GPS概论第七章 GPS误差来源及其影响ppt课件.ppt

1,全球定位系统概论,资源与环境学院林承达,2,第七章 GPS误差来源及其影响,7.1 概述7.2 钟误差7.3 相对论效应7.4 卫星星历误差7.5 电离层延迟7.6 对流层延迟7.7 多路径误差7.8 其他误差改正,3,7.1 GPS测量主要误差,4,与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏移和变化接收机钟差接收机内部噪声,GPS测量误差的来源,5,GPS测量误差的性质,偶然误差内容卫星信号发生部分的随机噪声接收机信号接收处理部分的随机噪声其它外部某些具有随机特征的影响特点随机量级小 毫米级,6,GPS测量误差的性质,系统误差（偏差 - Bias）内容其它具有某种系统性特征的误差特点具有某种系统性特征量级大 最大可达数百米,7,GPS测量误差的大小,SPS（无SA）,8,GPS测量误差的大小,SPS（有SA）,9,消除或消弱各种误差影响的方法,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,10,消除或消弱各种误差影响的方法,求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，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限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱,11,消除或消弱各种误差影响的方法,参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计,12,消除或消弱各种误差影响的方法,回避法原理：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适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。所针对的误差源电磁波干扰多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性,13,7.2 钟误差,定义物理同步误差数学同步误差应对方法模型改正钟差改正多项式其中a0为ts时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，a2为老化率。相对定位或差分定位,卫星钟差,14,接收机钟差,定义GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。应对方法作为未知数处理相对定位或差分定位,15,7. 3相对论效应,16,狭义相对论和广义相对论,狭义相对论1905运动将使时间、空间和物质的质量发生变化广义相对论1915将相对论与引力论进行了统一,17,相对论效应对卫星钟的影响,狭义相对论原理：时间膨胀。钟的频率与其运动速度有关。对GPS卫星钟的影响：结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢,18,相对论效应对卫星钟的影响,广义相对论原理：钟的频率与其所处的重力位有关对GPS卫星钟的影响：结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快,19,相对论效应对卫星钟的影响,相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论广义相对论,令：,20,解决相对论效应对卫星钟影响的方法,方法（分两步）：首先考虑假定卫星轨道为圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。第一步：第二步：,21,7.4卫星星历（轨道）误差,定义由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。,广播星历（预报星历）的精度(无SA) 2030米(有SA) 100米精密星历（后处理星历）的精度可达1厘米应对方法精密定轨(后处理)相对定位或差分定位,22,7.4卫星星历（轨道）误差,星历误差对单点定位的影响星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形星历误差对相对定位的影响,23,7.4卫星星历（轨道）误差,起因：卫星在运动的过程中受到多种摄动力的复杂影响，通过地面监控，难以掌握它们的作用规律。尤其在相对定位中，随着基线长度的增加，此项误差成为影响定位精度的主要因素。解决办法： 忽略轨道误差。 采用轨道改进法处理观测数据。（其中包括两种方法：短弧法和半短弧法） 同步观测求值,24,7.5 电离层延迟,25,电离层折射的影响,起因：和其他电磁信号一样，GPS信号通过电离层时，将受到一个介质弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变化。这种影响主要取决于电子总量和信号的频率。解决办法： 利用双频观测 利用电离层模型加以修正。 利用同步观测求值。,26,地球大气结构,地球大气层的结构,GPS信号在电离层中传播时，速度和传播路径都会发生变化。,27,大气折射效应,大气折射信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称大气延迟。在GPS测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。色散介质与非色散介质色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质,28,相速与群速,GPS信号由载波、测距码和导航电文三部分所组成。用户可以利用载波和测距码测定卫星到接收机的距离。载波在电离层中以相速传播，测距码在电离层中以群速传播。,29,相速与群速,相速群速相速与群速的关系相折射率与群折射率的关系,30,电离层折射,31,电离层折射,32,电子密度与总电子含量,电子密度与总电子含量电子密度：单位体积中所包含的电子数。总电子含量（TEC Total Electron Content）：底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。,33,电子密度与大气高度的关系,34,电子含量与地方时的关系,35,电子含量与太阳活动情况的关系,与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加太阳活动周期约为11年,1700年 1995年太阳黑子数,36,电子含量与地理位置的关系,2002.5.15 1:00 23:00 2小时间隔全球TEC分布,37,常用电离层延迟改正方法分类,经验模型改正方法：根据以往观测结果所建立的模型改正效果：差双频改正方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量效果：改正效果最好实测模型改正方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好,38,电离层改正的经验模型简介,Bent模型由美国的R.B.Bent提出描述电子密度是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数国际参考电离层模型（IRI International Reference Ionosphere）由国际无线电科学联盟（URSI International Union of Radio Science）和空间研究委员会（COSPAR - Committee on Space Research）提出描述高度为50km-2000km的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等以地点、时间、日期等为参数,39,电离层延迟的实测模型改正,基本思想利用基准站的双频观测数据计算电离层延迟利用所得到的电离层延迟量建立局部或全球的的TEC实测模型类型局部模型适用于局部区域全球模型适用于全球区域,40,7.6对流层（Troposphere）延迟,41,对流层的影响,起因：对流层的折射引起的，在天顶方向可使电磁波路径差达到2.3m，当高度角为10度的时候，影响为20m.解决办法： 定位精度要求不高时，可以简单忽略。 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。 观测量求差。,42,对流层延迟,43,对流层的色散效应,对流层的色散效应折射率与信号波长的关系对流层对不同波长的波的折射效应结论对于GPS卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应,44,霍普菲尔德（Hopfield）改正模型,出发点导出折射率与高度的关系沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟,45,流层改正模型综述,不同模型所算出的高度角30以上方向的延迟差异不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型与Hopfield模型的差异要大于Black模型与Hopfield模型的差异,46,气象元素的测定,气象元素干温、湿温、气压干温、相对湿度、气压测定方法普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计自动化的电子仪器,47,对流层模型改正的误差分析,模型误差模型本身的误差气象元素误差量测误差仪器误差读数误差测站气象元素的代表性误差实际大气状态与大气模型间的差异,48,减弱对流层折射改正项残差影响的主要措施,尽可能充分掌握观测站周围地区的实时气象资料利用水汽辐射计利用相对定位的差分法来减弱对流层大气折射的影响完善对流层大气折射改正模型,49,7.7 多路径误差,50,多路径误差与多路径效应,多路径（Multipath）误差在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。多路径效应由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。,51,反射波,反射波的几何特性反射波的物理特性反射系数a极化特性GPS信号为右旋极化反射信号为左旋极化,52,多路径误差,53,多路径误差的特点,起因：地面反射物引起的叠加信号。与测站环境有关与反射体性质有关与接收机结构、性能有关,54,应对多路径误差的方法,观测上选择合适的测站，避开易产生多路径的环境,易发生多路径的环境,55,应对多路径误差的方法,硬件上采用抗多路径误差的仪器设备抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等,抗多路径效应的天线,56,应对多路径误差的方法,数据处理上加权参数法滤波法信号分析法,57,3.8 其他误差改正,引力延迟地球自转改正地球潮汐改正接收机的位置误差天线相位中心偏差,58,地球自转改正,59,与接收设备有关的误差,接收机钟差天线相位中心的偏差与变化天线的几何中心、平均相位中心天线相位中心的偏差天线相位中心的变化应对方法天线定向（相对定位）模型改正接收机通道间的延迟误差,60,接收机的位置误差,定义接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。应对方法正确的对中整平采用强制对中装置（变形监测时）,61,天线相位中心偏差改正,卫星天线相位中心偏差改正接收机天线相位中心变化的改正GPS测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准的，天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。可是接收机天线接收到的GPS信号是来自四面八方，随着GPS信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。,62,天线相位中心偏差改正,应对方法使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相对定位）模型改正,