信号，电离层距离改正在天顶方向最大可达50m，在接近地平线方向可达150m。广东工业大学GPS定位技术与应用3022'(140.28)40.28GetteSionSvdtcNfdtctcNdsfd沿着信号传播路径S’对电子密度Ne积分，得到电子总量电离层折射量伪距五、GPS测量的误差来源2、减弱电离层影响的措施•方法1：利用双频观测量–使用双频接收机，可以利用双频观测量有效的削弱电离层传播传播误差。–令–那么对于GPS卫星的两个载波频率f1=1575.42MHz,f2=1226.60MHz，有广东工业大学GPS定位技术与应用31'40.28eSAcNds21112222//SAfSAf五、GPS测量的误差来源•因为S1=S2•两式相减得•所以，利用下面公式可以求出电离层折射改正量广东工业大学GPS定位技术与应用322212122121222222112222210.64690.3938ionionAffdffAAffAffdff1122121.54573()2.54573()ioniondd伪距测量之差五、GPS测量的误差来源•方法2：利用电离层延迟改正模型•提出原因：–满足单频接收机用户需要；–在电离层电子含量很大，卫星高度角较小时，使用双频接收机求出的电离层改正量仍然可能存在较大误差；–定位精度更高；广东工业大学GPS定位技术与应用33五、GPS测量的误差来源•电离层改正模型：–把白天的电离层延迟看成是余弦波的正数部分，把晚上的电离层延迟看成是一个常数广东工业大学GPS定位技术与应用34五、GPS测量的误差来源•白天任一时刻t的电离层延迟：–DC=5ns，是晚间的延迟量；TP=14h(地方时)广东工业大学GPS定位技术与应用352cos()gPTDCAtTP3030'''/1511.6cos(291)nmnnmnPmPPAPtUTn和n由卫星通过卫星电文告诉用户P’和P’为P’点的经纬度UT为观测时刻的世界时五、GPS测量的误差来源•上式描述的Tg是从天顶方向传来的电离层延迟。当卫星不在天顶方向时，电离层延迟为–E为卫星高度角•总结：电离层延迟改正模型是一个经验估算公式，在全球范围内使用同一的参数，只能反映全球的平均状况，与各地实际情况有一定差异，能消除60%的电离层折射影响。广东工业大学GPS定位技术与应用363'961290gggETSFTT五、GPS测量的误差来源•方法3：同步观测值求差–利用两台接收机同步观测相同的卫星，然后用观测值求差–当两台接收机距离比较近时非常有效。•方法4：选择有