GPS测量的误差影响及其对策(精)

第四章 GPS测第一节 GPS测量误差的来源及分类 量的误差影响第二节 与GPS卫星有关的误差 及其对策目的、要求：1、GPS测量误差的来源与分类 2、与GPS卫星有关的误差 学时：2学时 教学内容概述： 一、GPS测量误差的来源及分类 1 GPS测量误差的来源 GPS测量是接收卫星播发的信息来确定点三维坐标。影响测量结果的误差来源于GPS卫星、卫星信号传播过程和地面接收设备。在高精度的GPS测量中，还应考虑与地球整体运动有关的地球潮汐、相对论效应等，如图主要影响因素所示。在研究误差对GPS测量的影响时，往往将误差化算为卫星至观测站的距离，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。 2 GPS测量误差的分类 按误差性质可分为系统误差与偶然误差两类。偶然误差主要包括信号的多路径效应、天线姿态误差等，系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性讲都比偶然误差要大得多，它是GPS测量的主要误差源。同时，系统误差有一定的规律可循，可采取一定的措施加以消除。如建立误差改正模型对观测值进行改正，或选择良好的观测条件，采用恰当的观测方法等。 下面分别讨论GPS测量中卫星本身、信号传播及信号接收等误差对定位的影响及其对策。 二、与GPS卫星有关的误差 1 卫星星历误差 GPS卫星星历误差是指卫星星历所提供的卫星空间位置与实际位置的偏差。由于卫星的空间位置是由地面监测系统根据卫星测轨结果计算而得，因此也称卫星轨道误差。卫星星历是GPS卫星定位中的重要数据, 卫星星历误差将严重影响单点定位的精度，也是精密相对定位中的主要误差来源之一。 1.1 星历误差的来源 GPS卫星星历的数据有广播星历(预报星历)和精密星历(实测星历)两种。在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数都是通过这二类星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。以下分别介绍广播星历的误差和精密星历的误差来源。 1) 广播星历的误差 广播星历是卫星导航电文中所携带的卫星空间位置信息。它是根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行外推预算，由地面注入站发送给GPS卫星，再通过GPS卫星向地面发播的一种预报星历。由于卫星在运行中受到多种摄动力的影响，目前单靠地面监测站尚不能精确可靠的测定作用在卫星上的各种摄动力因素的大小及变化规律，所以预报数据中存在着较大的误差。 2) 精密星历的误差 精密星历是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。它需要在一些已知精确位置的参考站点上跟踪卫星来计算观测瞬间的卫星真实位置，从而获得精确可靠的精密卫星轨道参数。由于精密卫星星历是由跟踪实测GPS卫星求定的，所以精密星历误差来源于不可避免的实测误差。这种星历需要在观测后1—2个星期才可以向美国国家大地测量局(NGS)购买到，这对导航和动态定位无任何意义，但是在静态精密定位中具有重要作用。 1.2 星历误差的特征及影响 1) 星历误差对单点定位的影响 在GPS单点定位中，卫星被作为空间的已知点，卫星星历被作为已知的起算数据。这样，星历误差必将以某种方式传递给测站坐标，从而产生定位误差。在GPS绝对定位中，广播星历误差对测站坐标的影响可达几十米。 2) 星历误差对相对定位的影响 在GPS相对定位中，卫星星历误差对两个相邻测站的影响具有极强的相关性，所以，可以利用两个相邻测站上星历误差的相关性，采用相位观测量求差的方法来削弱或消除星历误差的影响，从而获得高精度的相对坐标。因此，星历误差对相对定位的影响远小于对单点定位的影响。 对于长距离、高精度的GPS测量，需要采用精密星历。 1.3 削弱星历误差的对策 1.3.1建立卫星跟踪网独立测轨 GPS卫星是高轨卫星，区域性的跟踪网也能获得很高的定位精度。所以许多国家和组织都在建立自己的GPS卫星跟踪网开展独立的定位工作。建立用户自己的GPS卫星跟踪网，进行独立测轨，这不仅可以使我国的用户在非常时期不受美国政府有意降低卫星星历精度的影响，而且可向实时动态定位用户提供无人为干扰的预报星历，向静态定位用户提供高精度的后处理星历。 1.3.2采用轨道改进法 这种方法的基本思想是在平差模型中将星历中给出的卫星轨道参数作为未知参数纳入平差模型，通过平差同时求得测站位置及轨道偏差改正数。常采用的轨道改进法有半短弧法和短弧法。 1.3.3同步求差法 此方法是根据星历误差对距离不太远(20km以内)的两个测站的影响基本相同的特点，在两个或多个测站上同步观测同一颗卫星所得的观测量求差，以减弱星历误差的影响。由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响具有系统性，因此，可通过上述求差的方法，将两站的共同误差消除，采用同步求差法可有效减弱星历误差的影响。 2 卫星钟误差 卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时间与GPS标准时间之间的误差。由于卫星的位置是随时间变化的，所以GPS测量是以精密测时为基础的。当测定了卫星信号由卫星传播到观测站的时间，即可得到站星间的距离。由此可见，GPS测量精度与时钟误差有着密切的关系。 2.1 卫星钟误差的来源 在GPS卫星上配备有高精度的原子钟(铯钟和铷钟)，在GPS测量中，无论是码相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟和接收机钟保持与GPS时间系统严格同步。尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟，但与理想的GPS时之间仍存在着偏差或飘移。 2.2 卫星钟误差的特征及影响 在一个观测时间段内，卫星钟误差属于系统性误差，在GPS卫星上配备的高精度原子钟(铯钟和铷钟)，其稳定度为10—13；12小时的运行误差为 4.3M，相当距离误差±1.3m。卫星钟的钟差包括钟差、频偏、频飘等产生的误差，也包含钟的随机误差。这些偏差的总量在lms以内，由此引起的等效距离误差约达300km，显然无法满足定位精度的要求。 2.3 削弱卫星钟误差的对策 2.3.1采用钟差改正法 2.3.2采用差分技术 3 地球自转的影响 3.1地球自转影响的产生 GPS定位采用的坐标是协议地球坐标系，若某一时刻该卫星从该瞬时空间位置向地面发射信号，当地面接收机接收到卫星信息时，与地球固连的协议坐标系相对卫星发射瞬间的位置已产生了旋转（绕z轴旋转）。这样，接收到的信号会有时间延迟,这个延迟与地球自转速度有关。故称为地球自转的影响。 3.2地球自转的影响特征 4 相对论效应影响 在高精度的GPS测量中，还应考虑相对运动所带来的时间误差。相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态(运动速度和引力位) 差异而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。 4.1相对论效应影响的产生 4.2相对论效应的特征及影响 4.3 削弱相对论效应的对策 重点：1、掌握GPS定位测量三个方面的误差来源； 2、理解与GPS卫星有关的误差的性质、大小以及对定位所产生的影响； 3、掌握消除或减弱与GPS卫星有关的误差所采取的措施 难点：1、理解与GPS卫星有关的误差的性质、大小以及对定位所产生的影响； 2、掌握消除或减弱与GPS卫星有关的误差所采取的措施 思考题（作业）： 1、GPS测量中出现的误差来源于哪几个方面? 2、什么是星历误差?它是怎样产生的?如何削弱或消除其对GPS测量定位所带来的影响? 备注（教学组织形式、教学方法与手段等及其它需注明的问题）： 本章节内容多，不容易记忆，需要同学们及时复习和总结，加深对所讲知识点的理解，再通过课后作业巩固本章内容。 课后记： 1、把GPS定位测量的误差的性质与常规测量误差做比较，突出GPS测量误差的系统性，加深学生的理解。 2、在讲完所有的误差消除方法后，要求学生总结这些消除方法的一个共同方法，调动学生的积极性。 第四章 GPS测第三节 与卫星信号传播有关的误差 量的误差影响第四节 与接收机有关的误差 及其对策 第五节 与动态差分定位有关的误差 目的、要求： 1、与卫星信号传播有关的误差 2、与接收机有关的误差 3、与动态差分定位有关的误差 学时：2学时 教学内容概述： 一、与卫星信号传播有关的误差 与卫星信号传播有关的误差包括：信号穿越大气电离层和对流层时所产生的误差，以及信号反射产生的多路径效应误差。 1 电离层折射误差 由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，从而导致卫星至接收机间的几何距离偏差。这种偏差叫电离层折射误差。 1.1电离层折射误差的产生 所谓电离层，指地球上空距地面高度在50—1000km之间的大气层。电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射的影响，产生强烈的电离，形成大量的自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时，如同其他电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，这种变化称为电离层延迟。所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离。从而产生电离层折射误差。 1.2 电离层折射的特征及影响 1.3 削弱电离层折射影响的对策 对于电离层折射的影响，可以通过以下解决途径削弱。 1.3.1 利用电离层模型加以改正 在导航电文中提供电离层改正模型，该模型一般用于单频接收机，用目前所提供的模型可将电离层延迟影响减少75% 1.3.2利用双频观测减少电离层延迟 由于电离层的电子密度分布受到多种因素的影响，单频接收机用户无法通过电离层模型完全消除电离层传播误差。但是，对于双频接收机用户，则可利用双频观测量色散效应有效的削弱电离层传播误差。 1.3.3 利用两个观测站同步观测量求差 1.3.4 选择有利观测时段 由于电离层的影响与信号传播路径上的电子总数有关，因此，选择最佳观测时段(一般为晚上)，这时，大气不受太阳光的照射，大气中的离子数目减少，从而达到削弱电离层影响的目的。 2 对流层折射误差 由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。从而导致卫星至接收机间的几何距离偏差。这种偏差叫对流层折射误差。 2.1对流层折射误差的产生 对流层是高度为40km以下的大气底层，大气层中质量99%都集中在此层中。这一层也是气象现象主要出现的地区。其大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂。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，GPS信号通过对流层时，也使传播的路径发生折射弯曲，从而使测量距离产生偏差。 2.2 对流层折射的特征及影响 2.3 削弱对流层折射影响的对策 减弱对流层折射对电磁波延迟影响主要措施有： ①.利用上述对流层模型加以改正。实测地区气象资料利用模型改正，能减少对流层对电磁波延迟达92%～93% 。 ②. 利用同步观测量求差。 3 多路径误差 3.1 多路径效应产生的原因 GPS卫星信号从20200km高空向地面发射，若接收机天线周围有高大建筑物或水面时，建筑物和水面等对于电磁波具有强反射作用。接收机天线接收的信号不但有直接从卫星发射的信号，还有从反射体反射的电磁波，这两种信号叠加作为观测量，将引起天线相位中心位置的迁移，从而引起观测值偏离真值产生多路经误差。 3.2多路径误差的特征及影响 3.3削弱多路径效应的措施 多路径效应的影响一般包括常数部分和周期性部分，常数部分在同一地点将会日复一日的重复出现。多路径效应不仅与卫星信号方向有关、反射系数有关，而且与反射物离测站远近有关，至今尚无法建立改正模型。下面介绍几种减弱多路径效应影响的主要措施： 3.3.1选择合适的站址 3.3.2 选择合适的接收机天线 1）选择在天线中设置抑径板，观测中应当使用水平极化板半径较大的所谓仰径天线。为了减弱多路径误差，接收机天线下应配置抑径板。 2）选择对极化特性不同的反射信号有较强抑制作用的接收机天线。 3）由于多路径误差是时间的函数，所以在静态定位中经过较长时间的观测后，多路径误差的影响可大为削弱。 二、与接收机有关的误差 1 接收机钟差所产生的误差 接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。减少接收机钟差的方法有： （1）在单点定位时，是将接收机钟差作为独立的未知数在数据处理中求解。 （2）在载波相位相对定位中，同步观测 5颗以上卫星，采用对观测值的求差(星间单差，星站间双差)的方法，可以有效地消除接收机钟差。 （3）在高精度定位时，可采用外接频标的方法，为接收机提供高精度时间标准，如外接铯钟、铷钟等，最后 一种方法常用于固定站。 2 观测误差 观测误差还与天线的安置精度有关，即天线对中误差、天线整平误差及量取天线高的误差。例如天线高2.0m，天线整平时，即圆水准气泡略偏一格，对中影响为5mm，所以，在精密定位中，应注意整平天线，仔细对中。 3 接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。 4 整周未知数的误差 5 接收机软件和硬件造成的误差 三、与动态差分定位有关的误差 1 与无线数据链有关的误差 目前，实施动态差分GPS定位技术时可选择便携电台分为二类：一类为直接传输，包括甚高频 (VHF)、超高频(UHF) 作用距离达20一100km; 另一类为地波传输，包括低频(LF)和中频(MF)，这种电台信号能沿地球表面传播，能绕过建筑物和山丘作用距离可达1000一2000km，但电台价格昂贵。由于传输信道内部噪声及其造成的符号间干扰，不可避免地会产生差错，使得RTK流动接收机接收误码的信息，影响RTK定位结果正确性。 1. 1 差分信号调制解调误差 1. 1.1差分信号调制误差 1. 1.2 差分信号解调误差 1. 2外界环境干扰影响 数据在传输过程中，由于传输外部信道不可避免地受外界环境的噪声干扰，使传输数据产生差错，使得接收机接收错误的信息。造成可能因错误数据而不被GPS接收机所接受，也可能GPS接收后产生错误的结果。因此必须进行差错控制。 2 与流动站及其观测作业有关的误差 重点：1、掌握与卫星信号传播有关的误差的来源、减弱措施 2、掌握与接收机有关的误差的来源、减弱措施 3、掌握与动态差分定位有关的误差的来源、减弱措施 难点：1、掌握与卫星信号传播有关的误差的减弱措施 2、掌握与接收机有关的误差的减弱措施 3、掌握与动态差分定位有关的误差的减弱措施 思考题（作业）： 1、与接收机有关的误差包括哪几种?怎样削弱其影响? 2、与动态差分GPS定位有关的误差包括哪几种?怎样减弱各种误差的影响? 备注（教学组织形式、教学方法与手段等及其它需注明的问题）： 本章节内容多，不容易记忆，需要同学们及时复习和总结，加深对所讲知识点的理解，再通过课后作业巩固本章内容。 课后记： 1、把GPS定位测量的误差的性质与常规测量误差做比较，突出GPS测量误差的系统性，加深学生的理解。 2、在讲完所有的误差消除方法后，要求学生总结这些消除方法的一个共同方法，调动学生的积极性。