《GPS原理及应用》课程教学资源（PPT课件讲稿）第十章 GPS误差来源及分析

GPS测量的误差来源

GPS测量的误差来源

§5.5观测量的误差来源及其影响 1误差的分类 GPS定位中,影响观测量精度的主要误差来源分为 类 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

§ 5.5观测量的误差来源及其影响 1.误差的分类 GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为 三类： •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

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 4.2 4.2 钟差与稳定度 3.0 3.0 卫星摄动 1.0 1.0 相位不确定性 其它 0.9 0.9 合计 54 信号传播电离层折射 5.0-100 对流层折射 2.0 多路径效应 1.2 其它 0.5 合计 5.5-10.3 接收机 接收机噪声 1.0 7.5 其它 0.5 0.5 合计 总计 108-136

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 4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 信号传播 电离层折射 对流层折射 多路径效应 其它 合计 2.3 2.0 1.2 0.5 3.3 5.0-10.0 2.0 1.2 0.5 5.5-10.3 接收机 接收机噪声 其它 合计 1.0 0.5 1.1 7.5 0.5 7.5 总计 6.4 10.8-13.6

根据误差的性质可分为: 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 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

根据误差的性质可分为： （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

2与卫星有关的误差 (1)卫星钟差 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1 ms内,引起的等效距离误差可达300km。 卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精 确地确定,并用二阶多项式表示:8t=a+a(t)+a2(t }2。式中的参数由主控站测定,通过卫星的导航电文 提供给用户。 经钟差模型改正后,各卫星钟之间的同步差保持在20ns以 内,引起的等效距离偏差不超过6m。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

2.与卫星有关的误差 （1）卫星钟差 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1 ms内，引起的等效距离误差可达300km。 卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精 确地确定，并用二阶多项式表示：t j=a0+a1 (t-t0e)+a2 (t￾t0e) 2。式中的参数由主控站测定，通过卫星的导航电文 提供给用户。 经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保持在20ns以 内，引起的等效距离偏差不超过6m。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

(2)卫星轨道偏差(星历误差): 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20-40m。 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5-10m。卫星的轨道误 差是当前GPS定位的重要误差来源之

（2）卫星轨道偏差（星历误差）： 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20-40m。 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5-10m。卫星的轨道误 差是当前GPS定位的重要误差来源之一

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。GPS星到地面观测站的最大距离约 为25000km,如果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。从表 中可见,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。 基线长度 基线相对误差。容许轨道误差 1.0km 10×10 2500m 10.km 1×10-6 05 丿m 100.0km 0.1×10-6 m 1000.0km 0.01×10 0.25m

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。GPS卫星到地面观测站的最大距离约 为25000km，如果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。从表 中可见，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。 基线长度 基线相对误差 容许轨道误差 1.0km 1010-6 250.0m 10.km 110-6 25.0m 100.0km 0.110-6 2.5m 1000.0km 0.0110-6 0.25m

在GPS定位中,根据不同要求,处理轨道误差的方 法原则上有三种; 忽略轨道误差:广泛用于实时单点定位。 采用轨道改进法处理观测数据:卫星轨道的偏差 主要由各种摄动力综合作用而产生,摄动力对卫 星6个轨道参数的影响不相同,而且在对卫星轨 道摄动进行修正时,所采用的各摄动力模型精度 也不一样。因此在用轨道改进法进行数据处理时 根据引入轨道偏差改正数的不同,分为短弧法和 半短弧法

在GPS定位中，根据不同要求，处理轨道误差的方 法原则上有三种； •忽略轨道误差：广泛用于实时单点定位。 •采用轨道改进法处理观测数据：卫星轨道的偏差 主要由各种摄动力综合作用而产生，摄动力对卫 星6个轨道参数的影响不相同，而且在对卫星轨 道摄动进行修正时，所采用的各摄动力模型精度 也不一样。因此在用轨道改进法进行数据处理时， 根据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法和 半短弧法

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,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。 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

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，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。 • 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

3.卫星信号传播误差 1)电离层折射影响:主要取决于信号频率和传播路径 上的电子总量。通常采取的措施: 利用双频观测:电离层影响是信号频率的函数,利用不 同频率电磁波信号进行观测,可确定其影响大小,并 对观测量加以修正。其有效性不低于95% 利用电离层模型加以修正:对单频接收机,一般采用由 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。目前模型改正的有效性约为75%,至今仍在完 中 利用同步观测值求差: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106

3.卫星信号传播误差 （1）电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路径 上的电子总量。通常采取的措施： •利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用不 同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并 对观测量加以修正。其有效性不低于95%. •利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用由 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。目前模型改正的有效性约为75%，至今仍在完 善中。 •利用同步观测值求差：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