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GPS误差的分析及控制措施
福建林业职业技术学院森林资源保护专业毕业论文
GPS误差的分析及控制措施
学生姓名:
严家驱
专业班级:
森保0805班
座号:
13号
指导教师:
亓兴兰
完稿日期:
2011年3月
GPS误差的分析及控制措施
写作提纲
一、绪论
GPS以其具有全能性、全球性、全天候、精度高、观测时间短、测站间不需要通视等优点在众多领域中已经得到广泛应用。
但同时,在GPS测展中包含多种误差,只有深刻理解这些误差源的性质及其影响,才能在制定技术方案和实际作业时。
采取必要的措施消除或消弱这些影响,提高成果的可靠性和精确性。
二、本论
(一)GPS概况
(二)GPS误差的主要来源分析
1、系统误差。
2、偶然误差。
3、其他误差。
(三)减少或消除误差的措施
1、模型改正法。
2、求差法。
3、参数法。
4、回避法。
5、数据处理。
6、GPS的改进。
三、结论
GPS测量中存在上述多种误差。
深刻理解了这些误差,在设计技术方案时采取相应的措施消除或消弱这些影响。
在实际作业中要严格按照测量规范进行操作。
在作业过程中,测量的主要误差是多路径误差,点位的对中误差,作业时应尽量避免并减少其误差从而提高成果的可靠性和精确性。
同时,只有深刻理解这些误差.才能设计合理的GPS接收机硬件和软件系统,从而促进GPS的进一步发展。
GPS误差的分析及控制措施
严家驱
摘要:
GPS系统的定位误差直接影响着GPS定位精度,文章对误差的主要来源进行了介绍和初步分析,提出了相应的措施以便消除或削弱它们对测量结果的影响。
关键词:
GPS;定位误差;主要来源;措施
GPS以其具有全能性、全球性、全天候、精度高、观测时间短、测站间不需要通视等优点在众多领域中已经得到广泛应用。
但同时,在GPS测展中包含多种误差,只有深刻理解这些误差源的性质及其影响,才能在制定技术方案和实际作业时。
采取必要的措施消除或消弱这些影响,提高成果的可靠性和精确性。
1GPS概况
GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位系统)的简称,而其中文简称为“球位系”。
GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统,是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。
其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。
经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
在机械领域GPS则有另外一种含义:
产品几何技术规范(GeometricalProductSpecifications)-简称GPS。
定位精度可达15米,测速精度0.1米/秒,是一个军民两用系统,提供两个等级的服务。
24 颗卫星位于6个倾角为55度的轨道平面内,高度20182千米,周期近12小时。
卫星用两个 L波段频率发射单向测距信号,区别不同卫星采用码分多址。
它是一个军民两用系统,提供两个等级的服务。
为了提高导航精度、可用性和完整性,各国发展了各种差分系统,完全可以满足一般的民用需求。
同时SA加扰已经在逐步被取消,民用精度大大提高。
GPS系统是美国的国防导航卫星系统,也为民用导航。
美国从20世界70年代开始历时近20年,耗资约120亿美元造就了它们。
俄罗斯的GLONASS与GPS相似,都是由空间部分、地面监控部分和用户接收机部分组成,都是使用24颗高度约2万千米左右的卫星组成卫星星座。
GPS分布在6个轨道平面上,每个轨道平面4颗,GLONASS分布在3个轨道平面上,每个轨道平面有8颗卫星。
卫星的分布使得在全球的任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,由此获得高精度的三维定位数据。
这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
GPS定位精度可达15米,测速精度0.1米/秒;GLONASS导航定位精度较低,约为30—100米,测速精度0.15米/秒。
这两个系统都是为全球范围内的飞机、舰船、坦克、地面车辆、步兵、导弹以及航天飞机等提供全天候、连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和精确时间,因此,具有极高的军用价值和民用前景。
GPS的工作原理并不复杂,简单地说来,就是利用接收到卫星发射的相关信号,再配合我们熟知的几何与物理上一些基本原理来进定位。
换言之,GPS定位分以下四步:
第一步:
确定时间基准,并记录准确时间(光从卫星到被测点的时间);第二步:
算出卫星-被测点间距离;第三步:
利用“三点”定位;第四步:
数据修正。
这样GPS就能准确的告诉您目的地在哪了。
GPS系统包括三大部分:
空间部分:
GPS卫星星座;地面控制部分:
地面监控系统;用户设备部分:
GPS信号接收机。
其在导航、定位、测绘等应用领域有很大的优势。
2GPS误差的主要来源分析
GPS测量是利用接收机接收卫星播发的信号来确定点的三维坐标。
影响测量结果的误差来源于GPS卫星卫星信号的传播过程和地面接收设备。
在高精度的GPS测量中,还应该考与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮和相对论效应等。
根据GPS误差的性质,可以将各种误差分为三个大类:
2.1系统误差
2.1.1卫星星历误差
GPS卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差,由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的,所以又称为卫星轨道误差。
它是一种起始数据误差,其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。
在GPS的单点定位中,卫星轨道误差可达几十米到一百米。
而相对定位中,卫星轨道误差1×l0-6咱至l×l0-8米范围以内.星历误差是GPS测量的重要误差来源。
2.1.2卫星钟差
为由于卫星的位置是随时间而变化的,所以GPS测量是以精密测时为基础的。
只有测定了卫星信号由卫星传播到观测站的时间,即可得到站星间的距离卫星钟差是指GPS卫星时钟与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铯原子钟和铷原子钟,但它们与GPS标准时之间的偏差和漂移和漂移总量仍在lms~O.1ms以内,由此引起的等效误差将达到300km~30km这是一个系统误差必须加于修正。
2.1.3接收机钟差
GPS接收机一般采用高精度的石英钟,其精度约为10-9,远达不到原子钟10-15的精度。
接收机的钟面时与GPS标准时之间的差异称为接收机钟差。
由此产生的等效距离误差约为300米。
把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数,并认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的,在数据处理中与观测站的位置参数一并求解,可减弱接收机钟差的影响。
2.1.4大气折射误差
2.1.4.1电离层折射
GPS在地球上空距地面50~100km之间的电离层中,气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离,形成大量的自由电子和正离子。
当GPS信号通过电离层时,与其他电磁波一样,信号的路径要发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量的距离发生偏差,这种影响称为电离层折射。
2.1.4.2对流层折射
为对流层的高度为40km以下的大气底层,其大气密度比电离层更大,大气状态也更复杂。
对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的增加而降低。
GPS信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种现象称为对流层折射。
2.1.4.3多路径效应
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,将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,产生所谓的“多路径误差”.这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。
2.2偶然误差
2.2.1卫星信号的多路径效应
多路径效应是接收机天线除直接接收卫星的信号之外,还可能接收到天线周围物体或地面反射的卫星信号.多种信号叠加,将会导致天线中心位置的迁移,从而使观测量产生误差。
2.2.2观测误差
由观测误差主要包括观测信号分辨误差、接收机天线的安置误差。
由于GPS系统的系统误差远大于偶然误差,所以在GPS系统误差分析中通常只考虑系统误差。
GPS系统误差可以通过对其成因的分析加以修正。
对于GPS系统误差修正的方法有很多。
2.3其他误差影响
2.3.1地球自转的影响
由于地球自转,当卫星信号传播到测站时,与地球相固联的协议地球坐标系相对卫星的上述瞬时位置已产生旋转,由此引起卫星坐标变化。
2.3.2相对论效应的影响
这是由于卫星钟和接收机所处的状态(运动速度和重力位)不同引起的卫星钟和接收机钟之间的相对误差。
在广义相对论效应作用下,卫星上钟的频率将变快,在狭义相对论效应作用下,卫星上钟的频率将变慢。
3减少或消除误差的措施
3.1模型改正法
建立系统误差模型,对观测量进行修正。
由于GPS系统误差产生的
原因一般比较复杂,通常只能采用改正模型进行修正正。
适用情况:
对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解,能建立理论或经验公式。
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。
例如在修正对流层折射产生的误差时,采用的霍普菲尔德(Hopfield)模型:
△S=△Sd+△SW=Kb/sin(E2+6.25)-2+Kw/Sin(E2+2.25)-2
其中:
Kd=155.2·10-7·(Ps/Ts)·(hd-hs)
Kb=155.2·10-7·(4810/Ts2)·es·(hd-hs)
hd=40136+148.72·(Ts-273.16)
hw=11000
3.2求差法
将不同观测站对相同卫星进行的同步观测值求差,消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。
适用情况:
误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。
所针对的误差源:
电离层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差等。
限制:
空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱。
例如减弱电离层折射误差的措施中,就是用户使用双频接收机来对误差进行修正。
这种方法的主要程序如下:
If(strstr(str,”dual”))
if(strstr(str,”Factorl”))/组合因子数Facotorl,2#/
{sscanf(str,”%d%d”,&ih,&iⅢ):
icon[21]=ih:
icon[22]=im}
Factorl=ih*L/im;gotonextline:
}
if(strstr(str,”Factor2”))
{sscanf(str。
”%d%d”,&ih,&im):
icon[23]=ih;icon[24]=im)
Factor2=ih*L/im;gotonextline:
}
if(strstr(str,”DD”))
fsscanf(str,”%d”,&ih):
icon[20]=ih:
gotonextline:
)
3.3参数法
采用参数估计的方法,将系统性偏差求定出来。
由于GPS测量采用WGS284坐标系统,而我国目前所采用坐标系统为1954年北京坐标系(或1980国家大地坐标系、地方坐标系统等),高程基准为1956年黄海高程系(或1985国家高程基准),所以GPS测量时必须先求解转换参数,以便将WG5284坐标转到地方坐标(或1954年北京坐标系、1980国家大地坐标系等,下同)。
转换参数的求解是测量的基础,转换参数的精确程度是影响测量精度的关键因素。
3.4回避法
选择合适的观测地点,避开易产生误差的环境;采用特殊的观测方法;采用特殊的硬件设备,消除或减弱误差的影响。
测站不宜选择在山坡、山谷和盆地内应远离大面积平静水面,其附近不应有高层建筑物、广告牌等(即所谓净空)。
测站应选择反射能较差的粗糙地面,以减少多路径误差。
另外,延长观测时间,选择配有抑径板的接收天线也可减少多路槲关差。
选择适当的截止高度角,既可延迟和限制电离层、对流层的影响,又能尽量多接收几个卫星的信号,以增加多余观测数,改善几何图形。
在测段间亘新整平对中仪器,以减少接收机的整平对中误差。
同时还要求天线盛方向标志指北(偏差在5s之内),便于对接收机相位中心巍差进行改正。
由于载波波长很短(
1=19.0cm.
2=24.4cm)。
因此比伪距测最精度高2-3个数量级,用双频改正还能减少或消除电离层延迟误差。
用相对定位代替绝对定位。
2点或2点以上的同步相对定位与单点的绝对定位相比,可减小卫星历误差、卫星钟差、大气延迟误差(两点间距<100km)。
采用区域差分技术或广域差分技术不但能减小基准站和用户站共同的误差,而且可使站问距从100km增加到2000km。
3.5数据处理
用精密星历代替或部分代替广播星历。
授权用户可由Internet随时下载精密星历提供给解算软件。
达到减小与星历有关误差影响和SA政策影响的目的.采用适当的起算数据。
有3种可行方案:
首先与国家GPS网A、B级控制点或其他高级GPS网控制点连,精度可达米级;其次,将原有国家级已知点的坐标转换到WGS--84坐标系中,精度在几米级;最后,如果没有条件与其他控制点连测,也可用不少于观测30min的单点定位结果做起算数据,其精度为10--15m。
载波相位测量中采用适当的线性组合.如分别在接收机、卫星、历元间求一次差,可分别消除卫星钟误差、接收机钟误差和整周模糊度。
在接收机、卫星间求二次差可同时消除卫星钟误差和接收机舯误差。
在三者间求三次差可得到只有坐标差未知数的方程。
3.6GPS的改进
面对导航市场的迅速发展改进GPS以获得更精准的信息是义不容辞。
改进GPS将对GPS系统的3个部分进行,其中对星座部分的改进最大。
3.6.1GPS星座的改进
改善星座的分布、增强卫星的自主导航能力、取消SA政策、增加民用频率、频率复用、增强卫星发射信号的功率。
3.6.2地面监控部分的改进
卫星位置的精度直接影响到用户的定位精度,而地面监控站的数量和分布部分地决定了GPS卫星定轨的质量。
目前GPS共有5个监控站卫星位置的精度为1m-2m。
国军方正计划将国家制图局(NIMA)的7个GPS监控站纳入目前的控制
网,使将来的监控站的分布更加均匀、密度更大,为了计算卫星的位置提供更多的、更及时的高质量观测数据。
预计在未来10年,卫星星历的精度将达到亚级
,至达到厘米级卫星。
同时向卫星上传数据的频率也将更高。
3.6.3用户接受部分的改进
由于用户的用途不同用户接受机的改进也是多样化的。
接收机的硬件部分正朝多样化、小型化、模块化、集成化、操作简单等方向发展,例如出现了一些新的接收机可根据用户的需求用软件设定单频GPS、双频GPS、等模式接收机的面
板上只有一、两个按钮和若干个显示灯组成可完成接收机的基本操作GPS的数据解算软件将基于数据库朝着图形化、智能化等方向发展。
这些发展的最终的目的是让一般用户更方便的使用GPS。
总之,GPS测量中存在上述多种误差。
深刻理解了这些误差,在设计技术方案时采取相应的措施消除或消弱这些影响。
在实际作业中要严格按照测量规范进行操作。
在作业过程中,测量的主要误差是多路径误差,点位的对中误差,作业时应尽量避免并减少其误差从而提高成果的可靠性和精确性。
同时,只有
深刻理解这些误差.才能设计合理的GPS接收机硬件和软件系统,从而促进GPS的进一步发展。
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