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1、第七章第七章 GPS误差来源及其影响误差来源及其影响7.1 GPS误差的分类误差的分类1.与与GPS卫星有关的误差卫星有关的误差（1卫星轨道误差卫星轨道误差（2卫星钟差卫星钟差（3相对论效应相对论效应2.与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差（1电离层延迟电离层延迟（2对流层延迟对流层延迟（3多路径效应多路径效应3.与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差（1接收机天线相位中心的偏移和接收机天线相位中心的偏移和变化变化（2接收机钟差接收机钟差（3接收机内部噪声接收机内部噪声7.1.1按按GPS测量误差的来源测量误差的来源7.1.2 按按GPS测量误差的性质测量误差的性质1.偶然误差偶然误差(
2、观测噪声观测噪声 Noise) 特点特点 ：量级小：量级小 毫米级毫米级2.系统误差系统误差(偏向偏向 Bias)特点：量级大特点：量级大 最大可达数百米最大可达数百米7.1.3 GPS测量误差的大小测量误差的大小1.SPSStandard Positioning Service）（有（有SA）（）（Selective Availability）7.1.3 GPS测量误差的大小测量误差的大小2.SPSStandard Positioning Service）（有（有SA）（）（Selective Availability）7.1.4消除或消弱各种误差影响的方消除或消弱各种误差影响的方法了解）法
3、了解）1.模型改正法模型改正法(1) 原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正对观测值进行修正(2) 适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式较深刻了解，能建立理论或经验公式(3) 所针对的误差源所针对的误差源相对论效应相对论效应电离层延迟电离层延迟对流层延迟对流层延迟卫星钟差卫星钟差(4) 限制：有些误差难以模型化限制：有些误差难以模型化7.1.4消除或消弱各种误差影响的方消除或消弱各种误差影响的方法了解）法了解）2.求差法求差法(1) 原理：通过观测值间一定方式的
4、相互求差，消原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响差影响(2) 适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。类型的相关性。(3) 所针对的误差源所针对的误差源电离层延迟电离层延迟对流层延迟对流层延迟卫星轨道误差卫星轨道误差(4) 限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱减弱7.1.4消除或消弱各种误差影响的方消除或消弱各种误差影响的方法了解）法了解）3.参数法参数法(1) 原理：采用参数估计的方法，将系统性偏原
5、理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来差求定出来(2) 适用情况：几乎适用于任何的情况适用情况：几乎适用于任何的情况(3) 限制：不能同时将所有影响均作为参数来限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计估计7.1.1消除或消弱各种误差影响的方消除或消弱各种误差影响的方法了解）法了解）4.回避法回避法(1) 原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响设备，消除或减弱误差的影响(2) 适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；适用情况：对误差产生的
6、条件及原因有所了解；具有特殊的设备。具有特殊的设备。(3) 所针对的误差源所针对的误差源电磁波干扰电磁波干扰多路径效应多路径效应(4) 限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性盲目性7.2 与卫星有关的误差与卫星有关的误差1.定义定义物理同步误差物理同步误差数学同步误差数学同步误差2. 应对方法应对方法(1)模型改正模型改正钟差改正多项式钟差改正多项式 其中其中a0为为ts时刻的时钟偏差，时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，为钟的漂移，a2为老化率。为老化率。(2)相对定位或差分定位相对定位或差分定位7.2.1 卫星钟差卫星钟差7.2.2 相对论效应相
7、对论效应7.2.2 相对论效应相对论效应1.狭义相对论效应 与钟的运动速度有关，使星钟变慢2.广义相对论效应 与钟所处位置的重力位有关，使星钟变快3.应对方法 事先调整钟速，根据卫星轨道进行修正7.2.3卫星星历轨道误差卫星星历轨道误差1.原因：卫星在运动的过程中受到多种摄动原因：卫星在运动的过程中受到多种摄动力的复杂影响，通过地面监控，难以掌握力的复杂影响，通过地面监控，难以掌握它们的作用规律。它们的作用规律。7.2.3卫星星历轨道误差卫星星历轨道误差2.定义定义由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。实际位置之差称为卫星
8、星历误差。（1广播星历预报星历广播星历预报星历的精度的精度(无无SA) 2030米米(有有SA) 100米米（2精密星历后处理星精密星历后处理星历的精度历的精度可达可达1厘米厘米7.2.3卫星星历轨道误差卫星星历轨道误差3.星历误差对单点定位的影响：星历误差对单星历误差对单点定位的影响：星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机卫星与接收机构成的几何图形构成的几何图形4.星历误差对相对定位的影响：随着基线长度星历误差对相对定位的影响：随着基线长度的增加的增加基线长度与容许轨道误差基线长度
9、与容许轨道误差基线长度（km）基线相对误差（10-6）容许轨道误差（m）1.010250.010.01.025.0100.00.12.51000.00.010.257.2.3卫星星历轨道误差卫星星历轨道误差5.解决办法解决办法 （1忽略轨道误差。忽略轨道误差。（2采用轨道改进法处理观测数据。（其中采用轨道改进法处理观测数据。（其中包括两种方法：短弧法和半短弧法）包括两种方法：短弧法和半短弧法）（3同步观测求值同步观测求值7.3 卫星信号的传播误差卫星信号的传播误差 地球大气结构地球大气结构7.3.1大气折射效应大气折射效应1.大气折射：信号在穿过大气时，速度将发生大气折射：信号在穿过大气时，速
10、度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称大气延变化，传播路径也将发生弯曲。也称大气延迟。在迟。在GPS测量定位中，通常仅考虑信号传测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。播速度的变化。2.色散介质与非色散介质色散介质与非色散介质（1色散介质：对不同频率的信号，所产生色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同的折射效应也不同（2非色散介质：对不同频率的信号，所产非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同生的折射效应相同（3对对GPS信号来说，电离层是色散介质，信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质对流层是非色散介质7.3.2电离层折射的影响电离层折射的影响1.原因：和其
11、他电磁信号一样，原因：和其他电磁信号一样，GPS信号通信号通过电离层时，将受到一个介质弥散特性的过电离层时，将受到一个介质弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变化。这种影响，使信号的传播路径发生变化。这种影响主要取决于电子总量和信号的频率。影响主要取决于电子总量和信号的频率。2.解决办法：解决办法：利用双频观测利用双频观测 利用电离层模型加以修正利用电离层模型加以修正 利用同步观测求值利用同步观测求值7.3.2对流层对流层Troposphere折射折射的影响的影响7.3.2对流层对流层Troposphere折折射的影响射的影响1.原因：对流层的折射引起的，在天顶方向可使电原因：对流层的折射引起
12、的，在天顶方向可使电磁波路径差达到磁波路径差达到2.3m，当高度角为，当高度角为10度的时候，度的时候，影响为影响为20m.2.解决办法：解决办法： 定位精度要求不高时，可以简单忽略。定位精度要求不高时，可以简单忽略。 采用对流层模型加以改正。采用对流层模型加以改正。 引入描述对流层影响的附加待估参数。引入描述对流层影响的附加待估参数。 观测量求差。观测量求差。7.3.3 多路径误差多路径误差7.3.3 多路径误差多路径误差1.多路径多路径Multipath误差误差 在在GPS测量中，被测站附近的物体测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号反射波被接所反射的卫星信号反射波被接收机天线所接收，与
13、直接来自卫星收机天线所接收，与直接来自卫星的信号直接波产生干涉，从而的信号直接波产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的使观测值偏离真值产生所谓的“多多路径误差路径误差”。2.多路径效应多路径效应 由于多路径的信号传播所引起的干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。涉时延效应称为多路径效应。3.多路径误差的特点多路径误差的特点（1与测站环境有关与测站环境有关（2与反射体性质有关与反射体性质有关（3与接收机结构、性能有关与接收机结构、性能有关4.应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法（1观测上观测上选择合适的测站，避开易产生多路径的环境选择合适的测站，避开易产生多路径的环境易
14、发生多路径的环境易发生多路径的环境4.应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法（2硬件上硬件上采用抗多路径误差的仪器设备采用抗多路径误差的仪器设备抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线极化天线抗多路径的接收机：窄相关技术抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等等抗多路径效应的天线抗多路径效应的天线4.应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法（3数据处理上数据处理上加权加权参数法参数法滤波法滤波法信号分析法信号分析法7.4与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差7.4.1
15、 观测误差观测误差 信号波长观测误差P 码29.3m0.3mC/A码293m2.9m载波L119.05m2.0mm载波L224.45m2.5mm码相位与载波相位的分辨误差7.4.2 接收机钟差接收机钟差1.定义定义GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。时之间存在的偏差和漂移。2. 应对方法应对方法(1)作为未知数处理作为未知数处理(2)相对定位或差分定位相对定位或差分定位7.4.3接收机的位置误差接收机的位置误差1.定义：接收机天线的相位中心相对测站标定义：接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。石中心位置的偏差
16、。2.应对方法应对方法正确的对中整平正确的对中整平采用强制对中装置变形监测时）采用强制对中装置变形监测时）7.4.4天线相位中心偏差改正天线相位中心偏差改正1.卫星天线相位中心偏差改正卫星天线相位中心偏差改正2.接收机天线相位中心变化的改正接收机天线相位中心变化的改正GPS测量和定位时是以接收机天线的相位中心测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准的，天线的相位中心与其几何中心位置为准的，天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。可是接收机天线接收到理论上应保持一致。可是接收机天线接收到的的GPS信号是来自四面八方，随着信号是来自四面八方，随着GPS信号信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。心的位置也在发生变化。7.4.4天线相位中心偏差改正天线相位中心偏差改正3.应对方法应对方法使用相同类型的天线并进行天线定向限于使用相同类型的天线并进行天线定向限于相对定位）相对定位）模型改正模型改正
