《gps原理及應(yīng)用》 (2)ppt課件

1、 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測繪學(xué)院測繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組GPS原理及其運用原理及其運用 (五五)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用第三章第三章 GPS定位中的誤差源定位中的誤差源3.1 概述概述3.2 鐘誤差鐘誤差3.3 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3.1概述概述GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星軌道誤差 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 與傳播途徑有關(guān)的誤差與傳播途徑有關(guān)的誤差 電離層延遲電離層延遲 對流層延遲對流層延遲 多途徑效應(yīng)多途徑效應(yīng)

2、與接納設(shè)備有關(guān)的誤差與接納設(shè)備有關(guān)的誤差 接納機天線相位中心的偏移和變化接納機天線相位中心的偏移和變化 接納機鐘差接納機鐘差 接納機內(nèi)部噪聲接納機內(nèi)部噪聲GPS丈量誤差的來源丈量誤差的來源GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述 GPS丈量誤差的來源丈量誤差的來源GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS丈量誤差的性質(zhì)丈量誤差的性質(zhì) 偶爾誤差偶爾誤差 內(nèi)容內(nèi)容 衛(wèi)星信號發(fā)生部分的隨機噪聲衛(wèi)星信號發(fā)生部分的隨機噪聲 接納機信號接納處置部分的隨機噪聲接納機信號接納處置部分的隨機噪聲 其它外部某些具有隨機特征的影響其它外部某些具有隨機特征的影響 特點特點 隨機隨機 量級小量級小 毫米級毫米級GPS

3、丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述 GPS丈量誤差的性質(zhì)丈量誤差的性質(zhì)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS丈量誤差的性質(zhì)丈量誤差的性質(zhì) 系統(tǒng)誤差偏向系統(tǒng)誤差偏向 - Bias 內(nèi)容內(nèi)容 其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差 特點特點 具有某種系統(tǒng)性特征具有某種系統(tǒng)性特征 量級大量級大 最大可達數(shù)百米最大可達數(shù)百米GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述 GPS丈量誤差的性質(zhì)丈量誤差的性質(zhì)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS丈量誤差的大小丈量誤差的大小 SPS無無SAGPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述 GPS丈量誤差的大小丈量誤差的大小1-sig

4、ma 誤差，單位 m 誤差來源 偏差 隨機誤差 總誤差 星歷數(shù)據(jù) 2 .1 0.0 2.1 衛(wèi)星鐘 2.0 0.7 2.1 電離層 4.0 0.5 4.0 對流層 0.5 0.5 0.7 多路徑 1.0 1.0 1.4 接收機觀測 0.5 0.2 0.5 用戶等效距離誤差(UERE), rms 5.1 1.4 5.3 濾波后的 UERE，rms 5.1 0.4 5.1 1-sigma 垂直誤差VDOP = 2.5 12.8 1-sigma 水平誤差HDOP = 2.0 10.2 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS丈量誤差的大小丈量誤差的大小 SPS有有SAGPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差

5、源 概述概述 GPS丈量誤差的大小丈量誤差的大小1-sigma 誤差，單位 m 誤差來源 偏差 隨機誤差 總誤差 星歷數(shù)據(jù) 2 .1 0.0 2.1 衛(wèi)星鐘 20.0 0.7 20.0 電離層 4.0 0.5 4.0 對流層 0.5 0.5 0.7 多路徑 1.0 1.0 1.4 接收機觀測 0.5 0.2 0.5 用戶等效距離誤差(UERE), rms 20.5 1.4 20.6 濾波后的 UERE，rms 20.5 0.4 20.5 1-sigma 垂直誤差VDOP = 2.5 51.4 1-sigma 水平誤差HDOP = 2.0 41.1 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS丈量誤差的

6、大小丈量誤差的大小 PPS，雙頻，雙頻，P/Y-碼碼GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述 GPS丈量誤差的大小丈量誤差的大小1-sigma 誤差，單位 m 誤差來源 偏差 隨機誤差 總誤差 星歷數(shù)據(jù) 2 .1 0.0 2.1 衛(wèi)星鐘 2.0 0.7 2.1 電離層 1.0 0.7 1.2 對流層 0.5 0.5 0.7 多路徑 1.0 1.0 1.4 接收機觀測 0.5 0.2 0.5 用戶等效距離誤差(UERE), rms 3.3 1.5 3.6 濾波后的 UERE，rms 3.3 0.4 3.3 1-sigma 垂直誤差VDOP = 2.5 8.3 1-sigma 水平誤差HD

7、OP = 2.0 6.6 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 模型矯正法模型矯正法 原理：利用模型計算出誤差影響的大小，直接對原理：利用模型計算出誤差影響的大小，直接對觀測值進展修正觀測值進展修正 適用情況：對誤差的特性、機制及產(chǎn)生緣由有較適用情況：對誤差的特性、機制及產(chǎn)生緣由有較深化了解，能建立實際或閱歷公式深化了解，能建立實際或閱歷公式 所針對的誤差源所針對的誤差源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 電離層延遲電離層延遲 對流層延遲對流層延遲 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差 限制：有些誤差難以模型化限制：有些誤差難以模型化GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概

8、述概述 消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 改正后的觀測值=原始觀測值+模型改正GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 求差法求差法 原理：經(jīng)過觀測值間一定方式的相互求差，消去原理：經(jīng)過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測值中所包含的一樣或類似的誤差或消弱求差觀測值中所包含的一樣或類似的誤差影響影響 適用情況：誤差具有較強的空間、時間或其它類適用情況：誤差具有較強的空間、時間或其它類型的相關(guān)性。型的相關(guān)性。 所針對的誤差源所針對的誤差源 電離層延遲電離層延遲 對流層延遲對流層延遲 衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星軌道誤差 限制：空

9、間相關(guān)性將隨著測站間間隔的添加而減限制：空間相關(guān)性將隨著測站間間隔的添加而減弱弱GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述 消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 參數(shù)法參數(shù)法 原理：采用參數(shù)估計的方法，將系統(tǒng)性偏向原理：采用參數(shù)估計的方法，將系統(tǒng)性偏向求定出來求定出來 適用情況：幾乎適用于任何的情況適用情況：幾乎適用于任何的情況 限制：不能同時將一切影響均作為參數(shù)來估限制：不能同時將一切影響均作為參數(shù)來估計計GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述 消除或消弱各種誤差影響的

10、方法消除或消弱各種誤差影響的方法 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 逃避法逃避法 原理：選擇適宜的觀測地點，避開易產(chǎn)生誤差的原理：選擇適宜的觀測地點，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測方法；采用特殊的硬件設(shè)環(huán)境；采用特殊的觀測方法；采用特殊的硬件設(shè)備，消除或減弱誤差的影響備，消除或減弱誤差的影響 適用情況：對誤差產(chǎn)生的條件及緣由有所了解；適用情況：對誤差產(chǎn)生的條件及緣由有所了解；具有特殊的設(shè)備。具有特殊的設(shè)備。 所針對的誤差源所針對的誤差源 電磁波干擾電磁波干擾 多途徑效應(yīng)多途徑效應(yīng) 限制：無法完全防止誤差的影響，具有一定的盲限制：無法完

11、全防止誤差的影響，具有一定的盲目性目性GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述 消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3.2 鐘誤差鐘誤差GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差 定義定義物理同步誤差物理同步誤差數(shù)學(xué)同步誤差數(shù)學(xué)同步誤差 應(yīng)對方法應(yīng)對方法 模型矯正模型矯正鐘差矯正多項式鐘差矯正多項式其中其中a0為為ts時辰的時鐘偏向，時辰的時鐘偏向，a1為鐘的漂移，為鐘的漂移，a2為老化率。為老化率。 相對定位或差分定位相對定位或差分定位2210ocsocstttattaasGPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述 衛(wèi)星鐘

12、差衛(wèi)星鐘差GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用接納機鐘差接納機鐘差 定義定義GPS接納機普通采用石英鐘，接納機鐘接納機普通采用石英鐘，接納機鐘與理想的與理想的GPS時之間存在的偏向和漂移。時之間存在的偏向和漂移。 應(yīng)對方法應(yīng)對方法 作為未知數(shù)處置作為未知數(shù)處置 相對定位或差分定位相對定位或差分定位GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 概述概述 接納機鐘差接納機鐘差GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3.3 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 狹義相對論效應(yīng)狹義相對論效應(yīng) 廣義相對論效應(yīng)廣義相對論效應(yīng)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3. 3相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)G

13、PS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用狹義相對論和廣義相對論狹義相對論和廣義相對論 狹義相對論狹義相對論 1905 運動將使時間、空間和物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化運動將使時間、空間和物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化 廣義相對論廣義相對論 1915 將相對論與引力論進展了一致將相對論與引力論進展了一致GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 狹義相對論和廣義相對論狹義相對論和廣義相對論GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響 狹義相對論狹義相對論 原理：時間膨脹。鐘的頻率與其運動速度有關(guān)。原理：時間膨脹。鐘的頻率與其運動速度有關(guān)。 對對GPS衛(wèi)星鐘的影響：衛(wèi)星鐘的影響：

14、 結(jié)論：在狹義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻結(jié)論：在狹義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢率將變慢22 1 2222101 () (1)2238742997924580.835 10sssssssssssVffVVfffccfVffffcGPSVm scm sff 若衛(wèi)星在地心慣性坐標(biāo)系中的運動速度為 ，則在地面頻率為 的鐘若安置到衛(wèi)星上，其頻率 將變?yōu)椋杭磧烧叩念l率差為考慮到衛(wèi)星的平均運動速度和真空中的光速，則GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星

15、鐘的影響 廣義相對論廣義相對論 原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關(guān)原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關(guān) 對對GPS衛(wèi)星鐘的影響：衛(wèi)星鐘的影響： 結(jié)論：在廣義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻結(jié)論：在廣義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快率將變快ffkmkmRsmrRfcfcWWffWWTsTs1022314222210284. 526560637810986005. 3)11(，則衛(wèi)星的地心距近似取，近似取，若地面處的地心距其中為：將的差異與放在地面上時鐘頻率則同一臺鐘放在衛(wèi)星上，為，地面測站處的重力位為若衛(wèi)星所在處的重力位GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 相對論效應(yīng)

16、對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響 相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響 狹義相對論廣義相對論狹義相對論廣義相對論fffff102110449. 4:為上時總的變化量鐘頻率相對于其在地面用下，衛(wèi)星上義相對論效應(yīng)的共同作在狹義相對論效應(yīng)和廣sff1令：令：GPS丈量定位的誤差源丈量定位的誤差源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用處理相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘影響的方法處理相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘影響的方法 方法分兩步：首先思索假定衛(wèi)星軌道為方法分兩步：首先思索假定衛(wèi)星軌道為圓軌道的情況；然后思索衛(wèi)星軌道為橢圓軌圓軌道的情況；然后思索衛(wèi)星軌道為橢圓軌道的情況。道的情況。 第一步：第一步： 第二步：第二步：MHzMHz