《第七章 GPS测量的误差来源及其影响》.doc

第七章 GPS测量的误差来源及其影响 第一节 GPS的主要误差分类 一、分类 来源分类 误差种类 影响距离测量（m） 卫星部分 1 星历2 钟差3 相对论效应 1.5-15 信号传播 1 电离层2对流层3 多路径效应 1.5-15 信号增收 1钟差2位置误差3天线相位中心变化 1.5-5 其 它 1地球潮汐 2负荷潮 1.0 二、误差性质及影响特点 1 性质分类： 偶然误差：信号的多路径效应 系统误差：卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。 2 影响特点 系统误差的大小及其对定位结果的危害均远大于偶然误差，是GPS测量的主要误差源 系统误差有一定规律可循，可通过模型改正，或求差加以消减。 系统误差是GPS测量误差的重点研究对象。 第二节 与信号传播有关的误差 该类误差有： [1]电离层（Ionosphere)折射误差 [2]对流层(Troposphere)折射误差 [3]多路径效应误差 （偶然误差） 一、电离层折射误差及其消减方法 1、电离层（Ionosphere） 地球上空50km向上直到大气顶部均为电离层。在这一区间内的大气气体分子，因受太阳等天体的各种射线辐射作用，产生电离现象，形成了由大量的、高密度的自由电子和正离子组成的弥散性介质 层，当电磁波信号通过电离层时，路径会发生弯曲产生折射，造成电磁波传播误差。 2、电离层的折射率与群波的传播速度 大量的实验室模拟试验表明，电离层的折射率与电了密度有关，折射率公式为： 由于GPS载波上调制有测距码（也是一种电磁波，频频率较低）、D码等，所以GPS载波是多种频率叠加的群波，这种群波在电离层中的传播速度并非光速c，而 当传播时间为Δt，星地实际距应是群 速与时间的乘积，星地实际距为： 式（1） 式（2） b）电离层折射误差 根据前面已给出的星地伪距定义，式中： ρ=c Δt----星地伪距 而第二项则是由电离层折射造成星地距误差 大量的实验室及卫星电离层测量实验表明，电离层误差对星地距的影响： 在天顶方向最大可达50m 接近地面方向，如在高度角20度方向上可达150m。 显然 项影响是不容忽视的，消减该项影响在GPS定位中十分重要。 4、消减电离层折射误差的方法 方法（1）双频技术消减电离层折射误差 由式（2）可知：电离层折射误差与电磁波频率有关，根据下列电离层折射误差表达式可知： 由于GPS系统提供两种频率的载波L1和L2，在定位时两种频率的载波是沿着同一路 径由卫星到达接收机的。也就是说：即使传播路径上电子密度项 是未知的，由于载波是在同一路径上传播的，同一路径上的 是相同的，对两种不同频率的载波来讲，上式中除频率外其它项是相同的，即下式是成立的 则电离层折射影 响误差可表示为： 式（3） 上式表明对传播路径相同的两个载波而言： 仅与频率有关。 用两种载波测量的星地实际距（几何距）可表示为 式（4） 分别为用载波（1）（2）测定 的伪距 既可用测距码测定， 也可用载波相位测定。 将式（4）中的两式相减，可得： 式（5） 即： 可得由载波（1）得到计算电离层折射误差的实用形式 同法对式（5）进行变化，亦可得由载波（2）计算电离层折射误差的实用形式 式（6） 式（7） 利用上两式即可计算出电离层折射误差，进而加以改正。 这里所讲的用载波（1）或载波（2）计算电离层折射误差，是指利用载波（1）或（2）载有的测距码或载波（1）、（2）本身的载波相位观测值进行计算。 a）用测距码计算电折射误差改正 利用式（6）、式（7）计算电折射误差改正数时，只需计算出用两载波测出的 显然用P码计算是方便的。 b）用载波相位计算电离层折射误差改正 用载波相位计算即是指用两载波载本身 载波相位信息计算 项 事实上 方法（2）用模型改正法改正电离层误差 在电离层模型改正方法，实际上是一种在实验基础上形成的经验公式。其基本做法是在实验模拟电离层对载波的影响过程，或利用专门的卫星对电离层进行有规律监测，从而获得大量电离层影响载波传播的实验数据，再通过数理统计的方法拟合形成一个具有一定精度的电离层影响改正计算公式。在GPS定位中即可利用该公式计算电离层对载波的折射影响，并在伪距中 但随着科学实验的不断完善，一批先进的改正模型也在不断的公之于世，如由美国科学家Fritzk等人提出的修正模型，在折射率计算时考虑高次项，即 且精确考虑地磁的影响，在此基础上建立的的Fritzk改正公式，可达到毫米的改正精度。 Fritzk等人提出的修正模型视白天的电离层时间延迟为余弦波中正的部分，夜间延迟量为一常数。而余弦波的振幅A、周期P用一个三阶多项式表示： 为主控站根据观测日及其前5天 的