第三章GPS定位中的誤差源2

1、 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院測(cè)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原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 ( (六六) )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3.4 衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差3.5 電離層延遲電離層延遲GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3.4 衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3. 4衛(wèi)星星歷（軌道）誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差 定義定義由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星在空間的位置與衛(wèi)星由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星在空間的位置與衛(wèi)星的實(shí)際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。的實(shí)際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。廣播星歷（預(yù)報(bào)星歷）的精度廣播星歷（預(yù)

2、報(bào)星歷）的精度(無無SA) 2030米米(有有SA) 100米米精密星歷（后處理星歷）的精度精密星歷（后處理星歷）的精度可達(dá)可達(dá)1厘米厘米應(yīng)對(duì)方法應(yīng)對(duì)方法精密定軌精密定軌(后處理后處理)相對(duì)定位或差分定位相對(duì)定位或差分定位GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 衛(wèi)星星歷（軌道）誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用dbdsb 星歷誤差對(duì)單點(diǎn)定位的影響星歷誤差對(duì)單點(diǎn)定位的影響 星歷誤差對(duì)單點(diǎn)定位的影響主要取決于衛(wèi)星到星歷誤差對(duì)單點(diǎn)定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機(jī)的距離以及用于定位或?qū)Ш降慕邮諜C(jī)的距離以及用于定位或?qū)Ш降腉PS衛(wèi)星衛(wèi)星與接收機(jī)構(gòu)成的幾何圖形與接收機(jī)構(gòu)成的幾何圖形 星

3、歷誤差對(duì)相對(duì)定位的影響星歷誤差對(duì)相對(duì)定位的影響GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 衛(wèi)星星歷（軌道）誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3.5 電離層延遲電離層延遲GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3. 5 電離層延遲電離層延遲GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲電離層地球TEC柱體底面積為1m2GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用地球大氣結(jié)構(gòu)地球大氣結(jié)構(gòu)地球大氣層的結(jié)構(gòu)地球大氣層的結(jié)構(gòu)GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 地球大氣結(jié)構(gòu)地球大氣結(jié)構(gòu)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用大氣折射效應(yīng)大氣折射效應(yīng) 大氣折射大氣折射 信號(hào)在穿過大氣時(shí)

4、，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)信號(hào)在穿過大氣時(shí)，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。也稱生彎曲。也稱大氣延遲大氣延遲。在。在GPS測(cè)量定位中，通常僅考測(cè)量定位中，通常僅考慮信號(hào)傳播速度的變化。慮信號(hào)傳播速度的變化。 色散介質(zhì)與非色散介質(zhì)色散介質(zhì)與非色散介質(zhì) 色散介質(zhì)：對(duì)不同頻率的信號(hào)，所產(chǎn)生的折射效應(yīng)也不色散介質(zhì)：對(duì)不同頻率的信號(hào)，所產(chǎn)生的折射效應(yīng)也不同同 非色散介質(zhì)：對(duì)不同頻率的信號(hào)，所產(chǎn)生的折射效應(yīng)相非色散介質(zhì)：對(duì)不同頻率的信號(hào)，所產(chǎn)生的折射效應(yīng)相同同 對(duì)對(duì)GPS信號(hào)來說，電離層是色散介質(zhì)，對(duì)流層是非色散信號(hào)來說，電離層是色散介質(zhì)，對(duì)流層是非色散介質(zhì)介質(zhì)GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的

5、誤差源 電離層延遲電離層延遲 大氣折射效應(yīng)大氣折射效應(yīng)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用相速與群速相速與群速 相速相速 群速群速 相速與群速的關(guān)系相速與群速的關(guān)系 相折射率與群折射率的關(guān)系相折射率與群折射率的關(guān)系phphfvvf假設(shè)有一電磁波在空間傳播，其波長(zhǎng)為 ，頻率為該電磁波相位的速度，有=其中相位的速度又簡(jiǎn)稱為相速?！叭核佟北硎荆核俚膫鞑タ梢杂萌翰▉碚f，其最終能量對(duì)于頻率略微不同的一2ddfvgrddvvvphphgrphphgrphphdndnnnnfddfGPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 相速與群速相速與群速GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用相速與群速相速與群速

6、GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 相速與群速相速與群速222,1111phgrphgrphphphgrphphphphphgrphphgrphphphphphphphphphphcccnnnvvvvddvdvdfvvvddddcvnnccndvdvvdnccvddvdnvndvdndnnd 1111;phphphphphphphdndndnnnnfndddfddff 注：GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用電離層折射電離層折射3242342342223222232222;1.,.1221140.3(),phgrphgrphphphgreegrphgrphccvvnnccc

7、nfffc c ccnfcdndffcccnffffccNHzNnnvv 其中等與電子密度、電子質(zhì)量、電子所帶電荷等有關(guān)系。近似地可取則：有：一般， 可取近似值；因?yàn)殡娮用芏?恒為正值。故，或，即相位超前。GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層折射電離層折射GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用電離層折射電離層折射稱為總電子含量，則令為成的距離延遲電離層折射對(duì)相位所造為成的距離延遲電離層折射對(duì)相位所造TECTECcfcTTECfTECcfcTTECfdsNTECdsNfdsfcdsdsfcdsdsndsNfdsfcdsdsfcdsdsnionogrphionogriono

8、phphionopheegrionogrionogrephionophionoph;3 .403 .40;3 .403 .403 .40)1 (3 .40)1 (2222220220220220GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層折射電離層折射GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量 電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量 電子密度：?jiǎn)挝惑w積中所電子密度：?jiǎn)挝惑w積中所包含的電子數(shù)。包含的電子數(shù)。 總電子含量（總電子含量（TEC Total Electron Content）：底）：底面積為一個(gè)單位面積時(shí)沿面積為一個(gè)單位面積時(shí)沿信號(hào)

9、傳播路徑貫穿整個(gè)電信號(hào)傳播路徑貫穿整個(gè)電離層的一個(gè)柱體內(nèi)所含的離層的一個(gè)柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。電子總數(shù)。電離層地球TEC柱體底面積為1m2GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用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GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 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GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用電子含量與地方時(shí)的關(guān)系電子含量與地方時(shí)的關(guān)系GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電子含量與地方時(shí)的關(guān)系電子含量與地方

10、時(shí)的關(guān)系GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用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 與太陽活動(dòng)密切相關(guān)，太與太陽活動(dòng)密切相關(guān)，太陽活動(dòng)劇烈時(shí)，電子含量陽活動(dòng)劇烈時(shí)，電子含量增加增加 太陽活動(dòng)周期約為太陽活動(dòng)周期約為11年年1700年年 1995年太陽黑子數(shù)年太陽黑子數(shù)GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 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GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用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 1:00 23:00 2小時(shí)間隔全球小時(shí)間隔全球TEC分布分布GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電

11、離層延遲電離層延遲 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GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用常用電離層延遲改正方法分類常用電離層延遲改正方法分類 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼?方法：根據(jù)以往觀測(cè)結(jié)果所建立的模型方法：根據(jù)以往觀測(cè)結(jié)果所建立的模型 改正效果：差改正效果：差 雙頻改正雙頻改正 方法：利用雙頻觀測(cè)值直接計(jì)算出延遲改正或組成無電方法：利用雙頻觀測(cè)值直接計(jì)算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測(cè)量離層延遲的組合觀測(cè)量 效果：改正效果最好效果：改正效果最好 實(shí)測(cè)模型改正實(shí)測(cè)模型改正 方法：利用實(shí)際觀測(cè)所得到的離散的電離層延遲（或電方法：利用實(shí)際觀測(cè)所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），

12、建立模型（如內(nèi)插）子含量），建立模型（如內(nèi)插） 效果：改正效果較好效果：改正效果較好GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 常用電離層延遲改正方法分類常用電離層延遲改正方法分類GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介 Bent模型模型 由美國(guó)的由美國(guó)的R.B.Bent提出提出 描述電子密度描述電子密度 是經(jīng)緯度、時(shí)間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù)是經(jīng)緯度、時(shí)間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù) 國(guó)際參考電離層模型（國(guó)際參考電離層模型（IRI International Reference Ionosphere） 由國(guó)際無線電科學(xué)聯(lián)盟（由國(guó)際無線電

13、科學(xué)聯(lián)盟（URSI International Union of Radio Science）和空間研究委員會(huì)（）和空間研究委員會(huì)（COSPAR - Committee on Space Research）提出）提出 描述高度為描述高度為50km-2000km的區(qū)間內(nèi)電子密度、電子溫度、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)以地點(diǎn)、時(shí)間、日期等為參數(shù)GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介電離層改正的經(jīng)

14、驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介 Klobuchar模型模型 由美國(guó)的由美國(guó)的J.A.Klobuchar提出提出 描述電離層的時(shí)延描述電離層的時(shí)延 廣泛地用于廣泛地用于GPS導(dǎo)航定位中導(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)供用戶衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中播發(fā)其模型參數(shù)供用戶使用使用GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用Klobuchar模型模型 中心電離層中心電離層中心電離層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ZGPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 Klobu

15、char模型模型GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用Klobuchar模型模型 模型算法模型算法930302sec5 10cos(14 );(0,1,2,3)(0,1,2,3)hgiimiiimiiimTZAtPAPiiIP 信號(hào)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(hào)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ZGPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 Klobuchar模型模型GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用Klobuchar模型模型 模型算法（續(xù)）模型算法（續(xù)） 改正效果：可改正

16、改正效果：可改正60左右左右445()4 ,20,cossincos291.078.411.6 cos(291.0 )15secIPIPIPSIPSSmIPIPIPSIPEAelelIPEAaaEAatIPtUTZIP 計(jì)算測(cè)站 和在點(diǎn)心的夾角：為測(cè)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(hào)在處的天頂距：39612 ()90elZ GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 Klobuchar模型模型電離層地球約350km中心電離層電離層穿刺點(diǎn)I P天頂方向Z地心測(cè)站SEAGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用電離層延

17、遲的雙頻改正電離層延遲的雙頻改正54573. 254573. 13928. 06469. 0154120154120120154213 .40212122222221212221222222112122212222222121222122212122212222112122ionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrVVVVVVfffVfffVffffAffffAffffAfAfAfAfASSLLfAVfATECA故：即：得：則：實(shí)際的站星距為星距為上的測(cè)距碼所測(cè)定的站采用，星距為上的測(cè)距碼所測(cè)定的站采用設(shè)

18、：，或電離層延遲改正，即有電離層延遲令GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層延遲的雙頻改正電離層延遲的雙頻改正GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正 基本思想基本思想 利用基準(zhǔn)站的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算電離層延遲利用基準(zhǔn)站的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算電離層延遲 利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的的的TEC實(shí)測(cè)模型實(shí)測(cè)模型 類型類型 局部模型局部模型 適用于局部區(qū)域適用于局部區(qū)域 全球模型全球模型 適用于全球區(qū)域適用于全球區(qū)域GPS測(cè)量定位的誤差源測(cè)量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正 局部（區(qū)域