05GPS测量的误差来源选读.ppt

五、GPS测量的误差来源;本章思路;5.1 GPS测量误差的分类;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 ;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。;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；;5.2 与GPS卫星有关的误差;5.2.1 GPS卫星星历误差;1、星历误差的来源;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。;2、星历误差对定位精度的影响;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。;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。 ;3、削弱星历误差的方法;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。;5.2.2 卫星钟误差;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。;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。;5.2.3 相对论效应;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！;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。;5.3 与卫星信号传播有关的误差;5.3.1 电离层折射误差;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。 ;（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。;（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。;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。 ;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。 ;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