GPS 卫星定位系统误差来源及影响

1. 第五章 GPS卫星定位系统误差来源及影响 1

2. 第五章 GPS卫星定位系统误差来源及影响 学习目标 了解卫星星历误差，卫星钟差及相对论效应。 理解接收机钟误差，相位中心位置误差的产生与消减方法。 掌握电离层折射误差、对流层折射误差、多路径误差的产生与消减方法。 2

3. 第五章 GPS卫星定位系统误差来源及影响 学习内容 第一节 GPS定位的误差概述 第二节 与卫星有关的误差 第三节 卫星信号传播误差 第四节 接收设备误差 第五节 卫星几何图形强度 3

4. 第一节 GPS定位的误差概述 4

5. 第二节 与卫星有关的误差 • 一、卫星星历误差 • 二、卫星钟差 • 三、相对论效应 GPS卫星的发射 5

6. 第二节 与卫星有关的误差 一、卫星星历误差 • 1．星历来源 • 2．星历误差对定位的影响 • 3．减弱星历误差影响的途径 GPS卫星工作星座 6

7. 第二节 与卫星有关的误差 1．星历来源 卫星星历误差 某一瞬间的卫星位置，是由卫星星历提供的，卫星星历误差就是卫星位置的确定误差。 星历误差来源 其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度。

8. 第二节 与卫星有关的误差 1．星历来源 星历 （1）广播星历 （2）实测星历 • 广播星历 根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行 　　　　 外推，通过GPS卫星发播的一种预报星历。 • 实测星历根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。 7

9. 第二节 与卫星有关的误差 2．星历误差对定位的影响 单点定位 星历误差的径向分量作为等价测距误差进入平差计算，配赋到星站坐标和接收机钟差改正数中去，具体配赋方式则与卫星的几何图形有关。 8

10. 第二节 与卫星有关的误差 2．星历误差对定位的影响 相对定位 利用两站的同步观测资料进行相对定位时，由于星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得高精度的相对坐标。

11. 第二节 与卫星有关的误差 2．星历误差对定位的影响 根据一次观测的结果，可以导出星历误差对定位影响的估算式为： b ——基线长； db ——卫星星历误差所引起的基线误差； p ——卫星至测站的距离； ds ——星历误差； ——卫星星历的相对误差。

12. 第二节 与卫星有关的误差 3．减弱星历误差影响的途径 （1）建立自己的GPS卫星跟踪网独立定轨 （2）相对定位 （3）轨道松弛法 9

13. 第二节 与卫星有关的误差 主要误差源 二、卫星钟的钟误差 卫星钟采用的是GPS 时，但尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟）,它们与理想的GPS时之间仍存在着难以避免的频率偏差或频率漂移,也包含钟的随机误差。这些偏差总量在1ms以内，由此引起的等效距离可达300km。 11

14. 第二节 与卫星有关的误差 二、卫星钟的钟误差 卫星钟差的改正 卫星钟差可通过下式得到改正： 11

15. 第二节 与卫星有关的误差 经上述钟差改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，由此引起的等效距离偏差不超过6m。卫星钟差或经改正后的残差，在相对定位中可通过差分法在一次求差中得到消除。

16. 第二节 与卫星有关的误差 不可忽视 三、相对论效应 相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟差的现象。 狭义相对论观点 ——一个频率为f0的振荡器安装飞行速度为v的载体上，由于载体的运动，对地面观测者来说将产生频率变化。 12

17. 第二节 与卫星有关的误差 不可忽视 三、相对论效应 广义相对论观点——处于不同等位面的振荡器，其频率将由于引力位不同而发生变化。 相对论效应的影响并非常数，经改正后仍有残差，它对GPS时的影响最大可达70ns，对精密定位仍不可忽略。

18. 第三节 卫星信号传播误差 • 一、电离层折射 • 二、对流层折射 • 三、多路径误差 13

19. 第三节 卫星信号传播误差 一、电离层折射 1．电离层及其影响 电离层——地球上空大气圈的上层，距离地面高度在50~1000km之间的大气层。 当GPS信号通过电离层时，信号的传播路径会发生弯曲，使其传播速度发生变化，由此产生的距离差对测量的精度影响较大，必须采取有效措施削弱其影响。 15

20. 第三节 卫星信号传播误差 1．电离层及其影响 应该明确，电离层中的相对折射率与群折射率是不同的。码相位测量和载波相位测量应分别采用群折射率和相折射率。所以，载波相位测量时的电离层折射改正数和伪距测量时的改正数是不同的，两者大小相等，符号相反。

21. 第三节 卫星信号传播误差 2、减弱电离层影响的有效措施 （1）相对定位：利用两台或多台接收机对同一组卫星的同步观测值求差时可以有效地减弱电离层折射的影响，即使不对电离层折射进行改正，对基线成果的影响一般也不会超过1×10-6。 16

22. 第三节 卫星信号传播误差 2、减弱电离层影响的有效措施 （2）双频接收：如分别用两个已知频率f1和f2发射卫星信号，则两个不同频率的信号就会沿同一路径到达接收机。公式中积分值虽然无法计算，但对两个频率的信号却是相同的。

23. 第三节 卫星信号传播误差 二、对流层折射 • 1、对流层及其影响 • 2、减弱对流层影响的措施 • 3、用霍普非尔德公式进行对流层折射改正 17

24. 第三节 卫星信号传播误差 1、对流层及其影响 对流层是高度为50km以下的大气层，由于离地面更近，其大气密度比电离层更大，大气状态变化更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低。对流层中虽有少量带电离子，但对电磁波传播影响不大。 18

25. 第三节 卫星信号传播误差 2、减弱对流层影响的措施 • 用改正模型进行对流层改正 • 利用同步观测值求差 20

26. 第三节 卫星信号传播误差 2、减弱对流层影响的措施 用改正模型进行对流层改正 该方法设备简单，方法易行，但由于水气在空间的分布不均匀，不同时间、不同地点水气含量相差甚远，用通一模型很难准确描述，所以，对流层改正的湿气部分精度较低，只能将湿分量消去80%~90%。 21

27. 第三节 卫星信号传播误差 2、减弱对流层影响的措施 利用同步观测值求差 与电离层的影响类型相似，当两观测站相距不太远时（例如<20km），由于信号通过对流层的路径大体相同，所以，对同一卫星的同步观测值求差，可以明显地减弱对流层折射的影响。这一方法在精密相对定位中被广泛应用。 22

28. 第三节 卫星信号传播误差 2、减弱对流层影响的措施 利用同步观测值求差 不过，随着同步观测站之间距离的增大，大气状况的相关性减弱，当距离>50~100km时，对流层折射的影响就成为制约GPS定位精度提高的重要因素。

29. 第三节 卫星信号传播误差 三、多路径误差 多路径是指卫星信号通过多个不同路径传到接收到卫星信号的同时，还可能收到经天线周围地物反射的卫星信号，多种信号叠加就会引起测量参考点（相对中心）的位置变化，这种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应。 直接信号 多路径信号 反射物 23

30. 第三节 卫星信号传播误差 三、多路径误差 多路径误差不仅与反射系数有关，也和反射物离测站的距离及卫星信号方向有关，无法建立准确的误差改正模型，只能恰当地选择站址，避开信号反射物。 24

31. 第三节 卫星信号传播误差 三、多路径误差 例如： ①选设点位时应远离大面积平静的水面，较好的站址可选在地面有草丛、农作物等植被能较好吸收微波信号的能量的地方； ②测站附近不应有高层建筑物，观测时测站附近也不要停放汽车； ③测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。

32. 第四节： 接收设备误差与图形强度 • 一、接收机钟误差 • 二、天线相位中心位置误差 • 三、等效距离误差 • 四、几何图形强度 25

33. 第四节： 接收设备误差与图形强度 一、接收机钟误差 在GPS测量时，为了保证随时导航定位的需要，卫星钟必须具有极好的长期稳定度。而接收机钟则只需要在一次定位的期间内保持稳定，所以，一般使用短期稳定交好、便宜轻便的石英钟，其稳定度约为10-10。如果接收机钟与卫星钟间的同步差为1μs，则由此引起的等效距离差约为300m。 26

34. 第四节： 接收设备误差与图形强度 一、接收机钟误差 减弱接收机钟差比较有效的方法是：把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。伪距测量的数据处理就是根据这一原理进行的。

35. 第四节： 接收设备误差与图形强度 一、接收机钟误差 在静态绝对定位中，可以认为各观测时刻的接收机钟差是相关的，设法建立一个钟误差模型，在平差计算中求解多项式系数。不过接收机钟的稳定性较差，钟差模型不易反映真实情况，难以充分消除其误差影响。 此外，还可以通过在卫星间求一次差来削弱接收机钟差的影响。 27

36. 天宝4800GPS结构图 第四节： 接收设备误差与图形强度 二、天线相位中心位置误差 在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，所以天线的相位中心该与其几何中心保持一致。但实际天线的相位中心位置随信号输入的强度和方向不同会发生变化，使其偏离几何中心。这种偏差视天线性能的好坏可达数毫米至数厘米，对精密相对定位也是不容忽视的。 28

37. 第四节： 接收设备误差与图形强度 二、天线相位中心位置误差 实际工作中如果使用同一类型天线，在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星，可以通过观测值求差来减弱相位中心偏移的影响。不过这时各测站的天线均应按天线附有的方位标志进行定向，根据仪器说明书的要求，罗盘指向磁北极，其定向偏差应在3o以内。 29

38. 第四节： 接收设备误差与图形强度 三、等效距离误差 等效距离误差——各项误差投影到测站至卫星方向的具体数值。如果认为各项误差之间相互独立，就可以求出总的等效距离误差，并用σ0表示。从而σ0就可以作GPS定位时衡量观测精度的客观标准。 30

39. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 GPS定位的精度除了取决于等效距离误差σ0以外，还取决于空间后方交会的几何图形强度。 31

40. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 GPS星座与测站所构成的几何图形不同，权系数的数值亦不同，此时，即使相同精度的观测值所求得的电位精度也会相同。为此需要研究卫星星座几何图形与定位精度的关系。通常用图形强度因子DOP来表示几何图形强度，其定义是

41. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 式中 σ0 ——等效距离的标准差 mx ——某定位元素的标准差 DOP——实际是权系数阵中主对角 线元素的函数 32

42. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 图形强度因子是一个直接影响定位精度、但又独立于观测值和其他误差之外的一个量。其值恒大于1，最大值1，其大小随时间和测站位置而变化。在GPS测量中，希望DOP值越小越好。

43. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 在实际工作中，常根据不同的要求采用不同的评价模型和相应的图形强度因子。 ①平面位置图形强度因子HDOP及其相应的平面位置精度 33

44. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 ②高程图形强度因子VDOP及相应的高程精度 34

45. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 ③空间位置的图形强度因子PDOP及其相应的三维定位精度 35

46. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 ④接收机钟差图形强度因子TDOP及其钟差精度 36

47. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 ⑤几何图形强度因子GDOP及其三维坐标和时间误差的综合影响

48. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 如果测站与4颗卫星构成一个六面体时，图形强度因子GDOP与该六面体体积成反比。意味着所测卫星在空间分布越大，六面体的体积越大，GDOP值越小，图形越坚强，定位精度越高。

49. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 卫星的分布与GDOP GDOP良好 37

50. 第四节： 接收设备误差与图形强度 四、几何图形强度 卫星的分布与GDOP GDOP较差 38