第七章gps測量的誤差來源及其影響解析

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1、7.1GPS測量主要誤差分類誤差主要來源于：GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)的傳播過程和地面設(shè)備。高精度的GPS測量中（地球動(dòng)力學(xué)研究），還應(yīng)注意到與地球整體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的地球潮汐、負(fù)荷潮及相對(duì)論效應(yīng)等的影響。GPS測量誤差的分類及對(duì)距離測量的影響：偶然誤差：信號(hào)的多路徑效應(yīng)系統(tǒng)誤差：星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及大氣折射的誤差等。系統(tǒng)誤差的影響比偶然誤差大的多，但有一定規(guī)律性，可采取一定的措施加以消除。7.2與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差7.2.1電離層折射50-1000km大氣層，由于受到太陽等天體各種射線輻射，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離形成大量的自由電子和正離

2、子。當(dāng)GPS信號(hào)通過電離層時(shí)，如同其他電磁波一樣，信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)發(fā)生變化。所以用信號(hào)傳播時(shí)間乘以真空中光速得到的距離就不會(huì)等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離，這種偏差叫電離層折射誤差。物體的分子不需外力，而靠自己（分子）的運(yùn)動(dòng)，向另外地方移動(dòng)或進(jìn)入另一物體內(nèi)的現(xiàn)象稱彌散或擴(kuò)散。固體、液體和氣體都有彌散現(xiàn)象。但由于氣體分子間距離大，分子力小，分子運(yùn)動(dòng)速度大，所以氣體的彌散作用最明顯電磁波在電離層傳播時(shí)，其速度與頻率有關(guān)，電離層的群折射率為：(7-2)為電子密度（電子數(shù)/m2）為信號(hào)的頻率（Hz）為真空的光速調(diào)制碼以群速度

3、在電離層中傳播，若傳播時(shí)間為，那么衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)的真正距離S為：（7-3）說明信號(hào)傳播時(shí)間和光速C算得的距離還必須加上電離層改正項(xiàng)：表示傳播路徑對(duì)電子密度進(jìn)行積分，即電子總量?？梢婋婋x層改正的大小主要取決于電子總量和信號(hào)頻率。2.減弱電離層影響的措施（1）利用雙頻觀測電離層所產(chǎn)生的折射改正數(shù)與電磁波頻率f的平方成反比。如果分別用兩個(gè)頻率f1和f2來發(fā)射信號(hào)，這兩個(gè)不同頻率的信號(hào)將沿同一路徑到達(dá)接收機(jī)。積分雖然無法確定，但對(duì)這兩個(gè)不同頻率來講都是相同的。令，則。GPS衛(wèi)星采用兩個(gè)頻率f1=1575.42MHz，f2=1227.60MH

4、z，調(diào)制在這兩個(gè)波上的P碼分別為P1和P2，于是有：（7-5）兩式子相減有：（7-6）（7-7）由于調(diào)制在兩個(gè)載波上的P碼測距時(shí)，除電離層折射的影響不同外，其余誤差影響都是相同的，所以實(shí)際上就是P1和P2碼測得的偽距之差。所以用戶采用雙頻接收機(jī)進(jìn)行偽距測量，就能利用電離層折射和信號(hào)頻率有關(guān)的特性，從兩個(gè)偽距觀測值中求得電離層折射改正量，最后得：（7-8）雙頻載波相位觀測值和的電離層折射改正與上述分析方法類似，但和偽距測量改正有兩點(diǎn)不同：一是電離層折射改正的符號(hào)相反；二是要引入整周未知數(shù)N0.（2）利用電離層改正模型加以修正為了進(jìn)行高

5、精度衛(wèi)星導(dǎo)航和定位，普遍采用雙頻技術(shù)，可有效地減弱電離層折射的影響，但在電子含量很大，衛(wèi)星的高度角又較小時(shí)求得的電離層延遲改正中的誤差有可能達(dá)幾厘米。為了滿足更高精度GPS測量的要求，F(xiàn)ritzk、Brunner等人提出了電離層延遲改正模型。模型考慮了折射率n中的高階項(xiàng)影響以及地磁場的影響，并且是沿著信號(hào)傳播路徑來進(jìn)行積分。計(jì)算結(jié)果表明，無論在何種情況下改進(jìn)模型的精度均優(yōu)于2mm。對(duì)于單頻接收機(jī)，減弱電離層影響，一般采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型加以改正。這種電離層改正是把白天的電離層延遲看成是余弦波中正的部分，而把晚上的電離層延遲看

6、成是一個(gè)常數(shù)，其中晚間的電離層延遲量（DC）及余弦波的相位項(xiàng)（）均按常數(shù)來處理。而余弦波的振幅A和周期P則分別用一個(gè)三階多項(xiàng)式來表示，任一時(shí)刻t的電離層延遲。（地方時(shí)）對(duì)于GPS單頻接收機(jī)，減弱電離層影響，一般采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型加以改正。(7-12)上述公式在推導(dǎo)過程中作了近似處理，使計(jì)算簡單。但是是一種估算，由于影響電離層折射的因素很多，機(jī)制很復(fù)雜，所以無法建立嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型。從參數(shù)的選取上可知，電離層改正模型基本上是一種經(jīng)驗(yàn)估算公式。加之全球采用一組系數(shù)，因此這種模型只能大體反映全球的平均狀況，與各地的實(shí)際情況會(huì)有一定

7、差異。實(shí)測表明，可消除電離層折射75%。（3）利用同步觀測值求差小于20km的效果明顯，這時(shí)電離層折射改正后基線長度的殘差一般為，所以在短距離的相對(duì)定位，使用單頻接收機(jī)也可達(dá)到相當(dāng)高的精度。不過，隨著基線長度的增加，其精度隨之明顯降低。2.對(duì)流層折射的改正模型由于對(duì)流層折射對(duì)GPS信號(hào)傳播的影響情況比較復(fù)雜，一般采用改正模型進(jìn)行削弱。對(duì)流層折射現(xiàn)象對(duì)流層的折射與地面氣候、大氣壓力、溫度赫爾濕度變化密切相關(guān)，這也使得對(duì)流層折射比電離層折射更復(fù)雜。天頂最小，當(dāng)在地面方向（高度角為10°），其影響可達(dá)20m。3.減弱對(duì)流層折射或殘差影響的

8、主要措施（1）模型加以改正（2）引入描述對(duì)流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得。（3）同步觀測值求差（4）利用水汽輻射計(jì)直接測定信號(hào)傳播影響。精度優(yōu)于1cm。7.2.3多路徑誤差在GPS測量中，如果測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星