1、第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源測量結果的誤差主要來源于測量結果的誤差主要來源于: GPS衛星、衛星信號的傳衛星、衛星信號的傳播過程和地面接收設備。播過程和地面接收設備。在高精度的在高精度的GPS測量中如測量中如地球動力學研究），還應地球動力學研究），還應注意到與地球整體運動有注意到與地球整體運動有關的地球潮汐、負荷潮及關的地球潮汐、負荷潮及相對論效應等影響。相對論效應等影響。 1第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源2第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源系統誤差系統誤差 偶然誤差偶然誤差5.1測量誤差分類3第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源

2、偶然誤差偶然誤差: : 信號的多路徑效應信號的多路徑效應; ;系統誤差系統誤差: : 衛星的星歷誤差、衛星鐘差、接收機衛星的星歷誤差、衛星鐘差、接收機鐘差以及大氣折射的誤差等。鐘差以及大氣折射的誤差等。 系統誤差無論從誤差的大小還是對系統誤差無論從誤差的大小還是對定位結果的危害性都比偶然誤差要大得多，它定位結果的危害性都比偶然誤差要大得多，它是是GPSGPS測量的主要誤差源。同時系統誤差有一定測量的主要誤差源。同時系統誤差有一定的規律可循，可采取一定的措施加以消除。的規律可循，可采取一定的措施加以消除。 為了便于理解為了便于理解, ,通常將各種誤差的影通常將各種誤差的影響投影到觀測站至衛星的距

3、離上，以相應距離響投影到觀測站至衛星的距離上，以相應距離誤差來表示，稱之為等效距離誤差。誤差來表示，稱之為等效距離誤差。4第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源5.2與與GPS衛星有關的誤差衛星有關的誤差5.2.1衛星星歷誤差衛星星歷誤差星歷數據來源星歷數據來源 廣播星歷廣播星歷 是衛星電文中攜帶的主要是衛星電文中攜帶的主要信息。信息。 實測星歷實測星歷 它是根據實測資料進行擬它是根據實測資料進行擬合處理而直接合處理而直接 得出的星歷。得出的星歷。5第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源星歷誤差對定位的影響星歷誤差對定位的影響 對單點定位的影響對單點定位的影響 廣播星歷誤差

4、對測站坐標的影響一般廣播星歷誤差對測站坐標的影響一般可達數米、數十米、甚至上百米。可達數米、數十米、甚至上百米。 6第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源 對相對定位的影響對相對定位的影響 相對定位時，因星歷誤差對兩站的影相對定位時，因星歷誤差對兩站的影響具有很強的相關性，所以在求坐標差時，響具有很強的相關性，所以在求坐標差時，共同的影響可自行消去，從而獲得精度很共同的影響可自行消去，從而獲得精度很高的相對坐標。高的相對坐標。7第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源解決星歷誤差的方法解決星歷誤差的方法: 1建立自己的衛星跟蹤網獨立定軌建立自己的衛星跟蹤網獨立定軌 2軌道松馳

5、法軌道松馳法 3同步觀測值法同步觀測值法 8第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源軌道松馳法軌道松馳法: 在平差模型中把衛星星歷給出的衛星在平差模型中把衛星星歷給出的衛星軌道視為初始值，將其改正數作為未知數，軌道視為初始值，將其改正數作為未知數，通過平差求得測站位置及軌道改正數。通過平差求得測站位置及軌道改正數。 這種方法不適用于范圍較小的測區，這種方法不適用于范圍較小的測區，此外，數據處理相當復雜，工作量大為增此外，數據處理相當復雜，工作量大為增加，不宜在作業單位普遍推廣，只適用于加，不宜在作業單位普遍推廣，只適用于無法獲取精密星歷而采取的補救措施無法獲取精密星歷而采取的補救措施.

6、9第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源同步觀測值求差同步觀測值求差 利用在兩個或多個觀測站上，對同利用在兩個或多個觀測站上，對同一衛星的同步觀測值求差。因為星歷誤差一衛星的同步觀測值求差。因為星歷誤差對相距不太遠的兩個測站的影響基本相同，對相距不太遠的兩個測站的影響基本相同，所以對于確定兩個測站之間的相對位置，所以對于確定兩個測站之間的相對位置，可以減弱衛星星歷誤差的影響。可以減弱衛星星歷誤差的影響。10第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源5.2.2衛星鐘的鐘誤差衛星鐘的鐘誤差 衛星鐘的鐘差包括由鐘差、頻偏、頻漂衛星鐘的鐘差包括由鐘差、頻偏、頻漂等產生的誤差，也包含鐘的

7、隨機誤差。在等產生的誤差，也包含鐘的隨機誤差。在GPS測量中，無論是碼相位觀測或載波相測量中，無論是碼相位觀測或載波相位觀測，均要求衛星鐘和接收機保持嚴格位觀測，均要求衛星鐘和接收機保持嚴格同步。同步。 經改正后，各衛星鐘之間的同步差經改正后，各衛星鐘之間的同步差可保持在可保持在20ns以內，由此引起的等效距離以內，由此引起的等效距離偏差不會超過偏差不會超過6m，衛星鐘差和經改正后，衛星鐘差和經改正后的殘余誤差，則需采用在接收機間求一次的殘余誤差，則需采用在接收機間求一次差等方法來進一步消除它。差等方法來進一步消除它。 11第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源5.2.3相對論效應相

8、對論效應 相對論效應是由于衛星鐘和接收機相對論效應是由于衛星鐘和接收機鐘所處的運動狀態運動速度和重力位鐘所處的運動狀態運動速度和重力位不同而引起衛星鐘和接收機鐘之間產生相不同而引起衛星鐘和接收機鐘之間產生相對鐘誤差的現象。對鐘誤差的現象。 12第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源13第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源5.35.3與信號傳播有關的誤差與信號傳播有關的誤差 電離層折射誤差電離層折射誤差 對流層折射誤差對流層折射誤差 多路徑效應誤差多路徑效應誤差14第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源5.3.1電離層折射電離層折射 當當GPS信號通過電離層時，如

9、同其信號通過電離層時，如同其它電磁波一樣，信號的路徑會發生彎曲，它電磁波一樣，信號的路徑會發生彎曲，傳播速度也會發生變化。所以用信號的傳傳播速度也會發生變化。所以用信號的傳播時間乘上真空中光速而得到的距離就會播時間乘上真空中光速而得到的距離就會不等于衛星至接收機間的幾何距離，這種不等于衛星至接收機間的幾何距離，這種偏差叫電離層折射誤差。偏差叫電離層折射誤差。 15第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源16第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源17第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源由于電離的原動力來自太陽，電離層的電子密度白天約為由于電離的原動力來自太陽，電離層

10、的電子密度白天約為夜間的夜間的5倍；在一年中，冬季為夏季的倍；在一年中，冬季為夏季的4倍；太陽黑子活倍；太陽黑子活動最激烈時可為最小時的動最激烈時可為最小時的4倍。倍。對于對于GPS信號來講，這種距離差在天頂方向最大可達信號來講，這種距離差在天頂方向最大可達50m，在接近地平方向時在接近地平方向時(高度角為高度角為20o)可達可達150m。18第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源求電離層折射改正數的關鍵在于求電子密度求電離層折射改正數的關鍵在于求電子密度Ne。可是電子。可是電子密度隨著距離地面的高度、時間變化、太陽活動程度、密度隨著距離地面的高度、時間變化、太陽活動程度、季節不同、

11、測站位置等多種因素而變化。季節不同、測站位置等多種因素而變化。目前，還無法用一個嚴格的數學模型來描述電子密度的大目前，還無法用一個嚴格的數學模型來描述電子密度的大小和變化規律，所以，也不可能用式直接求出電離層折小和變化規律，所以，也不可能用式直接求出電離層折射改正數的確切數值。射改正數的確切數值。19第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源減弱電離層影響的措施減弱電離層影響的措施 1利用雙頻觀測利用雙頻觀測 2利用電離層改正模型加以利用電離層改正模型加以改正改正 3利用同步觀測值求差利用同步觀測值求差 20第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源利用雙頻觀測利用雙頻觀測21第五

12、章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源 (2)利用電離層改正模型加以修正利用電離層改正模型加以修正 為進行高精度衛星導航和定位，普遍采用雙為進行高精度衛星導航和定位，普遍采用雙頻技術，可有效地減弱電離層折射的影響，但在頻技術，可有效地減弱電離層折射的影響，但在電子含量很大，衛星的高度角又較小時求得的電電子含量很大，衛星的高度角又較小時求得的電離層延遲改正中的誤差有可能達幾厘米。離層延遲改正中的誤差有可能達幾厘米。 為了滿足更高精度為了滿足更高精度GPS測量的需要，測量的需要，Fritzk、Brunner等人提出了電離層延遲改正模型。該模等人提出了電離層延遲改正模型。該模型考慮了折射率型考

13、慮了折射率中的高階項影響以及地磁場的中的高階項影響以及地磁場的影響，并且是沿著信號傳播路徑來進行積分。計影響，并且是沿著信號傳播路徑來進行積分。計算結果表明，無論在何種情況下改進模型的精度算結果表明，無論在何種情況下改進模型的精度均優于均優于2mm。22第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源23第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源 模型基本上是一種經驗估算公式。加模型基本上是一種經驗估算公式。加之全球統一采用一組系數，因而這種模型之全球統一采用一組系數，因而這種模型只能大體上反映全球的平均狀況，與各地只能大體上反映全球的平均狀況，與各地的實際情況必然會有一定的差異。實測資

14、的實際情況必然會有一定的差異。實測資料表明，采用上述改正模型大體上可消除料表明，采用上述改正模型大體上可消除電離層折射的電離層折射的75左右。左右。24第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源 (3)利用同步觀測值求差利用同步觀測值求差 用兩臺接收機在基兩端進行同步觀測并取其用兩臺接收機在基兩端進行同步觀測并取其觀測量之差，可以減弱電離層折射的影響。這觀測量之差，可以減弱電離層折射的影響。這是因為當兩觀測站相距不太遠時，由衛星至兩是因為當兩觀測站相距不太遠時，由衛星至兩觀測站電磁波傳播路程上的大氣狀況甚為相似，觀測站電磁波傳播路程上的大氣狀況甚為相似，因此大氣狀況的系統影響便可通過同步

15、觀測量因此大氣狀況的系統影響便可通過同步觀測量的求差而減弱。的求差而減弱。 這種方法對于短基線這種方法對于短基線(例如小于例如小于20km)的效的效果尤為明顯，這時經電離層折射改正后基線長果尤為明顯，這時經電離層折射改正后基線長度的殘差一般為度的殘差一般為1ppm。所以在。所以在GPS測量中，對測量中，對于短距離的相對定位，使用單頻接收機也可達于短距離的相對定位，使用單頻接收機也可達到相當高的精度。不過，隨著基線長度的增加，到相當高的精度。不過，隨著基線長度的增加，其精度隨之明顯降低。其精度隨之明顯降低。25第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源26第五章第五章 GPS測量的誤差來源

16、測量的誤差來源5.3.2對流層折射對流層折射 對流層與地面接觸并從地面得到輻對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的上升而降低，射熱能，其溫度隨高度的上升而降低，GPS信號通過對流層時，也使傳播的路徑信號通過對流層時，也使傳播的路徑發生彎曲，從而使測量距離產生偏差，這發生彎曲，從而使測量距離產生偏差，這種現象叫做對流層折射。種現象叫做對流層折射。 27第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源28第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源29第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源對流層的折射與地面氣候、大氣壓力、溫度和濕度變化密對流層的折射與地面氣候、大氣壓力

17、、溫度和濕度變化密切廂關，這也使得對流層折射比電離層折射更復雜。切廂關，這也使得對流層折射比電離層折射更復雜。對流層折射的影響與信號的高度角有關，當在天頂方向對流層折射的影響與信號的高度角有關，當在天頂方向(高高度角為度角為90O)，其影響達，其影響達2.3m；當在地面方向；當在地面方向(高度角為高度角為10O)，其影響可達，其影響可達20m。30第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源對流層折射的改正模型對流層折射的改正模型 1霍普菲爾德霍普菲爾德Hopfield公式公式 2薩斯塔莫寧薩斯塔莫寧Saastamoinen公式公式 3勃蘭克勃蘭克Black公式公式 理論分析與實踐表明，目

18、前采用的理論分析與實踐表明，目前采用的各種對流層模型，難以將對流層的影響減各種對流層模型，難以將對流層的影響減少至少至9295。31第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源減弱對流層折射改正殘差影響的主要措施減弱對流層折射改正殘差影響的主要措施: 采用上述對流層模型加以改正。其氣象參數采用上述對流層模型加以改正。其氣象參數在測站直接測定。在測站直接測定。 引入描述對流層影響的附加待估參數，在數引入描述對流層影響的附加待估參數，在數據處理中一并求得。據處理中一并求得。 利用同步觀測量求差。當兩觀測站相距不太利用同步觀測量求差。當兩觀測站相距不太遠時遠時(例如例如100km時，對流層折時，

19、對流層折射的影響就制約射的影響就制約GPS定位精度提高。定位精度提高。 利用水汽輻射計直接測定信號傳播的影響。利用水汽輻射計直接測定信號傳播的影響。此法求得的對流層折射濕分量的精度可優于此法求得的對流層折射濕分量的精度可優于1cm.32第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源5.3.35.3.3多路徑誤差多路徑誤差 在在GPSGPS測量中，如果測站周圍的反測量中，如果測站周圍的反射物所反射的衛星信號反射波進入接射物所反射的衛星信號反射波進入接收機天線，這就將和直接來自衛星的信號收機天線，這就將和直接來自衛星的信號直接波產生干涉，從而使觀測值偏離直接波產生干涉，從而使觀測值偏離真值產生所

20、謂的真值產生所謂的“多路徑效應多路徑效應”。 33第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源34第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源35第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源 多路徑效應對偽距測量比載波相位測量的影響要嚴多路徑效應對偽距測量比載波相位測量的影響要嚴重的多。多路徑誤差對重的多。多路徑誤差對P碼最大可達碼最大可達10m以上以上.36第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源消弱多路徑誤差的方法消弱多路徑誤差的方法: 1選擇合適的站址選擇合適的站址 a、測站應遠離大面積平靜地水面、測站應遠離大面積平靜地水面; b、測站不宜選擇在山坡、山谷和盆、測站不

21、宜選擇在山坡、山谷和盆地中地中; c、測站應離開高層建筑物、測站應離開高層建筑物 .37第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源2對接收機天線的要求對接收機天線的要求 38第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源5.4與接收機有關的誤差與接收機有關的誤差 5.4.1接收機鐘誤差接收機鐘誤差 GPS接收機一般采用高精度的石英鐘，接收機一般采用高精度的石英鐘，其穩定度約為其穩定度約為109。若接收機鐘與衛星。若接收機鐘與衛星種間的同步差為種間的同步差為1us，則由此引起的等效，則由此引起的等效距離誤差約為距離誤差約為300m。39第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源減弱

22、接收機鐘差的方法：減弱接收機鐘差的方法： 把每個觀測時刻的接收機鐘差當作一個獨把每個觀測時刻的接收機鐘差當作一個獨立的未知數，在數據處理中與觀測站的位置參立的未知數，在數據處理中與觀測站的位置參數一并求解。數一并求解。 認為各觀測時刻的接收機鐘差之間是相關認為各觀測時刻的接收機鐘差之間是相關的，像衛星鐘那樣，將接收機鐘差表示為時間的，像衛星鐘那樣，將接收機鐘差表示為時間多項式，并在觀測量的平差計算中求解多項式多項式，并在觀測量的平差計算中求解多項式的系數。這種方法可以大大減少未知數個數，的系數。這種方法可以大大減少未知數個數，該方法成功與否得關鍵在于鐘誤差模型的有效該方法成功與否得關鍵在于鐘誤

23、差模型的有效程度。程度。 通過在衛星間求一次差來消除接收機的鐘通過在衛星間求一次差來消除接收機的鐘差。差。40第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源5.4.25.4.2接收機的位置誤差接收機的位置誤差 接收機天線相位中心相對觀測標石接收機天線相位中心相對觀測標石中心位置的誤差，叫接收機位置誤差。中心位置的誤差，叫接收機位置誤差。 如當天線高度為如當天線高度為1.6m1.6m時，置平誤差時，置平誤差為為0.1O0.1O時，可能會產生對中誤差時，可能會產生對中誤差3mm3mm。因此，在。因此，在精密定位時，必須仔細操作，以盡量減少這種精密定位時，必須仔細操作，以盡量減少這種誤差的影響。在變形監測中，應采用有強制對誤差的影響。在變形監測中，應采用有強制對中裝置的觀測墩中裝置的觀測墩. .41第五章第五章 GPS測量的誤差來源測量的誤差來源5.4.35.4.3天線相位中心位置的偏差天線相位中心位置的偏差 實際上天線