GPS原理與應(yīng)用GPS定位誤差源講訴學(xué)習(xí)課程

1、1概概 述述第1頁/共76頁第一頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。pGPSGPS定位中，影響觀測量精度的主要誤差源n與衛(wèi)星有關(guān)的誤差n與信號傳播有關(guān)的誤差n與接收設(shè)備有關(guān)的誤差p 為了便于理解，通常均把各種誤差的影響投影到站星距離上，以相應(yīng)的距離誤差表示，稱為等效距離誤差5.1.1 誤差的分類誤差的分類2第2頁/共76頁第二頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。測碼偽距的等效距離誤差（m）誤差來源誤差來源P碼碼C/A碼碼衛(wèi)星衛(wèi)星星歷與模型誤差星歷與模型誤差鐘差與穩(wěn)定度鐘差與穩(wěn)定度衛(wèi)星攝動(dòng)衛(wèi)星攝動(dòng)相位不確定性相位不確定性其它其它合計(jì)合計(jì)4.23.01.04.23.01.00

2、.50.95.4信號傳播信號傳播電離層折射電離層折射對流層折射對流層折射多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng)其它其它合計(jì)合計(jì)2.32.05.0-10.02.0-10.3接收機(jī)接收機(jī)接收機(jī)噪聲接收機(jī)噪聲其它其它合計(jì)合計(jì)1.00.57.5總計(jì)總計(jì)6.410.8-13.6第3頁/共76頁第三頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p（1 1）系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差：主要包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收：主要包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、以及大氣折射的誤差等。為了減弱和修正系統(tǒng)誤差對機(jī)鐘差、以及大氣折射的誤差等。為了減弱和修正系統(tǒng)誤差對觀測量的影響，一般根據(jù)

3、系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因而采取不同的措觀測量的影響，一般根據(jù)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因而采取不同的措施，包括：施，包括：n 引入相應(yīng)的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其它未知參數(shù)一并求解。n 建立系統(tǒng)誤差模型，對觀測量加以修正。n將不同觀測站，對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱和消除系統(tǒng)誤差的影響。n簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。p（2 2）偶然誤差偶然誤差：包括多路徑效應(yīng)誤差和觀測誤差等。：包括多路徑效應(yīng)誤差和觀測誤差等。n選用較好的硬件和觀測條件選用較好的硬件和觀測條件n 延長觀測時(shí)間延長觀測時(shí)間5.1.1 誤差的分類（根據(jù)誤差的性質(zhì)分類）誤差的分類（根據(jù)誤差的性質(zhì)分類）4第4頁/共76頁第四頁，編輯于星期五

4、：二十一點(diǎn) 五十七分。5與衛(wèi)星有關(guān)的誤差與衛(wèi)星有關(guān)的誤差第5頁/共76頁第五頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。pGPS觀測量均以精密測時(shí)為依據(jù)。pGPS定位中，無論碼相位觀測還是載波相位觀測，都要求衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘保持嚴(yán)格同步。p實(shí)際上，盡管衛(wèi)星上設(shè)有高精度的原子鐘，仍不可避免地存在鐘差和漂移，偏差總量約在1 ms內(nèi)，引起的等效距離誤差可達(dá)300km。5.2.1 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差6第6頁/共76頁第六頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p通過對衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測精確地確定，參數(shù)由主控站測定，通過衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶,并用二階多項(xiàng)式表示： 5.2.1 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差2012()(

5、)joeoetaa tta tt7衛(wèi)星鐘鐘速鐘差常值衛(wèi)星鐘的鐘速變率參考?xì)v元第7頁/共76頁第七頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。 經(jīng)鐘差模型改正后，各衛(wèi)星鐘之間的同步差保持在510ns以內(nèi)，引起的等效距離偏差不超過3m。p通過精密星歷獲得精確的衛(wèi)星鐘差值n e.g. PPP應(yīng)用，IGS給出0.1nsp衛(wèi)星鐘經(jīng)過改正的殘差，在相對定位中，可通過觀測量求差（差分）方法消除。5.2.1 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差8第8頁/共76頁第八頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。 3.4 GPS衛(wèi)星星歷p 衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息，是一組對應(yīng)某一時(shí)刻的軌道根數(shù)及其變率。p 根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計(jì)算出任一時(shí)刻

6、的衛(wèi)星位置及其速度，精密的軌道信息是精密定位的基礎(chǔ)。p GPS衛(wèi)星星歷按照發(fā)布的時(shí)間n預(yù)報(bào)星歷（廣播星歷）n后處理星歷（精密星歷）95.2.2 衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）第9頁/共76頁第九頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p由于衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)中受多種攝動(dòng)力的復(fù)雜影響，而通過地面監(jiān)測站又難以可靠地測定這些作用力并掌握其作用規(guī)律，因此，衛(wèi)星軌道誤差的估計(jì)和處理一般較困難。p目前，通過導(dǎo)航電文所得的衛(wèi)星軌道信息，相應(yīng)的位置誤差約10m左右。p隨著攝動(dòng)力模型和定軌技術(shù)的不斷完善，衛(wèi)星的位置精度將可提高到5m左右,精密軌道的精度為5cm以內(nèi)p衛(wèi)星的軌道誤差是當(dāng)前GPS定位的重要誤

7、差來源之一5.2.2 衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）10第10頁/共76頁第十頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p衛(wèi)星軌道偏差對絕對定位的影響可達(dá)幾十米到一百米。p而在相對定位中，由于相鄰測站星歷誤差具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此對相對定位的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對絕對定位的影響。不過，隨著基線距離的增加，衛(wèi)星軌道偏差引起的基線誤差將不斷加大。5.2.2 衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）11第11頁/共76頁第十一頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。dbbdbb101415.2.2 衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）12 星歷誤差對相對定位的影響一般采用下星

8、歷誤差對相對定位的影響一般采用下列公式估算：列公式估算：衛(wèi)星星歷誤差所引起的基線誤差基線長星歷誤差衛(wèi)星至測站的距離第12頁/共76頁第十二頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分?；€長度基線長度基線相對誤差基線相對誤差容許軌道誤差容許軌道誤差1.0km110-5250.0m10.km110-625.0m100.0km110-72.5m1000.0km110-80.25m5.2.2 衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）13n GPS衛(wèi)星到地面觀測站的最大距離約為25000km，基線測量的允許誤差為1cm，則當(dāng)基線長度不同時(shí)，允許的軌道誤差大致如下表所示。n可見，在相對定位中，隨著基線長

9、度的增加，衛(wèi)星軌道在相對定位中，隨著基線長度的增加，衛(wèi)星軌道誤差將成為影響定位精度的主要因素。誤差將成為影響定位精度的主要因素。第13頁/共76頁第十三頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。在GPSGPS定位中，根據(jù)不同要求，處理軌道誤差方法: :p忽略軌道誤差：廣泛用于實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位。p采用精密星歷 ：e.g. IGSe.g. IGSp同步觀測值求差：由于同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量的影響具有系統(tǒng)性。利用兩個(gè)或多個(gè)觀測站上對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可減弱軌道誤差影響。當(dāng)基線較短時(shí)，有效性尤其明顯，而對精密相對定位，也有極其重要意義。5.2.2 衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）衛(wèi)星軌道偏差

10、（星歷誤差）14第14頁/共76頁第十四頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p采用軌道改進(jìn)法處理觀測數(shù)據(jù)：衛(wèi)星軌道的偏差由各種攝動(dòng)力綜合作用產(chǎn)生，在對衛(wèi)星軌道攝動(dòng)進(jìn)行修正時(shí)，所采用的各攝動(dòng)力模型精度也不一樣。p根據(jù)引入軌道偏差改正數(shù)的不同，分為n 短弧法：引入全部6個(gè)軌道偏差改正，作為待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中與其它待估參數(shù)一并求解?？擅黠@減弱軌道偏差影響，但計(jì)算工作量大。n半短弧法：根據(jù)攝動(dòng)力對軌道參數(shù)的不同影響，只對其中影響較大的參數(shù)（如軌道切向、徑向和法向），引入相應(yīng)的改正數(shù)作為待估參數(shù)。據(jù)分析，目前該法修正的軌道偏差不超過10m，而計(jì)算量明顯減小。5.2.2 衛(wèi)星軌道偏差（星歷誤差）衛(wèi)星

11、軌道偏差（星歷誤差）15第15頁/共76頁第十五頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。16與衛(wèi)星信號傳播有關(guān)與衛(wèi)星信號傳播有關(guān)的誤差的誤差第16頁/共76頁第十六頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。5.3.1 大氣層與電磁波大氣層與電磁波 地球大氣結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)地球大氣結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)p 對流層對流層n 0 040km40kmn 各種氣體元素、水蒸氣和各種氣體元素、水蒸氣和塵埃等塵埃等n 非彌散介質(zhì)（電磁波的傳非彌散介質(zhì)（電磁波的傳播速度與頻率無關(guān)）播速度與頻率無關(guān)）p 電離層電離層n 約約70km70km以上以上n 帶電粒子帶電粒子n 彌散介質(zhì)（電磁波的傳播彌散介質(zhì)（電磁波的傳播速度與頻率有關(guān)）

12、速度與頻率有關(guān)）60101 nN17第17頁/共76頁第十七頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p彌散介質(zhì)：根據(jù)大氣物理學(xué)，如果電磁波在某種介質(zhì)中的傳播速度與頻率有關(guān)，則該介質(zhì)成為彌散介質(zhì)。p群波：如果把具有不同頻率的多種波疊加，所形成的復(fù)合波稱為群波。p在具有速度彌散現(xiàn)象的介質(zhì)中，單一頻率正弦波的傳播與群波的傳播是不同的。5.3.1 大氣層與電磁波大氣層與電磁波 18第18頁/共76頁第十八頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p信號傳播n 非彌散介質(zhì)對流層與大氣壓力、溫度、濕度有關(guān)n 彌散介質(zhì)電離層與電子密度有關(guān)n 單一相波載波相位n 群波測距碼5.3.1 大氣層與電磁波大氣層與電磁波

13、19第19頁/共76頁第十九頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p在電離層中，由于太陽和其它天體的強(qiáng)烈輻射，大部分氣體分子被電離，產(chǎn)生了密度很高的自由電子，在離子化的大氣中，單一頻率正弦波相折射率的彌散公式： 式中e et t為電荷量（庫侖）， m me e為電荷質(zhì)量（kgkg）， N Ne e為電子密度(m(m3)3)， 0 0為真空介質(zhì)常數(shù)( (庫侖2 2/ /牛頓m m2 2） 21022241etepmfeNn5.3.2 電離層的影響與改正電離層的影響與改正 20第20頁/共76頁第二十頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p相折射率的彌散公式： 式中et為電荷量/c，me為電荷質(zhì)量

14、/kg，Ne為電子密度/m-3， 0為真空介質(zhì)常數(shù)/c2kg-1m-3s2。 當(dāng)取常數(shù)值et=1.6021 10-19， me=9.11 10-31， 0=8.859 10-12， 并略去二次微小項(xiàng)，可得：21022241etepmfeNn228.401fNnep5.3.2 電離層的影響與改正電離層的影響與改正 21第21頁/共76頁第二十一頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。228.401fNnegp在電離層中，單一頻率正弦波相折射率的彌散公式，并略去二次微小項(xiàng)，可得：p根據(jù)群折射率與相折射率的關(guān)系，可得 228.401fNnep23232228.401)28.40(228.40-1)12

15、(28.40-128.40-28.40-1fNnfNffNfnfnnfNffNffNfnfnfnnegeeppgeeepppg）（）（）（5.3.2 電離層的影響與改正電離層的影響與改正 22第22頁/共76頁第二十二頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p相折射率與群折射率：n 相折射率np與群折射率ng二者不同n 當(dāng)f f確定后，n n取決于 N Ne e；n 載波相位和碼相位修正量分別采用n np p和n ng gp當(dāng)電磁波沿天頂方向通過電離層時(shí)，由于折射率的變化而引起的傳播路徑距離差和相位延遲，一般可寫為：(1),(1)sscndsndsf221 40.28,140.28eepgNNn

16、nff 5.3.2 電離層的影響與改正電離層的影響與改正 23第23頁/共76頁第二十三頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。稱為總電子含量，則令為所造成的距離延遲電離層折射對群波相位為遲波相位所造成的距離延電離層折射對單一正弦NNcfctNfNcfctNfdsNNdsNfdsfNdsdsfNdsdsndsNfdsfNdsdsfNdsdsngggpppeeeegggeeeppp2222220202202028.4028.4028.4028.4028.40)28.40()28.401 (28.40)28.40- ()28.40-1 (5.3.2 電離層的影響與改正電離層的影響與改正 第24頁/共

17、76頁第二十四頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p由由相折射率和和群折射率引起的路徑傳播誤差引起的路徑傳播誤差( (m) )和和時(shí)間延遲時(shí)間延遲( (ns) )分別為分別為27227240.281.3436 1040.281.3436 10ppggNfNtfNfNtf 5.3.2 電離層的影響與改正電離層的影響與改正 25電離層地球柱體底面積為1 m2N第25頁/共76頁第二十五頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。5.3.2 電離層的影響與改正電離層的影響與改正 26載波相位測量與偽距測量的電離層改正大小相等、符號相反載波相位測量與偽距測量的電離層改正大小相等、符號相反電離層產(chǎn)生的各延遲

18、量，為信號頻率和電子總量的函數(shù)電離層產(chǎn)生的各延遲量，為信號頻率和電子總量的函數(shù) 當(dāng)信號頻率當(dāng)信號頻率f f確定后，取決于確定后，取決于電子總量電子總量 N N 電離層的電子密度與以下因素有關(guān)：電離層的電子密度與以下因素有關(guān)： 太陽輻射強(qiáng)度太陽輻射強(qiáng)度，尤其太陽黑子活動(dòng)強(qiáng)度（活動(dòng)高峰期為低峰期，尤其太陽黑子活動(dòng)強(qiáng)度（活動(dòng)高峰期為低峰期4 4倍）倍） 季節(jié)季節(jié)（冬季與夏季相差可達(dá)（冬季與夏季相差可達(dá)4 4倍）倍） 時(shí)間時(shí)間 （白天約為夜間的（白天約為夜間的5 5倍）倍） 偏離天頂方向偏離天頂方向 e.g.e.g.沿天頂方向沿天頂方向50m50m，沿水平方向最大可達(dá)，沿水平方向最大可達(dá)150m150

19、m第26頁/共76頁第二十六頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。電子密度與大氣高度的關(guān)系電子密度與大氣高度的關(guān)系5.3.2 電離層的影響與改正電離層的影響與改正 27第27頁/共76頁第二十七頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。電子含量與地方時(shí)的關(guān)系電子含量與地方時(shí)的關(guān)系5.3.2 電離層的影響與改正電離層的影響與改正 28第28頁/共76頁第二十八頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。電子含量與太陽活動(dòng)情況的關(guān)系電子含量與太陽活動(dòng)情況的關(guān)系p與太陽活動(dòng)密切相關(guān)，太陽活動(dòng)劇烈時(shí)，電子含量增加p太陽活動(dòng)周期約為11年1700年年 1995年太陽黑子數(shù)年太陽黑子數(shù)29第29頁/共76頁第二十九

20、頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。電子含量與地理位置的關(guān)系電子含量與地理位置的關(guān)系2002.5.15 0:00 24:00 2小時(shí)間隔全球小時(shí)間隔全球TEC分布分布30第30頁/共76頁第三十頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p利用雙頻觀測n方法：利用不同頻率電磁波信號進(jìn)行觀測，對觀測量加以修正。n改正效果：其有效率不低于95%p 利用電離層模型加以改正n方法：對單頻接收機(jī)，由導(dǎo)航電文提供的或其它適宜電離層模型對觀測量進(jìn)行改正。n效果：目前模型改正的有效率約為75%，仍在完善p 利用同步觀測值求差n方法：當(dāng)觀測站間的距離較近（小于20km）時(shí)，衛(wèi)星信號到達(dá)不同觀測站的路徑相近，通過同步

21、求差，殘差不超過10-6。n效果：改正效果最好5.3.2 電離層的改正電離層的改正 - 方法分類方法分類 31第31頁/共76頁第三十一頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。32電離層延遲的雙頻改正電離層延遲的雙頻改正54573. 254573. 13928. 06469. 015412015412012015421,28.4021212222222121222122222211212221222222212122212221212221222211212ffffffffffAffffAffffAfAfAfAfASSPLPLfANAg即：得：則：實(shí)際的站星幾何距離為碼所測定的站星距離為上的采用

22、碼所測定的站星距離為上的采用設(shè)：，即有電離層延遲改正令第32頁/共76頁第三十二頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喗殡婋x層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喗?Bent模型 由美國的R.B.Bent提出 描述電子密度 是經(jīng)緯度、時(shí)間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù) 國際參考電離層模型（IRI International Reference Ionosphere） 由國際無線電科學(xué)聯(lián)盟（URSI International Union of Radio Science）和空間研究委員會(huì)（COSPAR - Committee on Space Research）提出 描述高度為50km-2000

23、km的區(qū)間內(nèi)電子密度、電子溫度、電離層溫度、電離層的成分等 以地點(diǎn)、時(shí)間、日期等為參數(shù)第33頁/共76頁第三十三頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喗殡婋x層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喗?Klobuchar(克羅布歇)模型 由美國的J.A.Klobuchar提出 描述電離層的時(shí)延 廣泛地用于GPS導(dǎo)航定位中 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中播發(fā)其模型參數(shù)供用戶使用第34頁/共76頁第三十四頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。Klobuchar模型模型 中心電離層電離層地球約350km中心電離層電離層穿刺點(diǎn) IP天頂方向Z第35頁/共76頁第三十五頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。Klo

24、buchar模型模型 模型算法930302sec5 10cos(14 );(0,1,2,3)(0,1,2,3)hgiimiiimiiimTZAtPAPiiIP信號的電離層穿刺點(diǎn)處天頂方向的電離層時(shí)延其中：；由衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文提供；為信號的電離層穿刺點(diǎn)處的地磁緯度，可采用下面步驟計(jì)算電離層地球約 350km中心電離層電離層穿刺點(diǎn)IP天頂方向Z第36頁/共76頁第三十六頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。Klobuchar模型模型 模型算法（續(xù)） 改正效果：可改正60左右445()4 ,20,cossincos291.078.411.6 cos(291.0 )15secIPIPIPSIPSS

25、mIPIPIPSIPEAelelIPEAaaEAatIPtUTZIP 計(jì)算測站 和在點(diǎn)心的夾角：為測站處衛(wèi)星的高度角計(jì)算點(diǎn)的地心經(jīng)緯度：；為衛(wèi)星的方位角考慮到目前地磁北極位于東經(jīng)，北緯有為處的地方時(shí)為衛(wèi)星信號在處的天頂距：39612 ()90elZ 地地第37頁/共76頁第三十七頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。5.3.3 對流層的影響與改正對流層的影響與改正 38第38頁/共76頁第三十八頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。5.3.3 對流層的影響與改正對流層的影響與改正 p在對流層中，折射率略大于在對流層中，折射率略大于1 1，隨著高度的增加逐漸，隨著高度的增加逐漸減小：減?。簄 當(dāng)

26、接近對流層頂部時(shí)，其值接近于當(dāng)接近對流層頂部時(shí)，其值接近于1 1。n對流層的折射影響，在天頂方向（高度角對流層的折射影響，在天頂方向（高度角90900 0）可產(chǎn)生）可產(chǎn)生2.3m2.3m的電磁波傳播路徑誤差的電磁波傳播路徑誤差n 當(dāng)高度角為當(dāng)高度角為10100 0時(shí)，傳播路徑誤差可達(dá)時(shí)，傳播路徑誤差可達(dá)20m20m。在精密定位中。在精密定位中，對流層的影響必須顧及。，對流層的影響必須顧及。p對流層的折射率與對流層的折射率與大氣壓力、溫度大氣壓力、溫度和和濕度濕度關(guān)系密切關(guān)系密切n 變化復(fù)雜，對變化復(fù)雜，對n n的變化和影響，難以精確模型化。的變化和影響，難以精確模型化。39第39頁/共76頁第

27、三十九頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。對流層延遲對流層延遲(tropospheric delay)tropospheric delay)00( 1) (1)1 (1)1 (1)(1)(1)1(1( 1)1Kkttttktttskkkcvnnrefractiveindex of atmosphereccvdtdtdtcn dtnncndtcdtc ndtctndsxxx 稱為大氣折射系數(shù)（）設(shè)為信號傳播的真實(shí)距離，則當(dāng)時(shí)，有故：稱6(1)(1)(1) 10ssndsndsNnatmospheric refractivity：為對流層延遲，對流層改正。通常令：，稱其為大氣折射率（）第40頁/

28、共76頁第四十頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。大氣折射率大氣折射率N與氣象元素的關(guān)系與氣象元素的關(guān)系 大氣折射率N與溫度、氣壓和濕度的關(guān)系 Smith和Weintranb，1954 對流層延遲與大氣折射率N。為水氣壓，單位；單位為氣溫，為絕對溫度，；為大氣壓，單位稱為濕氣分量；稱為干氣分量；mbareKTmbarPNNTeTPNNNwdwd248106 .776 .77swsdsdsNdsNNdss161616101010第41頁/共76頁第四十一頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分?；羝辗茽柕拢ɑ羝辗茽柕拢℉opfield）改正模型）改正模型 對流層折射模型為水氣壓的協(xié)議高度）（對流層

29、濕項(xiàng)偏差改正對流層外邊緣高度）（swsdswsswsdssdwdwdehThhheTKhhTPKEKEKsss11000(16.27372.14840136)(4810102 .155)(102 .155)25. 2sin()25. 6sin(277212212第42頁/共76頁第四十二頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。薩斯塔莫寧（薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型）改正模型 原始模型有關(guān)，可查表獲得。和與有關(guān)，可查表獲得；與其中：sssssssshERhBhhWRhWEtgBeTPEs00028. 02cos0026. 01),(),()05. 01255(sin002277

30、. 02第43頁/共76頁第四十三頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。薩斯塔莫寧（薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型）改正模型 擬合后的公式283210716. 01015. 016. 1)4810(16)05. 01255(sin002277. 0sssssssshhactgEeTPTEEEEEtgaeTPEs其中：第44頁/共76頁第四十四頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。勃蘭克（勃蘭克（Black）改正模型）改正模型20. 0)69. 3(002312. 013000)96. 3(98.148)6 . 0(92. 1)273(00015. 0076. 0833. 0)(

31、)1 (1cos(1)()1 (1cos(1123 . 002020wsssdwsdEswwsddKTPTKhThEbTlEbhhlEKEbhhlEKs其中：第45頁/共76頁第四十五頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。對流層改正模型綜述對流層改正模型綜述 不同模型所算出的高度角30以上方向的延遲差異不大 Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式 Saastamoinen模型與Hopfield模型的差異要大于Black模型與Hopfield模型的差異第46頁/共76頁第四十六頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。氣象元素的測定氣象元素的測定 氣象元素 干溫、濕溫、氣壓 干溫、相

32、對濕度、氣壓 測定方法 普通儀器：通風(fēng)干濕溫度表、空盒氣壓計(jì) 自動(dòng)化的電子儀器第47頁/共76頁第四十七頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。氣象元素的測定氣象元素的測定 水氣壓es的計(jì)算方法 由相對濕度RH計(jì)算 由干溫、濕溫和氣壓計(jì)算)000256908. 0213166. 02465.37(2sTsTeReHssPwTsTwTweseWTgWTgWTgwTgwTgeTeww)()31068. 11 (4105 . 4)(3)(2)(1)()(02808. 5)16.373(246.10131)16.3731 (1205.26) 116.373(03945. 87321101813. 3)(

33、)1 (0187265. 0)() 116.373(19728.18)(wTwTeTgeTgTTgwwww第48頁/共76頁第四十八頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。對流層模型改正的誤差分析對流層模型改正的誤差分析 模型誤差 模型本身的誤差 氣象元素誤差 量測誤差 儀器誤差 讀數(shù)誤差 測站氣象元素的代表性誤差 實(shí)際大氣狀態(tài)與大氣模型間的差異第49頁/共76頁第四十九頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p分為干分量和濕分量：n干分量主要與大氣溫度和壓力有關(guān)n濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度和高度有關(guān)，濕分量的影響尚無法準(zhǔn)確確定。p對流層影響的處理方法：n定位精度要求不高時(shí)，忽略不計(jì)n采

34、用對流層模型加以改正n引入描述對流層的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解n觀測量求差對流層的影響與改正對流層的影響與改正小結(jié)小結(jié) 50第50頁/共76頁第五十頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p目前采用的各種對流層模型，即使應(yīng)用實(shí)時(shí)測量的氣象資料，電磁波的傳播路徑，經(jīng)過對流層折射改正后的殘差，仍保持在對流層影響的5%5%左右。p減弱對流層折射改正項(xiàng)殘差影響主要措施：n 充分地掌握觀測站周圍地區(qū)的實(shí)時(shí)氣象資料n利用水汽輻射計(jì)，準(zhǔn)確地測定電磁波傳播路徑上的水汽積累量，以便精確的計(jì)算大氣濕分量的改正項(xiàng)。但設(shè)備龐大價(jià)格昂貴，難以普遍采用n當(dāng)基線較短時(shí)(20km)(20km)，穩(wěn)定的大氣條件下，利用差分

35、法來減弱大氣折射的影響n完善對流層大氣折射的改正模型對流層的影響與改正對流層的影響與改正小結(jié)小結(jié) 51第51頁/共76頁第五十一頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p接收機(jī)天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號。兩種信號迭加，將引起測量參考點(diǎn)位置變化，使觀測量產(chǎn)生誤差。n在一般反射環(huán)境下，對測碼偽距的影響達(dá)米級，對測相偽距影響達(dá)厘米級。n 在高反射環(huán)境中，影響顯著增大，且常常導(dǎo)致衛(wèi)星失鎖和產(chǎn)生周跳5.3.4 多路徑效應(yīng)（多路徑誤差）多路徑效應(yīng)（多路徑誤差） 52第52頁/共76頁第五十二頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。反射波反射波 反射波的幾何

36、特性 反射波的物理特性 反射系數(shù)a 極化特性 GPS信號為右旋極化 反射信號為左旋極化zHzHzzHzzHzGAzGAGAOAGAsin42sin2)sin21 (1 (sin)2cos1 (sin)2cos1 (2cos2為：號的相位差反射信號相對于直接信為：號多經(jīng)過的路徑長度反射信號相對于直接信第53頁/共76頁第五十三頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。多路徑誤差多路徑誤差 受多路徑效應(yīng)影響的情況下的接收信號tUtUtUtUtUStUatUatUatUatUtUatUSSStUaStUSrdrdsin)sin(cos)cos(sinsincoscos)cos(sin)sin(cos)c

37、os1 (sinsincoscoscos)cos(cos)cos(cos為：因?yàn)榻邮招盘栆部杀硎緦?shí)際接收信號：反射信號：直接信號：第54頁/共76頁第五十四頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。)cos1sin(cos1sincos21)sin()cos()cos21 (sin)cos(cos21 (sincos1sinsincoscos1222222222aaarctgaatgaaaaaaaaaaa得：除以第二式，有將上面兩式中的第一式得：）（）（）（有對上面兩式求平方和，則有：多路徑誤差多路徑誤差第55頁/共76頁第五十五頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。多路徑誤差多路徑誤差 多路徑的

38、數(shù)值特性 受多個(gè)反射信號影響的情況aaaaaaaaaaaaaddarcsin;)arccos(0)sincos1)(cos1 (cos)cos1 (sincos)cos1 ()cos1sin(11max2222取得極值時(shí)，則，當(dāng))cos1sin(11niiiniiiaaarctg第56頁/共76頁第五十六頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。多路徑誤差的多路徑誤差的特點(diǎn)特點(diǎn) 與測站環(huán)境有關(guān) 與反射體性質(zhì)有關(guān) 與接收機(jī)結(jié)構(gòu)、性能有關(guān)第57頁/共76頁第五十七頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。應(yīng)對多路徑誤差的方法應(yīng)對多路徑誤差的方法 觀測上 選擇合適的測站，避開易產(chǎn)生多路徑的環(huán)境易發(fā)生多路徑的

39、環(huán)境易發(fā)生多路徑的環(huán)境第58頁/共76頁第五十八頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。應(yīng)對多路徑誤差的方法應(yīng)對多路徑誤差的方法 硬件上 采用抗多路徑誤差的儀器設(shè)備 抗多路徑的天線：帶抑徑板或抑徑圈的天線，極化天線 抗多路徑的接收機(jī)：窄相關(guān)技術(shù)MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等抗多路徑效應(yīng)的天線抗多路徑效應(yīng)的天線第59頁/共76頁第五十九頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p安置接收機(jī)天線的環(huán)境應(yīng)避開較強(qiáng)發(fā)射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。p 選擇造型適宜且屏蔽良好的天線如扼流圈天線。p 適當(dāng)延長觀測時(shí)間，削弱周期性影響。p 改善接收

40、機(jī)的電路設(shè)計(jì)。應(yīng)對多路徑誤差的方法小結(jié)60第60頁/共76頁第六十頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。61與接收設(shè)備有關(guān)的誤差與接收設(shè)備有關(guān)的誤差第61頁/共76頁第六十一頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p主要包括觀測誤差、接收機(jī)鐘差、天線相位中心誤主要包括觀測誤差、接收機(jī)鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不確定性影響。差和載波相位觀測的整周不確定性影響。（1 1）觀測誤差觀測誤差：分辨誤差：分辨誤差、安置誤差。安置誤差。p分辨誤差一般認(rèn)為約為信號波長的分辨誤差一般認(rèn)為約為信號波長的1%1%。p安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線相位中心高安置誤差主要有天線的置平與對中

41、誤差和量取天線相位中心高度（天線高）誤差。度（天線高）誤差。n例如當(dāng)天線高例如當(dāng)天線高1.6m ,1.6m ,置平誤差置平誤差0.10.10 0，則對中誤差為，則對中誤差為2.8mm2.8mm。5.4.1 觀測誤差觀測誤差 62第62頁/共76頁第六十二頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。碼相位與載波相位的分辨誤差信號波長觀測誤差P碼29.3m0.3mC/A碼293m2.9m載波L119.05cm2.0mm載波L224.45cm2.5mm5.4.1 觀測誤差觀測誤差 63第63頁/共76頁第六十三頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。pGPSGPS接收機(jī)一般設(shè)有高精度的接收機(jī)一般設(shè)有高精度的

42、石英鐘石英鐘，日頻率穩(wěn)定度，日頻率穩(wěn)定度約為約為1010-11-11。如果接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步差為。如果接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步差為1 1 s s，則引起的等效距離誤差為則引起的等效距離誤差為300m300m。p處理接收機(jī)鐘差的方法：處理接收機(jī)鐘差的方法：n作為作為未知數(shù)未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解。，在數(shù)據(jù)處理中求解。n利用觀測值利用觀測值求差求差方法，減弱接收機(jī)鐘差影響。方法，減弱接收機(jī)鐘差影響。n定位精度要求較高時(shí)，可采用定位精度要求較高時(shí)，可采用外接頻標(biāo)外接頻標(biāo)，如銣、銫原子鐘，如銣、銫原子鐘，提高接收機(jī)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)精度。提高接收機(jī)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)精度。5.4.2 接收機(jī)鐘差接收機(jī)鐘差 64第

43、64頁/共76頁第六十四頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p無法直接確定載波相位相應(yīng)起始?xì)v元在傳播路徑無法直接確定載波相位相應(yīng)起始?xì)v元在傳播路徑上變化的整周數(shù)。上變化的整周數(shù)。p同時(shí)存在因衛(wèi)星信號被阻擋和受到干擾，而產(chǎn)生信號跟同時(shí)存在因衛(wèi)星信號被阻擋和受到干擾，而產(chǎn)生信號跟蹤中斷和整周變跳。蹤中斷和整周變跳。5.4.3 載波相位觀測的整周未知數(shù)載波相位觀測的整周未知數(shù) 65第65頁/共76頁第六十五頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。pGPSGPS定位中，觀測值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為定位中，觀測值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)，在理論上，天線相位中心與儀器的幾何中心應(yīng)保持一

44、準(zhǔn)，在理論上，天線相位中心與儀器的幾何中心應(yīng)保持一致。致。p實(shí)際上，隨著信號輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，同時(shí)與天實(shí)際上，隨著信號輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，同時(shí)與天線的質(zhì)量有關(guān)，可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米線的質(zhì)量有關(guān)，可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米p現(xiàn)在已經(jīng)有儀器生產(chǎn)廠家提供具體改正數(shù)現(xiàn)在已經(jīng)有儀器生產(chǎn)廠家提供具體改正數(shù) 北 幾何中心 平均相位中心 5.4.1 天線相位中心位置偏差天線相位中心位置偏差 66第66頁/共76頁第六十六頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。67其他誤差來源其他誤差來源第67頁/共76頁第六十七頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。p地球自轉(zhuǎn)影響地球自轉(zhuǎn)影響：當(dāng)衛(wèi)星信號傳播到觀

45、測站時(shí)，與地球相：當(dāng)衛(wèi)星信號傳播到觀測站時(shí)，與地球相固聯(lián)的協(xié)議地球坐標(biāo)系相對衛(wèi)星的瞬時(shí)位置已產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)固聯(lián)的協(xié)議地球坐標(biāo)系相對衛(wèi)星的瞬時(shí)位置已產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)（繞（繞Z Z軸）。若取軸）。若取 為地球的自轉(zhuǎn)速度，則旋轉(zhuǎn)的角為地球的自轉(zhuǎn)速度，則旋轉(zhuǎn)的角度為度為 = = ijij。 ijij為衛(wèi)星信號傳播到觀測站的時(shí)間延為衛(wèi)星信號傳播到觀測站的時(shí)間延遲。由此引起衛(wèi)星在上述坐標(biāo)系中坐標(biāo)的變化為：遲。由此引起衛(wèi)星在上述坐標(biāo)系中坐標(biāo)的變化為：jjjZYXZYX00000sin0sin05.5.1 地球自轉(zhuǎn)的影響地球自轉(zhuǎn)的影響 68第68頁/共76頁第六十八頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。5.5.2 相對論效

46、應(yīng) 狹義相對論 1905 運(yùn)動(dòng)將使時(shí)間、空間和物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化 廣義相對論 1915 將相對論與引力論進(jìn)行了統(tǒng)一1879.3.141955.4.18第69頁/共76頁第六十九頁，編輯于星期五：二十一點(diǎn) 五十七分。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 原理：時(shí)間膨脹。鐘的頻率與其運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。 對GPS衛(wèi)星鐘的影響： 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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度和真空中的光速，則