衛(wèi)星定位系統(tǒng)第六ppt課件

1、第六章第六章GPS系統(tǒng)偏向和誤差分析系統(tǒng)偏向和誤差分析GPS系統(tǒng)的定位誤差直接影響著GES用于導(dǎo)航、定時和定位的精度，只需深化地了解產(chǎn)生這些誤差和偏向的緣由，才干設(shè)計合理的GPS接納機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)。本章將對GPS系統(tǒng)的誤差源作系統(tǒng)、詳細(xì)的分析。6.1 偏向和誤差分析普通來講，在GPS定位中，影響丈量的偏向可分為三類:與GPS衛(wèi)星有關(guān)的偏向；與觀測有關(guān)的偏向；與觀測站有關(guān)的偏向。1與衛(wèi)星有關(guān)的偏向主要是GPS衛(wèi)星軌道描畫和衛(wèi)星鐘模型的偏向。衛(wèi)星軌道參數(shù)和鐘模型是由GPS衛(wèi)星廣播的導(dǎo)航電文給出的，但實(shí)踐上衛(wèi)星并不確切位置于廣播電文所預(yù)告的位置。衛(wèi)星鐘，即使用廣播的鐘模型校正，也并非完全與GPS系

2、統(tǒng)時間同步。這些偏向在衛(wèi)星之間是不相關(guān)的，它們對碼偽距丈量和載波相位丈量的影響一樣，而且這些偏向與地面跟蹤臺站的位置和數(shù)目，描畫衛(wèi)星軌道的模型以及衛(wèi)星在空間的幾何構(gòu)造有關(guān)。2)與觀測有關(guān)的偏向包括與衛(wèi)星信號傳輸途徑和觀測方法有關(guān)的偏向，如電離層和對流層延遲，載波相位周期模糊度等。3)與觀測站有關(guān)的偏向主要是接納機(jī)鐘偏向和測站坐標(biāo)不確定性引起的偏向，后一種偏向是針對非定位運(yùn)用，如GPS時間傳輸和衛(wèi)星軌道跟蹤。在非定位運(yùn)用情況下，接納機(jī)位置，假設(shè)是完全知的或有某種確定性，實(shí)際上后者更適宜，由于地面站的位置不能夠完全知，因此，通常都是把位置作為非定位參數(shù)待估計的。很明顯，要想準(zhǔn)確地預(yù)測軌道，地面站的

3、位置就應(yīng)該更準(zhǔn)確，例如，要獲得衛(wèi)星位置3m的精度，相應(yīng)的地面站坐標(biāo)必需到達(dá)0.510-6的精度，兩個測站坐標(biāo)的不確定性將導(dǎo)致3m的時間傳輸誤差。在GPS導(dǎo)航運(yùn)用中，用戶處于運(yùn)動形狀，接納機(jī)鐘偏向是作為待估計參數(shù)之一解算的，用戶位置的偏向是丈量的不確定性。 偏向通常與某些變量如時間、位置和溫度等有函數(shù)關(guān)系，因此偏向的影響可以用對偏向源建模的方法消除或至少可以抑制。除了偏向之外，GPS自導(dǎo)航定位和定時的精度還與觀測誤差和衛(wèi)星星座幾何布置有關(guān)。衛(wèi)星星座幾何布置的影響用精度衰減因子DOP描畫。誤差反映了丈量本身和對偏向源建模后所產(chǎn)生殘差的影響，因此，誤差包括殘差偏向、周期滑動、多途徑影響、天線相位中心

4、挪動和隨機(jī)的觀測誤差。由各種誤差源產(chǎn)生的誤差有相當(dāng)復(fù)雜的頻譜特性和其他特征，部分誤差源之間能夠還是相關(guān)的，這使得問題的分析更加復(fù)雜化。因此，為簡單起見，我們在今后的分析中通常以為誤差源是非相關(guān)的，并用它們各自的規(guī)范方差來描畫其特性。在上面的討論中，我們嚴(yán)厲區(qū)分偏向(Biases)和誤差(Errors)，這主要是為了從概念上可以了解影響GPS精度的諸要素，從方法上為消除這些要素指出一種方向。在下面的討論中，假設(shè)沒有特殊的必要，將不再區(qū)分偏向和誤差。上述誤差的細(xì)節(jié)及其影響參見表下表。6.2 用戶等效間隔誤差上述討論的各種偏向和誤差最終都要反映在用戶的丈量結(jié)果上。因此，在許多實(shí)踐運(yùn)用中，人們往往把各

5、種偏向投影到間隔上來進(jìn)展分析，一切這些投影偏向的和稱為間隔偏向，如圖6-1所示。在消除這些偏向之前，所丈量到的間隔稱為有偏間隔，也就是我們常說的偽距。圖6-1中參數(shù)的意義如下：d一一衛(wèi)星軌道偏向的等效間隔;cdt一一衛(wèi)星鐘偏向的等效間隔;ji，Ig (t)一一電離層延遲的等效間隔;ji，T(t)一一對流層延遲的等效間隔;cdT一一接納機(jī)鐘偏向的等效間隔; N-載波相位周期模糊度的等效間隔。下面給出主要的偏向源引起的最大間隔誤差:dp:正常2Om SA翻開50150m；dt:300000m(運(yùn)用廣播電文校正降到1Om)；ji，Ig (t)：正常變化25Om,異常可達(dá)150m(在程度位組置)，50

6、m(在天頂位置)；ji，T(t) ：220m(在程度位置上10度仰角；cdT:10-1m(取決于接納機(jī)頻率源的類型；N:恣意的。此處，多途徑誤差0.23m；接納機(jī)噪聲0.13m。6.3 衛(wèi)星的主要誤差6.3.1 衛(wèi)星時鐘的誤差GPS丈量定位本質(zhì)上是一個測時-測距定位系統(tǒng)，所以，GPS丈量定位精度與時鐘誤差親密相關(guān)。為此，GPS丈量均以GPS時間系統(tǒng)為一致規(guī)范，該時間系統(tǒng)由GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)確定和堅持。為了保證衛(wèi)星時鐘的高精度，各GPS衛(wèi)星均安裝高精度的原子鐘，但它們與GPS規(guī)范時之間仍存在有偏向和偏移。其偏向總量在10.1ms以內(nèi)，由此引起的等效間隔誤差將達(dá)30030km。因此，必需予以準(zhǔn)確修

7、正。經(jīng)過以上鐘差矯正后，各衛(wèi)星鐘時與GPS規(guī)范時之間的差別(同步誤差)可堅持在20m以內(nèi)。由此引起的等效間隔誤差將不超越6m。但在美國實(shí)施SA技術(shù)后，衛(wèi)星鐘誤差又引入了人為的信號隨機(jī)抖動的誤差。這在單點(diǎn)絕對定位中是無法消除的，只需采用相對定位或差分定位才干予以消除。6.3.2衛(wèi)星星歷誤差 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文中的廣播星歷是一種外推的預(yù)告星歷。由于衛(wèi)星在實(shí)踐運(yùn)轉(zhuǎn)中受多種攝動力的復(fù)雜影響，故預(yù)告星歷必然有誤差，普通估計由星歷計算的衛(wèi)星位置的誤差為2040m。隨著攝動力模型和定軌技術(shù)的改良，任務(wù)衛(wèi)星的位置精度能夠提高到510 m。但這種改良后的星歷僅提供應(yīng)美國軍方和特許用戶運(yùn)用。在美國實(shí)施SA技術(shù)后，

8、所能獲得的廣播星歷將具有更大誤差。GPS丈量定位是以衛(wèi)星位置作為知的基準(zhǔn)值，來確定待定點(diǎn)的位置，因此，廣播星歷的誤差嚴(yán)重地影響定位精度。如圖6-2所示，軌道偏向?qū)⒅苯觽鹘o用戶等價間隔誤差。衛(wèi)星坐標(biāo)誤差引起的間隔誤差約等于衛(wèi)星各坐標(biāo)誤差的平均值。如各坐標(biāo)均方誤差為20-40m，就會引起定位間隔誤差2040m，因此，單點(diǎn)絕對定位精度受星歷誤差的嚴(yán)重影響。另外，星歷誤差是一種系統(tǒng)性誤差，不能夠經(jīng)過多次反復(fù)觀測來消除。所以，研討消除星歷誤差的影響是GPS運(yùn)用的一個重要課題。 目前，運(yùn)用GPS衛(wèi)星廣播電文提供的軌道信息，軌道偏向典型的是20m,偶爾也會到達(dá)80m。當(dāng)SA翻開時，軌道偏向能夠到達(dá)50100

9、m。在未來的運(yùn)轉(zhuǎn)跟蹤網(wǎng)OTN實(shí)現(xiàn)后，廣播電文民供的軌道精度可到達(dá)510m。 在許多動態(tài)定位運(yùn)用和導(dǎo)航中，普通以為衛(wèi)星電文給出的參數(shù)精度已足夠，因此不思索軌道誤差。 在實(shí)踐運(yùn)用中，人們往往是根據(jù)對導(dǎo)航和定位精度的要求思索能否建立軌道偏向模型。通常有3種思索: 1)以為衛(wèi)星電文誤差表現(xiàn)為幾何偏向，如電文給出的軌道孤相對真軌道平移、旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，可以估計短弧或長弧執(zhí)道上的1-6個軌道偏向參數(shù)，如在大地丈量等運(yùn)用中。 2)假設(shè)衛(wèi)星動力學(xué)模型，即使用動力學(xué)模型和6個初始條件確定精細(xì)的衛(wèi)星軌道運(yùn)動。 3)假設(shè)“自在軌道，在每個觀測時辰，估計獨(dú)立的軌道偏向。 在相對定位中，差分方法(在后面的章節(jié)引見)

10、可以消除或大大減少軌道偏向的影響。這是至今所用的、能逃避費(fèi)事的軌道模型的較好方法。當(dāng)然，運(yùn)用差分觀測估計軌道偏向需求軌道偏向的某些信息堅持在差分觀測中，這意味著GPS網(wǎng)擴(kuò)展到更大的區(qū)域比在小區(qū)域更適宜。6.4 信號傳播中的主要誤差信號傳播的主要誤差有：電離層延遲誤差對流層延遲誤差多途徑效應(yīng)誤差6.4.1 電離層延遲誤差的特性電離層是高度位于501000km之間的大氣層。由于太陽的強(qiáng)輻射，電離層中的部分氣體分子將被電離而構(gòu)成大量的自在電子和正離子。當(dāng)電磁波信號穿過電離層時，傳播速度和傳播途徑都會發(fā)生變化，所以信號傳播時間乘以真空中的傳播速度就不等于信號的實(shí)踐傳播間隔，從而引起測距誤差，此誤差稱之

11、為電離層延遲誤差。6.4.2 對流層延遲誤差及矯正對流層是高度為40km以下的大氣層。由于其離地面近，所以大氣密度較電離層的密度大，且大氣形狀隨地面的氣候變化而變化。當(dāng)電磁波經(jīng)過對流層時，傳播速度將發(fā)生變化，從而引起傳播延遲。當(dāng)天頂方向的對流層延遲約為2.3m，而仰角為10度時，傳播延遲將增大到約13m。6.4.3 多途徑效應(yīng)誤差 在實(shí)踐的GPS丈量中，接納機(jī)天線除接納直接來自衛(wèi)星方向的信號外，還接納到其他物體反射回來的信號，因此，接納的信號是直射波和反射波產(chǎn)生干涉后的混合信號。由于直接波和各反射波途徑不同，從而使信號延遲，產(chǎn)生丈量誤差，稱為多途徑效應(yīng)誤差。 多途徑主要由接納機(jī)附近的反射外表引

12、起，如高大建筑物、軍艦高層構(gòu)造、飛機(jī)、航天飛機(jī)或其他空間飛行器的外外表等，如圖6-7所示。在圖6-7中，衛(wèi)星信號經(jīng)過3個不同的途徑到達(dá)接納機(jī)天線，其中一個直接到達(dá)，兩個間接到達(dá)。因此，接納機(jī)天線所收到的信號有相對相位偏移，而且這些相位差與途徑長度成正比例。由于反射信號的途徑幾何外形是恣意的，多途徑作用沒有通用的模型。 但是，多途徑的影響可以經(jīng)過L1 ，L2碼和載波相位丈量差進(jìn)展估計，其原理是基于如下現(xiàn)實(shí)：對流層，鐘誤差和相對論作用以一樣的量影響碼和載波相位丈量，電離層和多途徑作用是頻率相關(guān)的。因此，一旦得到與電離層無關(guān)的碼偽距和載波相位(如用電離層模型)，并對它們進(jìn)展差分處置，除多途徑外，前面

13、所述的一切影響可以消除，余下的主要是多途徑影響。 由于多途徑影響主要與接納機(jī)附近反射物的幾何外形有關(guān)，也因這種幾何外形在幾天甚至更長時間是不變的，所以多途徑特性具有周期性(大約1d)，又由于衛(wèi)星每天提早4min出現(xiàn)，多途徑的周期性也有4min的提早。多途徑的每日反復(fù)特性實(shí)際上可以用來估計它的主要影響，但目前這方面的研討報告并不多見。假設(shè)不對多途徑影響進(jìn)展校正，它能夠會成為接納機(jī)的主要誤差源當(dāng)然其量值取決于環(huán)境、天線設(shè)計和觀測時間的長短。 從圖6-7也可以看到，假設(shè)把接納機(jī)天線直接放在反射外表，而不是用三角架，也能消除兩個間接途徑的影響。但是，垂直反射外表仍影響定位結(jié)果。因此，應(yīng)把接納機(jī)天線盡能

14、夠放在遠(yuǎn)離反射外表的位置。 僅從幾何特性上分析，很明顯從低仰角衛(wèi)星上收到的信號更易受多途徑干擾，因此，選擇衛(wèi)星時應(yīng)盡能夠保證衛(wèi)星仰角在10度20度之上。當(dāng)設(shè)計接納機(jī)天線時，應(yīng)使低仰角信號有低的增益。 也應(yīng)該留意到碼偽距受多途徑影響比載波相位更嚴(yán)重，在獨(dú)立的單一丈量時辰，多途徑對碼偽距影響可達(dá)1020m，在極壞的情況下甚至?xí)霈F(xiàn)衛(wèi)星信號失鎖。但在載波相位丈量時，假設(shè)有好的衛(wèi)星幾何特性(DOP小)和長時間的觀測，對短基線的相對定位，多途徑產(chǎn)生的誤差常小于1cm。但即使在這種情況下，接納機(jī)天線高度的變化也會添加多途徑影響并使丈量結(jié)果變差。當(dāng)把GPS接納機(jī)安裝在航天飛機(jī)等空間飛行器上時為了得到高精度的

15、導(dǎo)航定位和定軌結(jié)果，除了從接納機(jī)硬件方面思索外，還可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對天線能夠遭到的多途徑影響進(jìn)展分析和仿真，并用固化在接納機(jī)中的軟件進(jìn)展消除。6.5與接納設(shè)備有關(guān)的誤差 6.5.1觀測誤差 與用戶接納設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測誤差、接納機(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。 這類誤差，除觀測的分辨誤差之外，尚包括接納機(jī)天線相對測站點(diǎn)的安頓誤差。根據(jù)閱歷，普通以為觀測的分辨誤差約為信號波長的1%。由此，對GPS碼信號和載波信號的觀測精度，將如表6-3所示。觀測誤差屬隨機(jī)誤差，適當(dāng)?shù)靥砑佑^丈量，將會明顯地減弱其影響。6.5.2接納機(jī)的鐘差 GPS接納機(jī)普通設(shè)有高精度的石英鐘，

16、其日頻率穩(wěn)定度約為10-11。假設(shè)接納機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步差為11S，那么由此引起的等效間隔誤差約為300m。處置接納機(jī)鐘差比較有效的方法，是在每個觀測站上引人一個鐘差參數(shù)作為未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處置中與觀測站的位置參數(shù)一并求解。這時，如假設(shè)在每一觀測瞬間，鐘差都是獨(dú)立的，那么處置較為簡單。所以，這一方法廣泛地運(yùn)用于實(shí)時動態(tài)絕對定位。在靜態(tài)絕對定位中，也可像衛(wèi)星鐘那樣，將接納機(jī)鐘差表示為多項(xiàng)式的方式，并在觀丈量的平差計算中，求解多項(xiàng)式的系數(shù)。不過，這將涉及在構(gòu)成鐘差模型時，對鐘差特性所作假設(shè)的正確性。當(dāng)定位精度要求較高時，可以采用高精度的外接頻標(biāo)(即時間規(guī)范)，如伽原子鐘或銫原子鐘，以提高接納機(jī)時

17、間規(guī)范的精度。在精細(xì)相對定位中，還可以利用觀測值求差的方法，有效地減弱接納機(jī)鐘差的影響。6.5.3載波相位觀測的整周未知數(shù) 前已指出，載波相位觀測法，是當(dāng)前普遍采用的最精細(xì)的觀測方法，它可以準(zhǔn)確地測定衛(wèi)星至觀測站的間隔(見表6-3)。但是，由于接納機(jī)只能測定載波相位非整周的小數(shù)部分，以及從某一同始?xì)v元至觀測歷元間載波相位變化的整周數(shù)，而無法直接測定載波相位相應(yīng)該起始?xì)v元在傳播途徑上變化的整周數(shù)，因此，在測相偽距觀測值中，存在整周未知數(shù)的影響。這是載波相位觀測法的主要缺陷。另外，載波相位觀測，除了存在上述整周未知數(shù)之外，在觀測過程中還能夠發(fā)生整周變跳問題。在用戶接納機(jī)收到衛(wèi)星信號并進(jìn)展實(shí)時跟蹤(

18、鎖定)后，載波信號的整周數(shù)便可由接納機(jī)自動計數(shù)。但是在中途，假設(shè)衛(wèi)星的信號被阻撓或遭到干擾，那么接納機(jī)的跟蹤便能夠中斷(失鎖)。 而在衛(wèi)星信號被重新鎖定后，被測載波相位的小數(shù)部分，將仍和未發(fā)生中斷的情形一樣，是延續(xù)的，可這時整周數(shù)卻不再是延續(xù)的。這種情況稱為整周變跳或周跳。周跳景象在載波相位丈量中是經(jīng)常發(fā)生的，它對間隔觀測的影響和整周未知數(shù)的影響類似，在精細(xì)定位的數(shù)據(jù)處置中，都是一個非常重要的問題。6.5.4天線的相位中心位置偏向 在GPS定位中，無論是測碼偽距或測相偽距，觀測值都是以接納機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)的，而天線的相位中心與其幾何中心在實(shí)際上應(yīng)堅持一致?？墒牵瑢?shí)踐上天線的相位中心位置隨著信號輸入的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，即觀測時相位中心的瞬時位置(普通稱視相