GPS测量的误差源及其影响.ppt
GPS原理及其应用,6.1 GPS测量主要误差分类,误差分类按性质分系统误差（偏差-Bias）卫星轨道误差卫星钟差接收机钟差大气折射误差偶然误差多路径效应误差观测误差,六、GPS测量的误差源及其影响,误差分类（续）按来源分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差和变化接收机钟差接收机噪声,7.2 与信号传播有关的误差电离层折射,地球的大气,由太阳幅射造成气体电离形成电离层。电磁波信号经过电离层速度发生变化。,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,电离层属弥散介质，电磁波在其中传播，其速度与频率有关,电离层折射,码相位在电离层被延迟（群速）载波相位在电离层超前（相速）,电离层折射（续）,C/A码是方波,电离层改正的大小主要取决于电子总量和信号频率,其速度与频率有关,电离层对C/A码影响,在电离层中以群速Vg传播,电离层对载波影响,载波是正弦波在电离层中以相速度传播电离层影响与太阳黑子活动有关与卫星到接收机方向有关，天顶方向最大50m延迟高度角20时150m延迟,影响电子密度和总电子含量的因素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,高度与电子密度的关系,地方时与电子含量的关系,太阳活动情况与电子含量的关系与太阳活动密切相关太阳活动剧烈时，电子含量增加太阳的活动周期约为11年,2002.5.15 1:00 23:00 2小时间隔全球TEC分布,地理位置与电子含量的关系,电离层延迟的改正方法概述经验模型改正双频改正实测模型改正,电离层改正的经验模型Bent模型由美国的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Klobuchar模型特点由美国的J.A.Klobuchar提出描述电离层的时延广泛地用于GPS导航定位中GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用,Klobuchar模型（续）中心电离层,中心电离层示意,Klobuchar模型（续）模型算法,Klobuchar模型（续）模型算法（续）改正效果：可改正60左右,电离层延迟的双频改正,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实测模型局部（区域性）的实测模型改正方法适用范围：用于局部地区的电离层延迟改正,电离层延迟的实测模型改正全球（大范围）的实测模型改正方法适用范围：用于大范围和全球的电离层延迟改正格网化的电离层延迟改正模型,6.2 与信号传播有关的误差对流层折射,地球的大气,对流层延迟和对流层延迟改正定义,对流层延迟和对流层延迟改正（续）大气折射率N与气象元素（温度、气压和湿度）的关系Smith和Weintranb，1954对流层延迟与大气折射率N,霍普菲尔德（Hopfield）改正模型出发点,霍普菲尔德（Hopfield）改正模型（续）对流层折射模型投影函数的修正,萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型原始模型拟合后的公式,勃兰克（Black）改正模型,对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,气象元素的测定气象元素干温、湿温、气压干温、相对湿度、气压水气压es的计算方法由相对湿度RH计算由干温、湿温和气压计算,误差分析模型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,6.2 与信号传播有关的误差多路径误差,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。,应对多路径误差的方法观测上选择合适的测站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)等数据处理上加权参数法滤波法信号分析法,6.3 与卫星有关的误差卫星星历误差,定义由星历所给出的卫星在空间的位置与卫星实际位置之差称为卫星星历误差。在GPS定位导航应用中，卫星星历误差特指GPS卫星的星历误差星历数据来源广播星历（预报星历）：每小时更新一次（导航电文第1、2、3子桢更新时间）精密星历（实测星历）：测后12星期可得到,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,由星历误差引起的基线误差,星历误差,基线长,星站距离,解决星历误差的方法建立卫星跟踪网独立定轨轨道松弛法：平差模型中星历轨道作初始值，改正数为未知数，平差同时求得测站位置和轨道的改正数。常采用：半短弧法：将轨道的径向、切向和法向3个改正数作为未知数短弧法：6个轨道偏差改正数作未知数。同步观测求差：不同测站间同步观测求差,6.3 与卫星有关的误差卫星钟误差,卫星钟误差包括钟差、频偏、频飘和钟的随机误差由卫星的导航电文提供：卫星钟偏差 参考历元 卫星钟差 卫星钟的钟速（或频率偏差）卫星钟的钟速变化率 卫星钟误差经改正后还存在较大残余误差，这部分残余误差可以采用接收机间求差的方法予以消除,6.3 与卫星有关的误差相对论效应,狭义相对论和广义相对论狭义相对论相对运动频移广义相对论引力频移,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,相对论效应对卫星钟的影响（续）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,相对论效应对卫星钟的影响（续）狭义相对论广义相对论,解决相对论效应影响的方法方法（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：,6.4 与接收机有关的误差,主要有：接收机钟误差接收机位置误差天线相位中心偏差几何图形强度误差,接收机钟误差,定义：接收机钟的误差导致定位导航的误差减弱方法将接收机钟差当作独立未知参数，在数据处理中与接收机位置同时求解认为各时刻接收机钟差相关，将接收机钟差表示为时间多项式通过在卫星间求差予以消除,接收机位置误差,定义：接收机天线相位中心经天线高改正后与测点位置的偏差天线置平和对中误差，量取天线高误差,L2的平均相位中心,1,2,L1的平均相位中心,r1,r2,天线相位中心位置的偏差,天线相位中心位置天线的平均相位中心与几何中心：理论上应一致天线平均相位中心的偏差：随信号输入的强度和方向而变化，与理论上的相位中心有差别天线平均相位中心偏差的消除：归心改正、消去法,6.5 其他误差,地球自转的影响地球潮汐改正,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,6.6 小结消除或消弱各种误差影响的方法和措施,消除或消弱各种误差影响的方法和措施,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。所针对的误差源如对流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,消除或消弱各种误差影响的方法和措施,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,消除或消弱各种误差影响的方法和措施,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,思考题,1：影响TEC的因素有哪些？2：狭义相对论和广义相对论效应对卫星钟分别产生怎样的影响？怎样解决？3：应对多路径效应影响的方法有哪些?,本章练习题,1在GPS测量定位中，其主要误差源是什么误差？系统误差主要包括哪几种？2GPS卫星星历误差的实质是什么？3广播星历与实测星历的优缺点？4星历误差对定位的影响有哪些？减弱星历误差影响的途径有几种？5相对论效应是怎样产生的？如何解决？6电离层折射及其影响有哪些？减弱电离层影响的有效措施有几种？7对流层折射及其影响有哪些？减弱对流层影响的有效措施有几种？8多路径效应是什么？怎样防止？9减弱接收机钟差比较有效的方法是什么？10接收机天线的相位中心与其几何中心的区别在哪里？,
