—— GPS测量原理及应用复习-6 ——
以下总结均基于自己的理解，欢迎指出不到位和错误的理解。
第七章 GPS测量的误差来源及其影响
考点：误差、产生原因、消除方法
7.1 GPS测量主要误差分类
主要误差来源
- GPS卫星
- 卫星信号的传播过程
- 地面接收设备
卫星部分
- 星历误差：星历包含17个参数，参数本身存在误差。
- 钟误差：调制波以一定的频率形成信号，本号本身存在误差；利用解调码求时间，存在误差。
- 相对论效应：对震荡频率产生影响，会对时间、空间距离产生影响
对距离的影响：1.5-15m
信号传播
- 电离层：信号在传播时发生折射。
- 对流层：信号在传播时发生折射。
- 多路径效应：测站周围的反射物所反射的信号进入接收机天线，与直接来自卫星的信号产生干涉。
对距离的影响：1.5-5m
信号接收
- 接收机钟差：接收机钟差与卫星钟不同步。
- 位置误差：对中、整平、水准器校正不好等。
- 天线相位中心：天线的几何中心与电磁场的相位中心不重合。
对距离的影响：1.5-5m
其他影响
- 地球潮汐：海潮、固体潮（随着月亮的运动，岩石层也随着起伏）。
- 负荷潮：与地球的内部质量分布不均匀有关，与地球的引力有关。
对距离的影响：1m
上述误差按误差的性质可分为：系统误差和偶然误差
误差性质分类
- 偶然误差：如信号的多路径效应、安置仪器引起的误差；偶然误差符合正态分布，利用最小二乘的方法，进行平差处理，就可以削弱对观测结果的影响，得到最佳观测估值。
- 系统误差：如星历误差、卫星钟差、接收机钟差、大气折射误差等。
系统误差消除或减弱的措施
- 改进观测方法，如采用相对定位的方法。
- 加入计算改正模型。
- 当作未知数一并求解，如接收机钟差。
7.2 与信号传播有关的误差
电离层折射
电离层及其影响
- 电离层：地球上空距地面高度在50~1000km之间的大气层。受太阳辐射影响，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子。
- 产生影响：信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。
影响量级：天顶方向：最大可达50m；地平方向：可达150m
电离层改正dion
dion=−c40.28f2∫ρ′Nedρ′dion = -c\frac{40.28}{f^2}\int_{ρ'}N_edρ' dion=−cf240.28∫ρ′Nedρ′
f：信号频率，c：光速，∫ρ’Nedρ’：电子总量
减弱措施
利用双频观测
- L1载波：S = ρ1 + dion1
- L2载波：S = ρ2 + dion2
- Δρ = ρ1 - ρ2（只与频率有关）
可求出电离层改正项：
dion1 = 1.54573(ρ1 - ρ2)
dion2 = 2.54573(ρ1 - ρ2)
利用电离层改正模型加以修正
利用同步观测值求差（观测方法）
在接收机间一次求差。对于单频接收机，不能计算电离层改正，可用模型改正和采用同步求差法减弱电离层的影响。
对流层折射
对流层及其影响
- 对流层：高度为40km以下的大气底层，其大气密度比电离层更大，大气状况也很复杂。
- 产生原因：GPS信号通过对流层时，也是传播的路径发生弯曲。从而产生距离偏差。
- 影响量级：
天顶方向：可达2.3m；地平方向：可达20m
减弱措施
- 采用对流层模型加以改正
- 引入待估参数
- 同步观测求差
多路径效应
产生的原因及影响
- 多路径效应：由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应。
- 产生原因：在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，就会和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值。
- 影响：不同反射物对信号的反射系数不同(水<稻田<野地<森林山地)；严重时会引起信号失锁。
减弱措施
选择合适的站址：
多路径效应误差不仅与卫星信号方向有关、与反射系数有关，且与反射物离测站远近有关，至今无法建立改正模型。
GPS测量时测站应远离大面积水域，不宜选择在山坡、山谷和盆地中，离开高层建筑物。
对接收机天线的要求：
在天线中设置抑径板，接收机天线对于极化特性不同的反射信号应有较强的抑制作用。
抑径板半径r、高度角Z限、和抑径板高度h之间的关系：r = h/sinZ限
7.3 与卫星有关的误差
卫星星历误差
星历误差及其影响
- 星历误差：由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差。
- 产生原因：星历包含17个参数，参数本身存在误差。
- 影响：
- 对单点定位的影响较大，如广播星历误差对测站坐标的影响一般可达数米、数十米甚至上百米。
- 对相对定位的影响较小。
解决方法
- 建立自己的卫星跟踪网
- 轨道松弛法：六个轨道参数的近似值作为已知值，将改正数作为参数进行平差处理。
- 同步观测求差：利用两个或多个观测站，对同一卫星的同步观测值求差。
卫星钟的钟误差
产生原因及其影响
- 产生原因：卫星钟和接收机钟不同步引起的误差。
- 影响量级：时间偏差在1ms以内，由此引起的等效距离误差可达300km。
减弱措施
- 加钟差改正模型
- 同步观测求差：在接收机间求一次差，可消除卫星钟差和改正后的残余误差。
相对论效应
产生原因及其影响
- 产生原因：由于卫星钟所处的状态不同而引起卫星钟产生相对钟误差的现象。
- 影响量级：钟放到卫星上后频率比在地面时增加4.449×10-10f。
解决办法
在制造卫星钟时预先把频率降低4.449×10-10f。
7.4 与接收机有关的误差
接收机钟差
产生原因及其影响
- 产生原因：接收机一般采用高精度石英钟，接收机与卫星间不同步。
- 影响量级：同步差1μs，由此引起的等效距离误差约为300m。
解决办法
- 作为未知数，一并求解
- 在卫星间求一次差
- 加时钟改正模型
位置误差
解决办法
- 校正仪器
- 仔细安置仪器
- 强制归心
天线相位中心位置的偏差
解决办法
- 同步观测同一组卫星，在观测值之间求差。（二次差）
- 所有天线安置时方向要一致，指向标均指向北方。
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