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4.1总体分析和与卫星有关的误差
总体分析 与卫星有关的误差 相对论效应与地球自转影响 总体分析 与卫星有关的误差 卫星星历误差 按照卫星星历计算出的卫星空间位置与卫星的真实位置之差。 它的产生主要是由于卫星在高空运行中受到各种摄动作用力的复杂影响,而地面监控站一般难以准确掌握这样一些规律,所以卫星星历预报会产生较大的误差,也就是我们通常所说的广播星历精度不高。 这项误差严重影响单点定位的精度,一般可达数米、甚至数十米,而且对相对定位也是一个重要的误差来源,所以不容忽视。 目前我国已在北京、上海、武汉、西安、拉萨、乌鲁木齐等地建立了GPS跟踪站,通过长时间连续跟踪监测GPS卫星信号,精密星历的精度可以达到0.25米,从而满足1000公里基线相对定位达到1×10-8的精度要求。
通常有半短弧法和短弧法两种,前者是将轨道切向、径向和法向3个改正数作为未知数,计算较为简单;后者是将6个轨道偏差改正数作为未知数,通过轨道模型建立观测值和未知数之间的关系,该方法计算工作量较大。 轨道松驰法也存在着一定的局限性,只能作为无法获得精密星历的情况下,采取的补救措施或特殊情况下采取的措施。 卫星钟误差 卫星采用的都是原子钟,它的钟面时与理想的GPS标准时之间仍然存在着偏差或者飘移,由此产生的等效距离误差可达300km。
卫星导航电文中有这些数据
相对论效应与地球自转影响 卫星自传坐标误差影响 误差较小 不用考虑 相对论效应 卫星钟频率增加△f 制造卫星钟时预先将频率降低△f 4.2与信号传播有关的误差电离层折射误差 对流层折射误差 多路径效应误差 电离层折射误差 电离层所处的范围:距离地面50-1000公里范围内的大气层 当卫星信号穿越电离层时,它会受到大量的自由电子和正离子的影响,使得卫星信号的传播路径发生弯曲,传播速度也会受到相应的影响。由此引起的偏差称为电离层折射误差。 卫星信号的频率 50-100米 观测时间 观测地点
天顶方向 50米 地平方向 150米 必须加以改正。 1利用双频接收机观测 理论上的分析表明,如果利用两个频率的相位观测值来进行观测和处理,就可以消除电离层折射的影响,适合于双频接收机。
2模型改正 对单频接收机而言,我们可以利用导航电文提供的电离层折射模型加以改正,该模型把白天的电离层延迟看成是余弦波的一部分,而把晚上的电离层延迟看成是一个常数,由于影响电离层折射的因素很多,机制又复杂,所以无法建立严密的数学模型
3相对定位 这也是一种万能的有效方法,尤其是对于距离较短,也就是小于20公里的两个测站,当两台接收机同时跟踪某一颗卫星时,可以认为大气传播路径、环境基本一致,我们可以通过在 接收机间求一次差的方法,来很好地削弱电离层的影响。 对流层折射误差 对流层所处范围 靠近地面40公里 对流层相比电离层要复杂得多,主要是因为近地层大气更加复杂多变,难以发现规律,所以它的影响也更为严峻。即使采用双频接收机观测,也不能有效解决它的影响。 1模型改正 建立一个大气改正的模型,通过测量信号传播路径上的气温、气压等有关的气象数据来加以改正。但是这些数据的测量精度往往很难保证,由此也限制了对流层折射改正的精度。
2直接测定 利用水汽辐射计来实测水汽对卫星信号的直接影响,理论上可以直接测定,但现实意义不大,主要是仪器十分昂贵而且笨重,不利于外业观测中使用。 3参数求解 引入描述对流层影响的一些附加待估参数,在后面数据处理中一并求解,当然也会加大参数求解的数量。 4相对定位 经过前面对流层折射模型的改正,再通过接收机间一次求差,进一步消除残余误差的影响。当然如果距离较远时,一次差分效果会受到一定的影响。 综上所述,对流层折射影响仍然是限制GPS高精度定位的最大障碍。 多路径效应误差 接收机除了接收卫星的直接信号以外,还会接收测站周围的反射信号,由此混合后产生干涉效应,使得观测值偏离真值,这种误差称之为多路径效应。
多路径效应误差难以通过改正模型进行减弱,以下两个途径 1合适的测站点位 测站应远离大面积的水面、高大建筑物、超高压电塔以及微波发射站等容易产 生多路径效应的物体。 测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中,以避免反射信号从天线抑径板上方进入,产生多路径效应误差。 2屏蔽天线 4.3与接收机有关的误差及PPP考虑误差与接收机有关的误差 1接收机钟差 为了降低接收机制造成本,那么仪器内部的时标一般都是采用石英晶体振荡器,它在稳定性、精确度和可靠性方面远没有卫星时钟好,由此而产生接收机时钟误差。 影响很大
消弱该项误差的主要途径3个 ·作为未知数参与求解 ·相对定位,通过在不同卫星间求差以消除接收机的钟差。 ·多项式求解
2接收机安置误差 接收机的安置误差与全站仪的安置相类似。接收机天线相位中心相对于测站标石中心的位置偏差称为接收机安置误差。 该项误差包括天线的对中误差、整平误差和天线高的量测误差。这些误差直接影响GPS观精度。 主要对策 首先从态度上加强责任心,认真做好对中、整平、量高等操作,确保正确无误; 观测中,要注意保护好接收机,防止无关人员碰动仪器; 其次,应该尽可能地采用强制对中装置,以避冤对中偏差; 涉及觇标观测时,要认真做好标石中心向基板台的投影操作,必须偏心观测时,要认真测定偏心元素,保证其测量精度。 3天线相位中心位置偏差 它是随着卫星信号输人的强度和方向不同,呈现瞬时性的变化,也就是观测时相位中心的瞬时位置,与理论上的相位中心位置将会不一致。所以这种偏差称之为相位中心偏移。具体又可分为水平偏差和垂直偏差。 垂直偏差>水平偏差 天线型号不同而不同 影响一般可以达到毫米级甚至厘米级是接收机固定误差的主要部分 对策:尽量选用同一类型的接收机天线,并且对观测值进行求差。 高精度观测时,各个测站的天线需要按照附有的方位标志进行定向安置,一般只需要定向到3-5度以内即可。 4图形强度的影响 在观测条件一定的情况下,接收机定位精度与所观测的卫星分布状况密切相关,用DOP表示图形强度因子。
1维到4维 要求GDOP、PDOP≤6 通过卫星可见性预报,以选择合理的卫星分布确定有利观测时段。 另外尽可能地选择多系统兼容型的接收机,这样可接收的卫星数多了,卫星和测站的分布状况将会得到明显改善。 目前随着北斗卫星导航系统的逐渐建成,该项误差影响已经不成为主要问题了。 PPP考虑的误差 1地球自转的影响 由于地球的自转的影响引起卫星坐标的变化。 2地球潮汐的影响 由于地球固体潮和负荷潮引起测站位移,使得不同时 间的测量结果互不一致。 3相对论效应的影响 根据相对论的理论,由于卫星的高速运动使得卫星钟的频率比静止在地球上的同类钟的频率有所增加。
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