GPS载波相位观测量的误差源
GPS测量的误差来源
第五章
形式
GPS测量的误差来源
若采用距离表示，式（5.1.3）可等价表示为以下
d rel
2 i i X X c
(5.1.4)
式中，Xi 和dot(X i )分别表示卫星的位置向量和速度 向量。 对于单点定位，卫星轨道非圆形的影响项必须按模型 （5.1.3）或（5.1.4）进行改正。在采用差分观测值的 相对定位中，该项的影响较小，但对精密定位仍不可忽 视。
第五章 5.2
GPS测量的误差来源
与传播路径有关的误差
对于GPS而言，卫星的电磁波信号从信号发射天线 传播到地面GPS接收机天线，其传播路径并非真空，而 是要穿过性质与状态各异、且不稳定的大气层，使其 传播的方向、速度和强度发生变化，这种现象称为大 气折射。大气折射对GPS观测结果的影响，往往超过 GPS精密定位所容许的误差范围，因此在数据处理过程 中必须考虑。根据对电磁波传播的不同影响，一般将 大气层分为对流层和电离层。
第五章
GPS测量的误差来源
式中，b为基线长度，ds为卫星星历误差，ρ为卫星与测站 间的距离，db为卫星星历误差引起的基线误差，ds/ ρ为星历的 相对误差。由式(5.1.1)可知，基线的精度与星历精度成正比， 星历精度越高则相对定位精度越好。表5.1.1中列出了不同星历 精度对不同长度基线的影响，表中取ρ=20000km。
第五章
GPS测量的误差来源
式（5.2.2）中，P、es、Tk分别为测站的大气压、 水汽压（单位：mbar）和绝对温度（单位：开）。选 择合适的映射函数后，由式（5.2.1）和式（5.2.2）
即可求得传播路径上的对流层折射改正数。映射函数
的种类较多，如CFA模型、Chao模型、Mit模型、Mtt 模型和Marini模型等，这里只介绍前三种模型。
GPS测量中主要误差的改正
三、对流层折射
在对流层中，折射率略大于1，随着高度的增加逐渐减小 ： 当接近对流层顶部时，其值接近于1。
对流层的折射影响，在天顶方向（高度角900）可产生
2.3m的电磁波传播路径误差 当高度角为100时，传播路径误差可达20m。在精密定 位中，对流层的影响必须顾及。 对流层的折射率与大气压力、温度和湿度关系密切 变化复杂，对n的变化和影响，难以精确模型化。
一、卫星钟差的改正
卫星钟误差 GPS观测量均以精密测时为依据。 GPS定位中，Biblioteka 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1 ms内，引起的 等效距离误差可达300km。
一、卫星钟差的改正
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三、对流层折射
通常将对流层的大气折射分为干分量和湿分量两部分，Nd 和Nw分别表示干、湿分量的折射数，则 N0 = Nd + Nw 。 Nd和Nw与大气的压力、温度和湿度有如下近似关系
N d 77.6 P Tk e0 Tk2
N w 3.73 105
式中P为大气压力/mbar，Tk为绝对温度(Tk=0C+273.2), e0为水汽分压/mbar 沿天顶方向，对流层大气对电磁波传播路径的影响，可表 示为 S S S
I
2.采用相对定位或差分
站 间 差 分 ：B I-A I
A
B
3.使用IGS提供的精密卫星钟差改正数
二、电离层折射
GPS测量误差来源分析与应对措施
GPS测量的误差来源分析与应对措施摘要：gps测量的误差直接影响着gps定位精度，本文按其产生的来源、性质及对gps系统的影响等进行了介绍和初步分析,提出了相应的措施以便消除或削弱它们对测量成果的影响。
关键词：gps误差；来源定位；精度；应对措施中图分类号：th161 文献标识码：a 文章编号：一、概述gps（globalpositioningsystem)是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的全球卫星定位系统。
该系统具有全球性、全天候、连续性等三维导航和定位能力,并具有良好的抗干扰性和保密性。
1．gps系统的组成gps全球卫星定位系统由空间卫星群、地面监控系统和用户使用的gps卫星接收设备三大部分组成。
2．gps的主要特点（1）全球覆盖连续导航定位:由于gps有24颗卫星,且分布合理,轨道高达20200km,所以在地球上和近地空间任何一点,均可连续同步地观测4颗以上卫星,实现全球、全天候连续导航定位。
（2）高精度三维定位:gps能连续地为各类用户提供三维位置、三维速度和精确时间信息。
gps提供的测量信息多,既可通过伪码测定伪距,又可测定载波多普勒频移、载波相位。
（3）抗干扰性能好、保密性强;gps采用数字通讯的特殊编码技术,即伪噪声码技术,因而具有良好的抗干扰性和保密性。
二、gps测量的误差来源分析gps测量的主要误差来源可分为:①与gps卫星有关的误差。
②与信号传播有关的误差。
③与接收设备有关的误差。
1．与卫星有关的误差（1）卫星星历误差由于卫星星历所给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称卫星星历误差。
它属于一种起算数据的误差，其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等，其对单点定位有严重的影响，在精密相对定位中也是一个重要的误差来源。
削弱此误差的主要措施有：①建立自己的卫星跟踪网独立定轨。
GPS在高程测量中的误差来源及应对措施
GPS在高程测量中的误差来源及应对措施【摘要】本文通过GPS在高程中的误差分析，对提高GPS测量高程精度的方法及措施进行了详细描述。
【关键词】GPS；大地高；正常高；高程拟合；高程异常一、引言众所周知，GPS作为现代化的三维测量工具，已被越来越广泛地运用到平面测量工作中去，如平面控制测量、地形测量、施工测量等。
但是GPS在实际的工作实践中，却较少运用于高程测量。
这是由于我国幅员辽阔，GPS测高受区域性大地水准面的限制以及仪器和外界条件等诸方面因素的影响，所测高程精度较低，无法满足各项工程建设的需要。
那么GPS测量高程的误差主要有哪些呢？我们又如何采取有效措施来提高高程测量精度呢？二、GPS高程测量原理利用GPS求得的是地面点在WGS-84坐标系中的大地高H84，而我国高程采用正常高。
要想使GPS高程在工程实际中得到应用，必须实现GPS大地高向我国正在使用的正常高的转化。
如图1所示。
有公式：Hr=H84-ζ由上式可知GPS高程测量的结果Hr误差主要由大地高H84的误差和高程异常ζ的误差的组成。
三、影响大地高H84的误差来源1.相位整周模糊度解算对GPS高程的影响。
相位整周模糊度解算是否可靠，直接影响三维坐标的精度。
在控制测量中，无论采用快速静态或实时动态测量技术，都必须精确解算得到相位整周数，然而相位整周数模糊度的解算常常会出现解算错误的可能性，从而会影响高程测量的精度。
2.多路径效应的制约因素：所谓多路径效应是指测站附近反射物反射来自卫星的信号与卫星直接发射的信号同时被接收机接受，这两种信号产生相互影响使其观测值偏离其真值，产生多路径误差。
多路径效应的影响分为直接的和间接的，并能对三维坐标产生分米级影响。
3.电离层延迟对高程测量量的影响：电离层对GPS测量的影响主要有：电离层群延（绝对测距误差）；电离层载波相位超前（相对测距误差）；电离层多普勒频移（距速误差）；振幅闪烁信号衰减；磁暴、太阳耀斑等，这些电离层的变化都会延迟GPS信号的传播路线。
第五章GPS测量的误差来源及其影响 第五节整周跳变分析与整周未知数的确定
GPS测量定位技术
一、整周跳变分析
2.整周跳变的检验和修正
卫星和接收机之间的距离在随时间而不断变化，其径向速度最
大可达0.9km/s，相应的载波相位观测值 亦 应随之变化，不过
该方法不考虑整周未知数的整数性质，通过平差计算求得 的整周未知数不再进行凑整和重新解算。这种方法一般用于基 线较长的相对定位中。
GPS测量定位技术
二、整周未知数的确定
2.“动态”测量法
在上述经典相对定位法中，是在基线向量未知的情况下， 通过静态相对定位解算整周未知数的。可是当观测站之间的基 线向量已知时，便可以根据基线端点两接收机的同步观测结果， 应用静态相对定位的双差模型直接求解相应的整周未知数，这 时观测时间可大为缩短，一般只需几分钟。
学习目标
•了解卫星星历误差，卫星钟误差，相对论效应的产生与 消减方法。 •理解接收机钟误差，相位中心位置误差的产生与消减方 法。 •掌握电离层折射误差、对流层折射误差、多路径误差的 产生与消减方法。整周未知数的确定。
GPS测量定位技术
第五节 整周跳变分析与整周未知数的确定
一、整周跳变分析
1.整周跳变及其发生
4次差
－0.5795 0.9639 －0.2721 －0.4219
GPS测量定位技术
2.整周跳变的检验和修正 但是，如果在过程中出现了整周跳变，势必要破坏上述 相位观测量的正常变化，高次差的随机特性也将受到破坏。 例如表5-4中在时刻的观测值中含有100周的周跳（表中有 *号的数据），四次差中将出现数十周的异常现象。这表明 通过求差有利于发现周跳。不过这种求高次差的方法难以 检验只有几周的小周跳，因为震荡器本身就有可能造成2周 左右的随机误差。
GPS定位误差分析及处理
GPS定位误差分析及处理摘要:本文将对影响GPS定位的主要误差源进行分析和讨论,研究它们的性质、大小及对定位所产生的影响,并介绍消除和削弱这些误差影响的方法和措施。
关键词:GPS误差源处理措施GPS即全球定位系统(Global Positioning System)。
简单地说,这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。
GPS定位测量中出现的各种误差按其产生源可分为3大部分:GPS信号的自身误差即与卫星有关的误差;GPS信号的传播误差;GPS接收机的误差。
一、GPS信号的自身误差和SA,AS影响1.1轨道误差即卫星星历误差。
有关部门提供一定精度的卫星轨道,以广播星历形式发播给用户使用,从而已知观测瞬间所观测卫星的位置,因而卫星轨道误差与星历误差是一个含义。
卫星星历误差又等效为伪距误差即由卫星星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差。
星历误差的大小主要取决于卫星定轨站的数量及其地理分布,观测值的数量及精度,定轨时所用的数学力学模型和定轨软件的完善程度以及与星历的外推时间间隔等,由于卫星轨道受地球和日、月引力场、太阳光压、潮汐等摄动力及大气阻力的影响,而其中有的是随机影响,而不能精密确定,使卫星轨道产生误差。
1.2美国的SA技术与AS影响。
SA技术是选择可用性(Selective? ?Availability)的简称,它是由两种技术使用户的定位精度降低,即δ(dither)技术和ε(epsilon)技术。
δ技术是人为地施加周期为几分钟的呈随机特征的高频抖动信号,使GPS卫星频率10.23MHz加以改变,最后导致定位产生干扰误差,ε技术是降低卫星星历精度,呈无规则的随机变化,使得卫星的真实位置增加了人为的误差。
控制网的静态GPS测量是利用载波相位测量,一般是由一个点设为已知点与一个待定点位同步观测GPS卫星,取得载波相位观测值,从而得出待定点位的坐标或两点间的坐标值,称为基线测量,短基线测量可以消除SA影响。
GPS测量的主要误差来源及其影响
实测星历根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。
7第二节与卫星有关的误差2.星历误差对定位的影响单点定位星历误差的径向分量作为等价测距误差进入平差计算，配赋到星站坐标和接收机钟差改正数中去，具体配赋方式则与卫星的几何图形有关。
8第二节与卫星有关的误差2.星历误差对定位的影响相对定位利用两站的同步观测资料进行相对定位时，由于星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得高精度的相对坐标。
第二节与卫星有关的误差2.星历误差对定位的影响根据一次观测的结果，可以导出星历误差对定位影响的估算式为：--- 基线长；db——卫星星历误差所引起的基线误差；p 一一卫星至测站的距离；ds——星历误差；ds——卫星星历的相对误差。
第二节与卫星有关的误差3.减弱星历误差影响的途径1）建立自己的GPS卫星跟踪网独立定轨2）相对定位3）轨道松弛法9第二节与卫星有关的误差二、卫星钟的钟误差卫星钟采用的是GPS时，但尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟御钟和锥钟），它们与理想的GPS时之间仍存在着难以避免的频率偏差或频率漂移，也包含钟的随机误差。
这些偏差总量在Ims 以内，由此引起的等效距离可达300km o11第二节与卫星有关的误差二、卫星钟的钟误差卫星钟差的改正卫星钟差可通过下式得到改正：is aO al（t iff）日2（t W1）相对定位：利用两台或多台接收机对同一组卫星的同步观测值求差时可以有效地减弱电离层折射的影响，即使不对电离层折射进行改正，对基线成果的影响一般也不-6会超过IXIO O16第三节卫星信号传播误差2减弱电离层影响的有效措施2）双接收：如分别用两个已知频率fl和f2发射卫星信号，则两个不同频率的信号就会沿同一路径到达接收机。
公式中积分值虽然无法计算，但对两个频率的信号却是相同的。
第三节卫星信号传播误差二、对流层折射、对流层及其影响2、减弱对流层影响的措施3、用霍普非尔德公式进行对流层折射改正17第三节卫星信号传播误差1、对流层及其影响对流层是高度为50km以下的大气层，由于离地面更近，其大气密度比电离层更大，大气状态变化更复杂。
GPS测量的误差及精度分析
的 自身 误 差 ， 括 轨 道 误 差 （ 历 误 差 ） Ｓ Ａ 包 星 和 Ａ、 Ｓ影 响 ； Ｐ ＧＳ 信 号 的传 输 误 差 ， 括 太 阳 光 压 、 离 层 延 迟 、 流 层 延 迟 、 包 电 对
多 路 径 传 播 和 由它 们 影 响 或 其 他 原 因 产 生 的 周 跳 ； Ｐ Ｇ ｓ接 收
避 开 强 电磁 波 干 扰 。 站 应远 离 雷 达 站 、 台 、 波 中继 站 等 。 设 电 微 ２ 轨 道 误 差 （ 历 误 差 ） Ｓ 、 Ｓ影 响 曼 和 ＡＡ
２１ 轨 道 误 差 ．
敌 方 对 精 密 导 航 定 位 作 用 的 Ｐ码 进 行 电 子 干 扰 。Ａ Ｓ技 术 使 得 用 ＣＡ 码 工 作 的 用 户 无 法 再 和 Ｐ码 相 位 测 量 联 合 解 算 进 ／
行 双 频 电离 层精 密测 距 修 正 。 际 降 低 了 用 户 定 位精 度 。 实 ２３ 确定 Ｇ ｓ卫 星 轨 道 是 减 少 星 历 误 差 和 消 除 ￡技 术 影 响 － Ｐ
的误 差 。
题 ： 除了特殊需要 ， ① 一般 Ｇ Ｓ基线长度相 差不要过 大 ， Ｐ 这
样 可 以使 Ｇ ｓ测量 的精 度 分 布 均 匀 ；（ Ｇ ｓ网不 要 有 开放 Ｐ Ｐ
式 的网型结构 。 应构成封闭式闭合环和子环路 ； 应尽量 消 ③
除 多 路 径 影 响 ．防 止 Ｇ Ｓ信 号 通 过 其 他 物 体 反 射 到 Ｇ Ｓ天 Ｐ Ｐ
即 在 已知 坐 标 点 上 布 设 基 准 点 ， 过 基 准 站 取 得 误 差 校 正 通
１ ＧＰ Ｓ测 量 的 误 差 源 和 ＧＰ Ｓ定 位 网 设 计 １１ Ｇ ｓ 量 的误 差 源 ． Ｐ 测
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当接收机天线之间的距离与卫星到接收机之 间的距离相比可忽略不计时 , 可认为卫星到达两 个接收机天线的路径相同 , 这样就有效消除电离 层和对流层延迟产生的误差。对上述 2 个方程作 差分可得到单差观测方程:
1 j j j teA R RAj N Bj N Aj c tB t A c teB B
R
1
j AB
c
t AB t
c
(3)
j eAB
N
j AB
相距两个距离很近的天线构成的单差方程可 以减少卫星钟差 ､ SA ､ 电离层延迟等引起的测量 误差。 如果在单差方程的基础上,两个 GPS 接收机 同时收到两颗不同的卫星,再做一次差分,那么对
ij j i AB AB AB
第6期
机电技术
17
GPS 载波相位观测量的误差源分析
张安洁
(台州职业技术学院,浙江 台州 318000) 摘 方法。 关键词:GPS;载波相位;差分;误差源;多路径 中图分类号:P228.4 文献标识码:A 文章编号:1672-4801(2012)06-017-03 要:介绍了 GPS 载波相位的差分方程,并对这些方程的单差､双差､三差模型进行分析,比较后得出每个载波相位
j j B NB
1
GPS 载波相位差分方程的误差分析与
比较
载波相位观测量是测量 GPS 载波信号在传播 路程上相位变化的多少 , 从而确定信号传播的距 离。天线 A 对卫星 j 的载波相位方程写为[3,4]:
j j A NA
1
R
j A
j ct A ct j ct eA
R
1
j B
j ct B ct j ct eB
(2)
(1)
j j j j 其中 A ､ NA ､ t A ､ t j ､ t eA ､ ､ c ､ RA 的含
义依次为:天线 A 对卫星 j 的载波相位的实际观测 量;天线 A 对卫星 j 的载波相位的整周模糊度;与天
1) 电离层延迟误差。 地球周围的大气层会影 响 GPS 信号的传输速度,因此会引起测量误差。 对 于载波相位测量而言 , 载波通过电离层后其相位 将滞后于在真空中传播的相位。电离层延时的多 少与信号传播路径､时间､频率有关。电离层延迟 误差在 GPS 定位定向中采用差分的方式将其消 除。 2) 对流层误差。由于 GPS 信号通过对流层 时会产生不同程度的折射 , 因而引起传播时间的 延迟,导致测量误差的产生。在天顶方向延迟可达 2.3 m,在高度角 10°时可达 20 m。对于相同时刻､ 相同传播路径,对流层时延是相同的。对流层误差 可以采用差分的方式将其消除。 3) 多路径误差。 卫星的信号和周围物体表面 反射的信号叠加使得 GPS 接收机产生测量误差, 这种误差就是多路径误差。多路径误差将可能导 致信号失锁以及周跳。由于这个误差是由周围的 环境决定的,所以没有固定的模型可以用。 2.3
接收机的钟差有较好的抵消作用 , 得出的方程就 是双差方程。天线 A 与天线 B 同时观测到第 i,j 颗卫星时得到的双差方程如下:
R
பைடு நூலகம்
1
j AB
i j i RAB N AB N AB
1
ij ij RAB N AB
(4)
作者简介:张安洁(1982-),女,讲师,硕士,从事 GPS 定位定向技术､电子电气技术及相关教学研究｡
线 A 所连的 GPS 接收机相对 GPS 时间系统的偏 差;卫星 j 相对 GPS 时间系统的偏差;多路径效应､ 电离层 ､ 对流层 ､ 测量系统等其他因素引起的误 差;GPS 载波波长;真空中的光速;天线 A 与卫星 j 之间的几何距离。 实际情况下 ,GPS 观测量会受卫星钟差和接 收机钟差､星历误差､多路径误差､电离层､对流层 延时误差以及接收机测量噪声的影响 , 因此存在 很多误差源 , 在卫星和接收机间作差分是一个消 除和减弱误差项非常有效的方法。不同的接收机 同时收到同一颗卫星 , 此时所作的差分可以消去 卫星的钟差 , 同时有效消减卫星轨道和大气层延 迟的误差,这个过程称之为单差。 当天线 B 也观测到第 j 颗卫星时,得到的天线 B 的载波相位基本观测方程如下:
ij ij ij AB (t ) AB (t2 ) AB (t1 )
1 ij 1 ij (t2 ) RAB (t1 ) RAB
(5)
载波相位三差方程由于其相关性较强 , 并且 也进一步放大了观测噪声,不适合动态实时环境, 一般用于求基线的初始解或周跳的检测和修复。
差分观测方程对测量精度误差的消减作用,同时详细分析了影响测量精度的各类误差源,并针对各项误差提出有效的消除
GPS 技术的飞速发展 ,应用领域越来越广。 GPS 除了应用于定位定向,而且在外弹道与卫星 轨道测量､武器制导等方面也有较广泛的应用。 尽 管 GPS 技术具有高精度､高效率和低成本等优点, 但是它还是存在某些误差源。GPS 接收机都有两 种常用的基本观测量 : 伪距观测量与载波相位观 测量。由于载波的波长远小于码的波长,而且载波 相位测量的距离分辨率也较高 , 实时动态测量系 统中的数据处理大部分运用的是载波相位作为观 测量。由此看来,载波相位观测值是否精确将严重 影响到 GPS 定位定向的精度[1,2]。
18
机电技术
2012 年 12 月
其中 , 为单差方程相减后的残差 , 考虑到两 天线间距离较小,二者之差可当作观测噪声误差。 双差方程可以进一步削减接收机间的钟差 , 这样观测量中剩下的误差源主要为 : 载波相位随 机观测噪声和多路径效应 , 所以具有良好的统计 特性。 对于 GPS 双差方程来说,如果能解算出较精 确的初始整周模糊度 , 就能得到较高精确度的相 对位置解,是 GPS 定位及定向应用最广泛的观测 方程。 三差方程是将两个时间的双差观测方程再次 作差分得到的方程。卫星钟差､接收机钟差,接收 机时钟之间的同步误差和接收机内部的电路延迟 误差都在这个方程中得到消除 , 而且也消去了整 周模糊度,其方程如下: