GPS定位的误差源

第5章GPS定位的误差源2概述1GPS定位中，影响观测量精度的主要误差源与卫星有关的误差与信号传播有关的误差与接收设备有关的误差为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差5.1.1误差的分类3测码伪距的等效距离误差（m）误差来源P码C/A码卫星星历与模型误差钟差与稳定度卫星摄动相位不确定性其它合计4.23.01.00.50.95.44.23.01.00.50.95.4信号传播电离层折射对流层折射多路径效应其它合计2.32.01.20.53.35.0-10.02.01.20.55.5-10.3接收机接收机噪声其它合计1.00.51.17.50.57.5总计6.410.8-13.6（1）系统误差：主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。为了减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因而采取不同的措施，包括：引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并求解。建立系统误差模型，对观测量加以修正。将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱和消除系统误差的影响。简单地忽略某些系统误差的影响。（2）偶然误差：包括多路径效应误差和观测误差等。选用较好的硬件和观测条件延长观测时间5.1.1误差的分类（根据误差的性质分类）56与卫星有关的误差2GPS观测量均以精密测时为依据。GPS定位中，无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存在钟差和漂移，偏差总量约在1ms内，引起的等效距离误差可达300km。5.2.1卫星钟差7通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户,并用二阶多项式表示：5.2.1卫星钟差2012()()joeoetaattatt8卫星钟钟速钟差常值卫星钟的钟速变率参考历元经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保持在5~10ns以内，引起的等效距离偏差不超过3m。通过精密星历获得精确的卫星钟差值e.g.PPP应用，IGS给出0.1ns卫星钟经过改正的残差，在相对定位中，可通过观测量求差（差分）方法消除。5.2.1卫星钟差9§3.4GPS卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，精密的轨道信息是精密定位的基础。GPS卫星星历按照发布的时间预报星历（广播星历）后处理星历（精密星历）105.2.2卫星轨道偏差（星历误差）广播星历是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文，传递给用户，经解码获得所需的卫星星历，广播星历都属于预报星历，包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数必要的轨道摄动项改正参数参考星历:参考历元的卫星开普勒轨道参数称为参考星历，是根据GPS监测站约1周的监测资料推算的。用户在观测时可以通过导航电文实时得到，对导航和实时定位十分重要。预报星历精度目前一般为10m左右，对精密定位服务难以满足精度要求。5.2.2.1预报星历11精密星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，进行预报或事后解算而得到的卫星星历，分为：超快速预报星历（igu）快速预报星历（igr）事后精密星历（igs）目前由IGS组织统一提供，我国武大GNSS中心可以独立计算出相应的星历目前上述精密星历的精度可达厘米级5.2.2.2精密星历12由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约10m左右。随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，卫星的位置精度将可提高到5m左右,精密轨道的精度为5cm以内卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一5.2.2卫星轨道偏差（星历误差）13卫星轨道偏差对绝对定位的影响可达几十米到一百米。而在相对定位中，由于相邻测站星历误差具有很强的相关性，因此对相对定位的影响远远低于对绝对定位的影响。不过，随着基线距离的增加，卫星轨道偏差引起的基线误差将不断加大。5.2.2卫星轨道偏差（星历误差）14dbbdbb101~415.2.2卫星轨道偏差（星历误差）15星历误差对相对定位的影响一般采用下列公式估算：卫星星历误差所引起的基线误差基线长星历误差卫星至测站的距离基线长度基线相对误差容许轨道误差1.0km110-5250.0m10.km110-625.0m100.0km110-72.5m1000.0km110-80.25m5.2.2卫星轨道偏差（星历误差）16GPS卫星到地面观测站的最大距离约为25000km，基线测量的允许误差为1cm，则当基线长度不同时，允许的轨道误差大致如下表所示。可见，在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。在GPS定位中，根据不同要求，处理轨道误差方法:忽略轨道误差：广泛用于实时单点定位。采用精密星历：e.g.IGS同步观测值求差：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。利用两个或多个观测站上对同一卫星的同步观测值求差，可减弱轨道误差影响。当基线较短时，有效性尤其明显，而对精密相对定位，也有极其重要意义。5.2.2卫星轨道偏差（星历误差）17采用轨道改进法处理观测数据：卫星轨道的偏差由各种摄动力综合作用产生，在对卫星轨道摄动进行修正时，所采用的各摄动力模型精度也不一样。根据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法：引入全部6个轨道偏差改正，作为待估参数，在数据处理中与其它待估参数一并求解。可明显减弱轨道偏差影响，但计算工作量大。半短弧法：根据摄动力对轨道参数的不同影响，只对其中影响较大的参数（如轨道切向、径向和法向），引入相应的改正数作为待估参数。据分析，目前该法修正的轨道偏差不超过10m，而计算量明显减小。5.2.2卫星轨道偏差（星历误差）1819与卫星信号传播有关的误差35.3.1大气层与电磁波地球大气结构及其性质对流层0～40km各种气体元素、水蒸气和尘埃等非弥散介质（电磁波的传播速度与频率无关）电离层约70km以上带电粒子弥散介质（电磁波的传播速度与频率有关）60101nN20弥散介质：根据大气物理学，如果电磁波在某种介质中的传播速度与频率有关，则该介质成为弥散介质。群波：如果把具有不同频率的多种波叠加，所形成的复合波称为群波。则在具有速度弥散现象的介质中，单一频率正弦波的传播与群波的传播是不同的。5.3.1大气层与电磁波21信号传播非弥散介质对流层与大气压力、温度、湿度有关弥散介质电离层与电子密度有关单一相波载波相位群波测距码5.3.1大气层与电磁波22在电离层中，由于太阳和其它天体的强烈辐射，大部分气体分子被电离，产生了密度很高的自由电子，在离子化的大气中，单一频率正弦波相折射率的弥散公式：式中et为电荷量（库仑），me为电荷质量（kg），Ne为电子密度(m3)，0为真空介质常数(库仑2/牛顿m2）21022241etepmfeNn5.3.2电离层的影响与改正23相折射率的弥散公式：式中et为电荷量/c，me为电荷质量/kg，Ne为电子密度/m-3，0为真空介质常数/c2kg-1m-3s2。当取常数值et=1.602110-19，me=9.1110-31，0=8.85910-12，并略去二次微小项，可得：21022241etepmfeNn228.401fNnep5.3.2电离层的影响与改正24228.401fNneg在电离层中，单一频率正弦波相折射率的弥散公式，并略去二次微小项，可得：根据群折射率与相折射率的关系，可得228.401fNnep23232228.401)28.40(228.40-1)12(28.40-128.40-28.40-1fNnfNffNfnfnnfNffNffNfnfnfnnegeeppgeeepppg）（）（）（5.3.2电离层的影响与改正25群折射率与相折射率：①相折射率np与群折射率ng二者不同②当f确定后，n取决于Ne；③载波相位和码相位修正量分别采用np和ng当电磁波沿天顶方向通过电离层时，由于折射率的变化而引起的传播路径距离差和相位延迟，一般可写为：(1),(1)ssfndsndsc22140.28,140.28eepgNNnnff5.3.2电离层的影响与改正26称为总电子含量，则令为所造成的距离延迟电离层折射对群波相位为迟波相位所造成的距离延电离层折射对单一正弦NNcfctNfNcfctNfdsNNdsNfdsfNdsdsfNdsdsndsNfdsfNdsdsfNdsdsngggpppeeeegggeeeppp2222220202202028.4028.4028.4028.4028.40)28.40()28.401(28.40)28.40-()28.40-1(5.3.2电离层的影响与改正由相折射率和群折射率引起的路径传播误差(m)和时间延迟(ns)分别为27227240.281.34361040.281.343610ppggNfNtfNfNtf5.3.2电离层的影响与改正28电离层地球柱体底面积为1m2N5.3.2电离层的影响与改正29①载波相位测量与伪距测量的电离层改正大小相等、符号相反②电离层产生的各延迟量，为信号频率和电子总量的函数·当信号频率f确定后，取决于电子总量N∑③电离层的电子密度与以下因素有关：·太阳辐射强度，尤其太阳黑子活动强度（活动高峰期为低峰期4倍）·季节（冬季与夏季相差可达4倍）·时间（白天约为夜间的5倍）·偏离天顶方向e.g.沿天顶方向50m，沿水平方向最大可达150m电子密度与大气高度的关系5.3.2电离层的影响与改正30电子含量与地方时的关系5.3.2电离层的影响与改正31电子含量与太阳活动情况的关系与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加太阳活动周期约为11年1700年–1995年太阳黑子数32电子含量与地理位置的关系2002.5.150:00–24:002小时间隔全球TEC分布33利用双频观测方法：利用不同频率电磁波信号进行观测，对观测量加以修正。改正效果：其有效率不低于95%利用电离层模型加以改正方法：对单频接收机，由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正。效果：目前模型改正的有效率约为75%，仍在完善利用同步观测值求差方法：当观测站间的距离较近（小于20km）时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过10-6。效果：改正效果最好5.3.2电离层的改正-方法分类3435电离层延迟的双频改正54573.254573.13928.06469.015412015412012015421,28.4021212222222121222122222211212221222222212122212221212221222211212ffffffffffAffffAffffAfAfAfAfASSPLPLfANAg即：得：则：实际的站星几何距离为码所测定的站星距离为上的采用码所测定的站星距离为上的采用设：，即有电离层延迟改正令电离层