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1、龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目： GPS定位中产生的误差对变形监测影响的分析 专 业： 测绘工程 班 级： 07级测绘工程班 学 号： 姓 名： 指导教师： 职称： 副教授 资源工程学院14GPS定位中产生的误差对变形监测影响的分析资源工程学院 测绘工程专业【摘要】：随着科学技术的发展，GPS技术的不断完善，GPS作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域，因此对GPS数据的准确性和精确性就需要有更高的要求，而GPS定位中产生的各种误差对GPS数据的准确性和精确性有较大的影响，从而对GPS变形监测也有一定的影响。本文首先简述了GPS定位原理，详
2、细阐述了在GPS观测中各种误差来源及对其误差的减弱措施，通过实例分析了GPS定位中产生的误差对变形监测的影响。【关键词】：GPS定位原理；GPS误差源；变形监测目录1引言12GPS定位原理12.1伪距测量原理12.2 绝对定位原理22.3 相对定位原理23GPS定位中的各种误差源33.1与卫星有关的误差43.2传播过程中有关的误差43.3与接收机有关的误差63.4其他因素误差74GPS定位中产生的误差对变形监测的影响74.1 GPS定位中产生的误差对GPS数据的影响的分析84.2 GPS定位中产生的误差对变形监测水平位移影响的实例分析84.3 GPS定位中产生的误差对变形监测垂直位移影响的实例
3、分析105结语11致谢：12参考文献：131引言自20世纪80年代以来，尤其是进入90年代后，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。其定位的绝对或相对精度从m级扩展到cm级、mm级乃至亚mm级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用，已广泛用于我国导航定位各领域,为国家经济建设作出了重大贡献。因此GPS全球定位系统作为一种全新的现代空间定位技术，以其高精度、全天候、高效率、多功能、易操作、应用广等特点在变形监测中迅速得到了推广，逐渐成为各种变形监测的一种极为有效的手段。但在利用GPS定位技术进行变形监测时，由于伪距单点定位、载波相位测量和整
4、周跳变等数据都是基于一个时间段里的观测数据，在观测时段上，从测站上开始搜索、接收卫星信号起至停止观测间的连续工作时间段，不同等级的GPS测量对观测时段长度有不同的要求，同时在不同时间段及不同仪器观察的数据所产生的误差而也不尽相同，因此GPS定位中产生的误差对变形监测的数据精度有一定的影响。而其定位数据精度受卫星星历误差、卫星钟钟差、对流层延迟、电离层延迟、多路径误差、接收机钟钟差、接收机的位置误差、接收机测量噪声以及数据处理软件本身的质量等多种误差的影响，在数据处理传输过程中，还将涉及周跳的探测及修复、整周模糊度的确定等一系列误差影响。这些误差在GPS定位中都不可避免的产生，而其各种误差都将或
5、大或小对变形监测产生影响，对于变形体本身来说，GPS周期性变形监测中的两期观测数据的坐标差是对形变体本身的形变反应还是GPS观测误差的反应，这就很难确定了。因此，只有掌握GPS定位原理，理解这些误差源的性质及其影响，才能在制定出更好的技术方案和作业方式，更好的消除和减弱GPS定位中各种误差的影响，提高GPS定位观测的数据成果的准确性和精确性，从而使GPS定位技术在各种变形监测中更加广泛的应用。2GPS定位原理2.1伪距测量原理 星站间的距离由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离=c，由于传播时间中包含有卫星时钟与接收机时钟不同步的误差、卫星星历误差、接收机测量
6、噪声以及测距码在大气中传播的延迟误差等，由此求得的距离值并非真正的站星间的几何距离，习惯上称之为“伪距”。在伪距测量中，GPS观测过程中时间误差传递的影响原理如下：假设用户的位置己知为(Xk, Yk, Zk)，在该点设置一台GPS接收机，tk时刻观测卫星Si的伪距ki，考虑卫星钟钟差、电离层和对流层延迟、时间测量随机误差等，必须引入各种误差改正，所以得到观测方程如下： ki=(Xi-Xk)2+(Yi-Yk)2+(Zi-Zk)21/2+ctk-cti+kni+kpi+ki （2-1）式（2-1）中tk表示接收机钟差，ti表示卫星钟差，kni表示电离层折射影响，kpi表示对流层折射影响，(Xi，Y
7、i，Zi)表示卫星在ti时刻的位置坐标。由于通过GPS接收机的基本观测量仅能得到时间延迟，无法得到信号的发射时间ti，因此必须由接收时间tk算出ti, ti=tk-d/c，然后根据卫星导航电文所给出的卫星星历参数可以计算出ti时刻的卫星位置坐标(Xi，Yi，Zi)，因此从卫星到接收站的距离就可通过计算得到，再根据导航电文中给出的卫星钟差改正、电离层和对流层延迟改正等参数，修正观测方程中的误差项，这样式（2-1）中的未知量仅剩下本地时钟误差tk一项，因此从原理上讲，仅观测一颗GPS卫星就可实现时间传递，而同时观测多颗卫星则可以提高时间传递的精密度。2.1.1测码伪距测量原理通常GPS卫星的钟差可
8、从卫星发播的导航电文中获得，经钟差改正后，各卫星之间的时间同步差可保持在20ns以内。如果考虑接收机、卫星钟、电离层、对流层折射等影响，可得测码伪距观测方程的常用形式为：ij（t）=ij(t)+cti(t)-ctj(t)+i.Igj(t)+i.Tj(t) （2-2）式（2-2）中ij（t）表示伪距，ij(t)表示真实距离，ti(t)表示接收机钟在观测历元 t 相对理想GPS时的钟差，tj(t)表示卫星钟在观测历元t相对理想 GPS 时的钟差，i.Igj(t)表示观测历元 t电离层折射对卫星载波信号传播路径的影响，i.Tj(t)表示观测历元t对流层折射对卫星载波信号传播路径的影响。2.1.2测相
9、伪距测量原理设卫星Sj在卫星钟钟面时tj发射的载波信号相位为jj(tj)，在接收机钟钟面时ti收到的信号相位为ji(ti)，那么相对于历元t的相位观测量jij(t)为jij(t)=ji(ti)-jj(tj)- Nij(t0) （2-3）式（2-3）中Nij(t0)表示相应起始观测历元 t0载波相位差的整周数。如果考虑接收机钟、卫星钟、电离层、对流层折射等影响，可得测相伪距观测方程的常用形式为ij（t）=ij(t)+Iij(t)+Tij(t)+cti-ctj-Nij(t0) （2-4）2.2 绝对定位原理GPS绝对定位是一个用户利用GPS接收机，以地球质心为参考点，对卫星信号进行接收和观测，确定
10、接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置，又称单点定位或伪距定位。绝对定位的基本原理是以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。GPS绝对定位方法的实质是测量学中的空间距离后方交会。有动态绝对定位和静态绝对定位两种方式，且动态绝对定位中一般采用测码伪距定位法。对利用伪距进行单点定位时，一般要同时观测4个卫星信号，由式（2-1）即可建立起相应的方程组，解算该方程组可得到测站i的位置参数和相应时刻的接收机钟差。因此只要同时保持4个以上的卫星观测值即可进行单点定位,如图2-1所示为GPS绝对定位原理示意图。
11、图2-1 GPS绝对定位原理2.3 相对定位原理GPS相对定位是利用两台或两台以上GPS接收机分别安置在不同的GPS点上，并同步观测相同的GPS卫星，将所获得观测值按一定的方法进行差分处理，消除一些误差对各观测值影响的相关部分，然后再进行解算，可以获得GPS点间的相对位置或基线向量，GPS相对定位也叫差分GPS定位(如图2-2所示为GPS相对定位原理示意图)。根据观测模型有卫星间求差分模型、测站间求差分模型、历元间求差分模型三种，根据其信息的发送方式可分为伪距差分、相位差分及位置差分等。在GPS观测中各种差分均由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果，GPS
12、差分定位技术也是目前GPS测量中定位精度最高的定位方法。图2-2 GPS相对定位原理3GPS定位中的各种误差源在GPS定位系统中，需要利用遥测信号到达测量站的时间来计算目标的位置，由于是以时间来定位，因此需要将卫星钟和接收机钟同步到某一时间基准上，同时要求观测得到的时间的精密度要高，因为它将直接影响到定位解算是否准确，要求各测量站时钟之间要高精度的时间同步，其不同步误差将直接造成测量误差，且要求各测量站间能实现纳秒级的时间同步。在GPS测量过程中的主要误差来源在GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备，同时在高精度的GPS测量中,还应注意到与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等
13、影响。如图3-1所示为GPS主要误差源示意图。图3-1 GPS主要误差源3.1与卫星有关的误差3.1.1卫星星历误差卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差，由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的，所以又称为卫星星历误差。它是一种起始数据误差，其大小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等。卫星星历分为广播星历和精密星历，广播星历是通过GPS卫星发送的一种预报星历。因为我们不能充分了解卫星上存在的各种摄动因素，所以预报星历钟存在较大的误差，因此星历误差是GPS 测量的重要误差来源。精密星历是
14、根据实测资料进行拟合处理而得出的，它需要在一些已知精密位置的点上跟踪卫星来计算观测瞬间的卫星真实位置，从而获得准确可靠的精密星历。卫星星历误差的削弱方法有以下几种：(1)建立自己的GPS卫星跟踪网进行独立定轨。建立卫星跟踪网，进行独立定轨，这不仅可以使我国用户在非常时期不受美国政府有意识的降低卫星星历精度的影响，所提供的精密星历可以达到10-7，可以显著提高精密定位的精度,也可以为实时定位提供预报星历。(2)轨道松弛法。在平差模型中把卫星星历给出的卫星轨道作为初始值，视其改正数为未知数，通过平差同时求得测站位置及轨道的改正数。(3)同步观测值求差。利用在两个或多个观测站上,对同一卫星的同步观测值求差，来减弱卫星星历误差的影响。3.1.2卫星钟误差卫星钟差是指GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均以精密测时为依据，GPS授时精密度与时钟误差密切相关，GPS授时均以GPS时间系统为统一时间标准。在GPS测量中，无论是码相位观测值还是载波相位观测值，均要求卫星钟和接收机钟严格同步。实际上，尽管GPS卫星设有高精度的原子钟
