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GPS知識(shí)科普|GPS定位中的誤差來(lái)源

發(fā)布時(shí)間:2019-07-31 點(diǎn)擊次數(shù): 作者:admin
我們都只到GPS有一定的誤差,如果經(jīng)常使用介紹及進(jìn)行測(cè)量的話(huà),還會(huì)聽(tīng)到誤差、差分、改正之類(lèi)的字眼,那你有沒(méi)有仔細(xì)了解過(guò)呢?小編就為就為大家整理了關(guān)于GPS定位中的誤差源及削弱方法的一些信息,純干貨,學(xué)習(xí)一些知識(shí)總是沒(méi)錯(cuò)的,耐心觀看。

GPS定位出現(xiàn)的各種誤差從誤差源來(lái)講大體可以分為三類(lèi),與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差和與接收機(jī)有關(guān)的誤差。而這三類(lèi)誤差還可以往下細(xì)分,小編一一為大家來(lái)講解。

RTK測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的各種誤差,按性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差(偏差)和隨機(jī)誤差兩大類(lèi)。其中,系統(tǒng)誤差無(wú)論從誤差大小,還是定位結(jié)果的危害性來(lái)講,都比隨機(jī)誤差大得多,而且它們又是有規(guī)律可循的。

GPS測(cè)量中的誤差

1、與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

與衛(wèi)星有關(guān)的誤差包括星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差、相對(duì)論效應(yīng)、信號(hào)在衛(wèi)星內(nèi)的時(shí)延和衛(wèi)星天線(xiàn)相位中心偏差。

衛(wèi)星星歷誤差

誤差解釋?zhuān)河捎谛l(wèi)星星歷所給出的衛(wèi)星位置和速度與衛(wèi)星的實(shí)際位置和速度之差成為衛(wèi)星星歷誤差。

星歷誤差的大小主要取決于衛(wèi)星定軌系統(tǒng)的質(zhì)量,如定軌站的數(shù)量及其地理分布、觀察值得數(shù)量及精度、定軌是所用的教學(xué)力學(xué)模型和定軌軟件的完善程度等。此外,與星歷的外推時(shí)間間隔(實(shí)測(cè)星歷的外推時(shí)間間隔顆視為零)也有直接關(guān)系。

衛(wèi)星鐘的鐘誤差

誤差解釋?zhuān)盒l(wèi)星鐘差是指GPS衛(wèi)星上原子鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差別。為了保證時(shí)鐘的精度,GPS衛(wèi)星均采用高精度的原子鐘,但它們與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的偏差和漂移和漂移總量仍在1ms——0.1ms以?xún)?nèi),由此引起的等效的定位誤差將達(dá)到300km——30km。

因此即使在精度較低的衛(wèi)星導(dǎo)航中,也不能直接使用由衛(wèi)星鐘所給出的時(shí)間。

衛(wèi)星鐘的鐘差包括由鐘差、頻偏、頻漂等產(chǎn)生的誤差,也包含鐘的隨機(jī)誤差。這些偏差的總量均在1ms 以?xún)?nèi),由此引起的等效距離誤差約可達(dá)300km。

相對(duì)論效應(yīng)

誤差解釋?zhuān)河捎谛l(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)(運(yùn)動(dòng)速度和重力位)不同而引起兩臺(tái)鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘誤差的現(xiàn)象。

相對(duì)論效應(yīng)誤差對(duì)測(cè)碼偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值的影響是相同的

信號(hào)在衛(wèi)星內(nèi)的時(shí)延

誤差解釋?zhuān)何覀兺ǔ0言谛l(wèi)星鐘驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始生成測(cè)距信號(hào)至信號(hào)生成并離開(kāi)發(fā)射天線(xiàn)相位中心間的時(shí)間稱(chēng)為信號(hào)在衛(wèi)星內(nèi)的時(shí)延。

衛(wèi)星天線(xiàn)相位中心偏差

誤差解釋?zhuān)盒l(wèi)星天線(xiàn)相位中心與衛(wèi)星質(zhì)心之間的差異

SA誤差

誤差解釋?zhuān)篠A(Selective Availability)政策即可用性選擇政策,是美國(guó)軍方為了限制非特許用戶(hù)利用GPS進(jìn)行高精度點(diǎn)定位而采用的降低系統(tǒng)精度的政策。它包括降低廣播星歷精度的ε技術(shù)和在衛(wèi)星基本頻率上附加一隨機(jī)抖動(dòng)的δ技術(shù)。實(shí)施SA技術(shù)后,SA誤差已經(jīng)成為影響GPS定位誤差的主要因素。雖然美國(guó)在2000年5月1日取消了SA,但是戰(zhàn)時(shí)或必要時(shí),美國(guó)仍可能恢復(fù)或采用類(lèi)似的干擾技術(shù)。

2、與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差

電離層延遲

原理:折射

誤差解釋?zhuān)?0km-1000km大氣層在紫外線(xiàn)、X涉嫌、γ射線(xiàn)和高能粒子作用下,該區(qū)域內(nèi)的氣體分子和原子產(chǎn)生電離,形成自由電子和正離子,影響無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的傳播,使傳播速度發(fā)生變化,傳播路徑產(chǎn)生彎曲,使信號(hào)傳播時(shí)間與真空中光速的乘積不等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離。產(chǎn)生所謂的電離層延遲。

對(duì)流層延遲

原理:折射

誤差解釋?zhuān)簩?duì)流層是高度在50km以下的大氣層,50km以下的大氣層,大氣折射率取決于氣溫、氣壓和相對(duì)濕度等因子,信號(hào)的傳播路徑也會(huì)產(chǎn)生彎曲。由于上述原因使距離測(cè)量值產(chǎn)生的系統(tǒng)性偏差成為對(duì)流層延遲。對(duì)流層延遲對(duì)測(cè)碼偽距和載波相位觀測(cè)值得影響是相同的。

多路徑效應(yīng)

誤差解釋?zhuān)航?jīng)某些物體表面反射后到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)與直接來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)疊加干擾后進(jìn)入接收機(jī),將使測(cè)量值產(chǎn)生系統(tǒng)誤差,這就是所謂的多路徑誤差多路徑誤差對(duì)測(cè)碼偽距觀測(cè)值的影響比對(duì)載波相位觀測(cè)值的影響大得多。

多路徑誤差取決于測(cè)站周?chē)沫h(huán)境、接收機(jī)的性能以及觀測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短,就需要買(mǎi)一個(gè)性能好的RTK,在周?chē)h(huán)境開(kāi)闊、無(wú)水面的地方測(cè)量。

3、與接收機(jī)有關(guān)的誤差

接收機(jī)的鐘誤差

誤差解釋?zhuān)号c衛(wèi)星鐘一樣,接收機(jī)鐘也有誤差。而且由于接收機(jī)中大多采用石英鐘,因而其鐘誤差較衛(wèi)星鐘更為顯著。

該誤差主要取決于鐘的質(zhì)量,與使用時(shí)的環(huán)境也有一定關(guān)系。對(duì)測(cè)碼偽距和載波相位觀測(cè)值得影響是相同的。

接收機(jī)的位置誤差

誤差解釋?zhuān)涸谶M(jìn)行授時(shí)和定軌時(shí),接收機(jī)的位置通常被認(rèn)為是已知的,其誤差將使授時(shí)和定軌的結(jié)果產(chǎn)生誤差,即接收機(jī)的位置誤差。

接收機(jī)的位置誤差對(duì)測(cè)碼偽距和載波相位觀測(cè)值得影響是相同的。

接收機(jī)的測(cè)量噪聲

誤差解釋?zhuān)航邮諜C(jī)進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí),由于儀器設(shè)備及外界環(huán)境影響而引起的隨機(jī)測(cè)量誤差。

誤差值取決于儀器性能及作業(yè)環(huán)境的優(yōu)劣。一般來(lái)說(shuō),測(cè)量噪聲的值遠(yuǎn)小于上述各種偏差值。觀測(cè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后,測(cè)量噪聲的影響通常可以忽略不計(jì)。

接收機(jī)相位天線(xiàn)中心偏差

誤差解釋?zhuān)航邮諜C(jī)天線(xiàn)相位中心與天線(xiàn)參考點(diǎn)(Antenna Reference Point,ARP)之間的差異稱(chēng)為接收機(jī)天線(xiàn)相位中心偏差。

信號(hào)在接收機(jī)內(nèi)的時(shí)延

誤差解釋?zhuān)盒l(wèi)星測(cè)距信號(hào)在到達(dá)接收機(jī)天線(xiàn)相位中心后好需要花費(fèi)Δt1來(lái)進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波及各種處理后才能進(jìn)入碼相關(guān)器與來(lái)自接收機(jī)的復(fù)制碼進(jìn)行相關(guān)處理以獲得測(cè)碼偽距觀測(cè)值(或進(jìn)入載波跟蹤回路以獲取載波相位觀測(cè)值)。同樣從在接收機(jī)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始生成復(fù)制碼至復(fù)制碼生成并進(jìn)入相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)處理(或生成載波進(jìn)入載波跟蹤回路進(jìn)行載波相位測(cè)量)也需要花費(fèi)一段時(shí)間Δt2。Δt1與Δt2一般并不相等,兩者之間的差稱(chēng)為信號(hào)在接收機(jī)內(nèi)的時(shí)延。

4、削弱誤差影響的方法

模型改正法

原理:利用模型計(jì)算出誤差影響的大小,直接對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正。這些誤差改正模型既可以通過(guò)對(duì)誤差特性、機(jī)制以及產(chǎn)生的原因進(jìn)行研究分析、推導(dǎo)而建立起來(lái)的理論公式,也可以是通過(guò)對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析、擬合而建立起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式,有時(shí)則是同時(shí)采用兩種方法建立的綜合模型。

所針對(duì)的誤差源:相對(duì)論效應(yīng)、電離層延遲、對(duì)流層延遲、衛(wèi)星鐘差

限制:有些誤差難以模型化

求差法

原理:通過(guò)觀測(cè)值間一定方式的相互求差,消去或削弱求差觀測(cè)值所包含的相同或相似的誤差影響。

例如,當(dāng)兩站對(duì)同一衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)時(shí),觀測(cè)值中都包含了共同的衛(wèi)星鐘誤差,將觀測(cè)值在接收機(jī)間求差后即可此項(xiàng)誤差。同樣,一臺(tái)接收機(jī)對(duì)多顆衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)時(shí)。將觀測(cè)值在衛(wèi)星間求差即可接收機(jī)鐘誤差的影響。

所針對(duì)的誤差源:接收機(jī)的鐘誤差、電離層延遲、對(duì)流層延遲、衛(wèi)星星歷誤差、…

限制:空間相關(guān)性將隨著測(cè)站間距離的增加而減弱

參數(shù)法

原理:采用參數(shù)估計(jì)的方法,將系統(tǒng)性偏差求定出來(lái)。

所針對(duì)的誤差源:都可適用

限制:不能同時(shí)將所有影響均作為參數(shù)來(lái)估計(jì)。

回避法

原理:有的誤差,如多路徑誤差,既不能采用求差的方法來(lái)抵消,也難以建立改正模型。此時(shí)好的消弱該誤差方法就是選擇合適的觀測(cè)地點(diǎn)、選用較好的天線(xiàn),使之反射物和干擾源。

所針對(duì)誤差源:對(duì)路徑效應(yīng)、電磁波干擾

限制:無(wú)法完全避免誤差的影響,具有一定的盲目性。

5、總結(jié)

上面三類(lèi)誤差源主要影響電磁波傳播時(shí)間的測(cè)量和衛(wèi)星位置的獲得。所謂定位,就是利用各種模型、估算出各種誤差,進(jìn)而修正GPS定位結(jié)果的技術(shù)。


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