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赛维板报丨GPS 测量的误差来源

发布时间:2023-08-01人气:11

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在 GPS 测量中,影响观测量精度的主要误差来源可分为与 GPS 卫星有关的误差、与信号传播有关的误差和与接收设备有关的误差三种。如果根据误差的性质,上述误差又可分为系统误差与偶然误差两类。

(一) 与卫星有关的误差

与 GPS 卫星有关的误差,主要包括卫星轨道误差和卫星钟差。

1. 卫星钟差

在 GPS 测量中,要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上,尽管 GPS 卫星均设有高精度的原子钟(铷钟和铯钟),但它们与理想的 GPS 时之间仍存在着难以避免的偏差或漂移。

对于卫星钟的这种偏差,一般可以通过对卫星钟运行状态的连续监测而精确地确定,并用钟差模型改正。卫星钟差或经改正后的残差,在相对定位中可以通过观测量求差的方法消除。

2. 卫星轨道误差

卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响,估计与处理卫星的轨道误差一般比较困难,而通过地面监测站又难以充分可靠地测定这些作用力并掌握它们的作用规律。卫星的轨道误差是当前利用 GPS 定位的重要误差来源之一。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。在 GPS 测量定位中,处理卫星轨道误差的方法原则上有三种,即忽略轨道误差,采用轨道改进法处理现测数据和同步观测位求差。

 

(二) 卫星信号的传播误差

与卫星信号传播有关的误差主要要包括大气折射误差和多路径效应。

1. 电离层折射的影响

GPS 卫星信号和其他电磁波信号一样,当其通过电离层时,将受到这一介质弥散特性的影响,使信号的传播路径发生变化。为了减弱电离层的影响,在 GPS 定位中通常采用措施有:利用双频观测;利用电离层模型加以修正;利用同步观测值求差。

2. 对流层折射的影响

由于对流层的介质对 GPS 信号没有弥散效应,所以可认为其群折射率与相折射率相等。对流层折射对观测值的影响可分为干分量与湿分量两部分。干分量主要与大气的温度与压力有关,而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。

关于对流层折射的影响,一般有四种处理方法:定位精度要求不高时,可以简单地忽略;采用对流层模型加以改正;引入描述对流层影响的附加待估参数,在数据处理中一并求解;观测量求差。

3. 多路径效应影响

所谓多路径效应,即接收机天线除直接收到卫星的信号外,尚可能收到天线周围地物反射的卫星信号。两种信号叠加将会引起测量参考点(相位中心)位置的变化,而且这种变化随天线周围反射面的性质而异,难以控制。多路径效应具有周期性的特征,在同一地点,当所测卫星的分布相似时,多路径效应将会重复出现。减弱多路径效应影响的主要办法有:

选择造型适宜且屏蔽良好的天线;安置接收机天线的环境应避开较强的反射面、建筑物表面等;用较长观测时间的数据取平均值。

 

(三) 接收设备有关的误差

与用户接收设备有关的误差主要包括观测误差、接收机钟差、相位中心误差和载波相位观测的整周不定性误差。

1. 观测误差

这类误差包括观测的分辨误差和接收机天线相对测站点的安置误差。观测时适当增加观测量将能明显地减弱观测的分辨误差的影响。在精密定位工作中要仔细操作,尽量减小安置误差的影响。

2. 接收机的钟差

接收机的钟差是接收机钟与卫星钟之间存在同步差。处理接收机钟差比较有效的方法是在每个观测站上引入一个的钟差参数作为未知数,在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。在精密相对定位中,还可以利用观测值求差的方法有效地消除接收机钟差的影响。

3. 天线的相位中心位置偏差

在 GPS 测量中,观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的,而天线的相位中心与其几何中心在理论上应保持一致。但实际上,天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,即观测时相位中心的瞬时位置(一般称相位中心)与理论上的相位中心将有所不同。

在实际工作中,如果使用同一类型的天线,在相距不远的两个或多个观测站上同步观测了同一组卫星,便可以通过观测值的求差来削弱相位中心偏移的影响。

 

(四) 其他误差来源

除上述三类误差的影响外,还有其他一些可能的误差来源,如地球自转以及相对沦效应对 GPS 测量的影响。


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