科普丨了解一下GPS定位中的误差源及削弱方法

经常使用接收机进行测量,总会听到过误差、差分、改正之类的字眼,那你有没有仔细了解过呢?小编就为就为大家整理了关于GPS定位中的误差源及削弱方法的一些信息,纯干货,学习一些知识总是没错的,耐心观看。

GPS定位出现的各种误差从误差源来讲大体可以分为三类,与卫星有关的误差与信号传播有关的误差与接收机有关的误差。而这三类误差还可以往下细分,小编一一为大家来讲解。

RTK测量时出现的各种误差,按性质可分为系统误差(偏差)和随机误差两大类。其中,系统误差无论从误差大小,还是定位结果的危害性来讲,都比随机误差大得多,而且它们又是有规律可循的,可以采取一定的方法和措施加以消除。

与卫星有关的误差

与卫星有关的误差包括星历误差、卫星钟误差、相对论效应、信号在卫星内的时延和卫星天线相位中心偏差。

卫星星历误差

误差解释:由于卫星星历所给出的卫星位置和速度与卫星的实际位置和速度之差成为卫星星历误差。

星历误差的大小主要取决于卫星定轨系统的质量,如定轨站的数量及其地理分布、观察值得数量及精度、定轨是所用的教学力学模型和定轨软件的完善程度等。此外,与星历的外推时间间隔(实测星历的外推时间间隔颗视为零)也有直接关系。

卫星钟的钟误差

误差解释:卫星钟差是指GPS卫星上原子钟的钟面时与GPS标准时间的差别。为了保证时钟的精度,GPS卫星均采用高精度的原子钟,但它们与GPS标准时之间的偏差和漂移和漂移总量仍在1ms~0.1ms以内,由此引起的等效的定位误差将达到300km~30km。

因此即使在精度较低的卫星导航中,也不能直接使用由卫星钟所给出的时间。

卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差,也包含钟的随机误差。这些偏差的总量均在1ms 以内,由此引起的等效距离误差约可达300km。

相对论效应

误差解释:由于卫星钟和接收机钟所处的状态(运动速度和重力位)不同而引起两台钟之间产生相对钟误差的现象。

相对论效应误差对测码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的

信号在卫星内的时延

误差解释:我们通常把在卫星钟驱动下开始生成测距信号至信号生成并离开发射天线相位中心间的时间称为信号在卫星内的时延。

卫星天线相位中心偏差

误差解释:卫星天线相位中心与卫星质心之间的差异

SA误差

误差解释:SA(Selective Availability)政策即可用性选择政策,是美国军方为了限制非特许用户利用GPS进行高精度点定位而采用的降低系统精度的政策。它包括降低广播星历精度的ε技术和在卫星基本频率上附加一随机抖动的δ技术。实施SA技术后,SA误差已经成为影响GPS定位误差的最主要因素。虽然美国在2000年5月1日取消了SA,但是战时或必要时,美国仍可能恢复或采用类似的干扰技术。

与信号传播有关的误差

电离层延迟

原理:折射

误差解释:60km-1000km大气层在紫外线、X涉嫌、γ射线和高能粒子作用下,该区域内的气体分子和原子产生电离,形成自由电子和正离子,影响无线电信号的传播,使传播速度发生变化,传播路径产生弯曲,使信号传播时间与真空中光速的乘积不等于卫星至接收机间的几何距离。产生所谓的电离层延迟。

对流层延迟

原理:折射

误差解释:对流层是高度在50km以下的大气层,50km以下的大气层,大气折射率取决于气温、气压和相对湿度等因子,信号的传播路径也会产生弯曲。由于上述原因使距离测量值产生的系统性偏差成为对流层延迟。对流层延迟对测码伪距和载波相位观测值得影响是相同的。

多路径效应

误差解释:经某些物体表面反射后到达接收机的信号与直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机,将使测量值产生系统误差,这就是所谓的多路径误差多路径误差对测码伪距观测值的影响比对载波相位观测值的影响大得多。

多路径误差取决于测站周围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短,所以要消除多路径误差,就需要买一个性能好的RTK,在周围环境开阔、无水面的地方测量。

与接收机有关的误差

接收机的钟误差

误差解释:与卫星钟一样,接收机钟也有误差。而且由于接收机中大多采用石英钟,因而其钟误差较卫星钟更为显著。

该误差主要取决于钟的质量,与使用时的环境也有一定关系。对测码伪距和载波相位观测值得影响是相同的。

接收机的位置误差

误差解释:在进行授时和定轨时,接收机的位置通常被认为是已知的,其误差将使授时和定轨的结果产生误差,即接收机的位置误差。

接收机的位置误差对测码伪距和载波相位观测值得影响是相同的。

接收机的测量噪声

误差解释:接收机进行GPS测量时,由于仪器设备及外界环境影响而引起的随机测量误差。

误差值取决于仪器性能及作业环境的优劣。一般来说,测量噪声的值远小于上述各种偏差值。观测足够长的时间后,测量噪声的影响通常可以忽略不计。

接收机相位天线中心偏差

误差解释:接收机天线相位中心与天线参考点(Antenna Reference Point,ARP)之间的差异称为接收机天线相位中心偏差。

信号在接收机内的时延

误差解释:卫星测距信号在到达接收机天线相位中心后好需要花费Δt1来进行信号的放大、滤波及各种处理后才能进入码相关器与来自接收机的复制码进行相关处理以获得测码伪距观测值(或进入载波跟踪回路以获取载波相位观测值)。同样从在接收机钟信号的驱动下开始生成复制码至复制码生成并最终进入相关器进行相关处理(或生成载波进入载波跟踪回路进行载波相位测量)也需要花费一段时间Δt2。Δt1与Δt2一般并不相等,两者之间的差称为信号在接收机内的时延。

消除或削弱误差影响的方法

模型改正法

原理:利用模型计算出误差影响的大小,直接对观测值进行修正。这些误差改正模型既可以通过对误差特性、机制以及产生的原因进行研究分析、推导而建立起来的理论公式,也可以是通过对大量观测数据的分析、拟合而建立起来的经验公式,有时则是同时采用两种方法建立的综合模型。

所针对的误差源:相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、卫星钟差

限制:有些误差难以模型化

求差法

原理:通过观测值间一定方式的相互求差,消去或削弱求差观测值所包含的相同或相似的误差影响。

例如,当两站对同一卫星进行同步观测时,观测值中都包含了共同的卫星钟误差,将观测值在接收机间求差后即可消除此项误差。同样,一台接收机对多颗卫星进行同步观测时。将观测值在卫星间求差即可消除接收机钟误差的影响。

所针对的误差源:接收机的钟误差、电离层延迟、对流层延迟、卫星星历误差、…

限制:空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱

参数法

原理:采用参数估计的方法,将系统性偏差求定出来。

所针对的误差源:都可适用

限制:不能同时将所有影响均作为参数来估计。

回避法

原理:有的误差,如多路径误差,既不能采用求差的方法来抵消,也难以建立改正模型。此时最好的消弱该误差方法就是选择合适的观测地点、选用较好的天线,使之反射物和干扰源。

所针对误差源:对路径效应、电磁波干扰

限制:无法完全避免误差的影响,具有一定的盲目性。

总结

上面三类误差源主要影响电磁波传播时间的测量和卫星精确位置(即精密定位)的获得。所谓精密定位,就是利用各种模型、估算出各种误差,进而修正GPS定位结果的技术。

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