GPS第4章 GPS定位的基本觀測量及誤差分析(4+2學時)

返回衛(wèi)星定位技術與應用黃張裕

河海大學測繪科學與工程系*Chapter4GPS定位的基本觀測量

及誤差分析1GPS定位的基本觀測量2GPS測量的誤差來源和影響3GPS接收機使用3個球面相交成一個點3個距離可以確定緯度、經(jīng)度、高程因此，點的空間位置被確定S1S2S3點位測定ρ=c.Δt接收機坐標（Xk、Yk、Zk）（Receivercoordinates）

衛(wèi)星坐標（Xj、Yj、Zj）（satellitecoordinates）一、GPS定位基本原理:HowDoesGPSWork?Selectandacquirethebestgroupofsatellites1Measurerangestothesatellites23Addknowndatatorangemeasurementse.g.tropospheric,ionospheric,ephemerisNAVDATA,RTCM,etc.4Calculateyourposition二、GPS衛(wèi)星工作原理三、GPS定位的基本觀測值碼相位觀測偽距載波相位觀測偽距衛(wèi)星ri是已知值Pij是測量值Rj是未知值對于某顆衛(wèi)星：碼相位觀測偽距載波相位觀測值C/A碼：碼元寬293m，精度2.9mP碼：碼元寬29.3m，精度0.29mL1載波：波長19cm，精度0.19cmL2載波：波長24cm，精度0.24cm原始觀測量載波相位觀測值優(yōu)點：觀測值精度高，用于精密定位存在問題整周不確定（模糊度解算）整周跳變現(xiàn)象§4-1GPS定位的基本觀測量GPS定位的基本觀測值：碼相位觀測偽距載波相位觀測偽距衛(wèi)星MeasureRangestothesatellitescontdRangeisactuallyPSEUDORANGEbecauseofuserclockbias.0500Zfromsatellite0500Zfromuser1receivermeasuretimedifferencebetweensamepartofcode0500Zfromuser2receiverSignalreceived2將偽碼發(fā)生器產生的與衛(wèi)星信號結構完全相同的碼經(jīng)過延時器延時同本機復制碼進行相關處理，得到衛(wèi)星信號延遲傳播時間Δt，從而獲得偽距：ρ=c.Δt。一、碼相位偽距測量受鐘差（衛(wèi)星鐘、接收機鐘）、大氣延遲（電離層、對流層）等影響?；鶞市盘枺篺0=10.23MHZC/A碼：f1=0.1f0=1.023MHZ，碼元寬=293.1mP碼：f2=f0=10.23MHZ，碼元寬=29.3m1、基本信息：2、測量原理：ρ=c.Δt3、測量精度（取碼元寬1%~10%）C/A碼：2.93~29.3mP碼：0.29~2.93m測距碼距離測定的基本思路C/A碼（測距時有模糊度）P碼微弱信號的捕獲利用測距碼測距的必要條件：必須了解測距碼的結構利用測距碼進行測距的優(yōu)點：采用的是CDMA（碼分多址）技術易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號可提高測距精度便于對系統(tǒng)進行控制和管理（如AS）二、載波相位測量載波：GPS的載波是L波段的微波，具有良好的穿透大氣的能力，從衛(wèi)星的發(fā)射天線發(fā)出后沿直線傳播到達地球表面，發(fā)射信號強度為26.8dBw，接收最低信號強度為-160dBw。常規(guī)GPS接收機可以進行正常接收的最弱信號為-160dBw，而經(jīng)過稠密介質時信號強度大為衰減，例如在室內，GPS信號強度會衰減為-188dBw（比-160dBw約弱1000倍），因而常規(guī)GPS接收機在室內因信號太弱而不能進行定位，在這種弱信號環(huán)境下，特殊的GPS接收機仍然可以工作，例如：IndoorGPS。載波的作用：作為傳輸工具，把搭載于其上的測距碼和導航電文從衛(wèi)星傳播到地面，對于測量型接收機，載波又同時用作為測量信號，接收機對接收到的載波進行相位測量，獲得高精度的載波相位觀測值，從而實現(xiàn)厘米乃至毫米級的高精度基線測量。（1）基本信息：（2）測量原理：ρ=λ.Δφ基準信號：f0=10.23MHZL1載波：f1=154f0=1575.42MHZ，λ1=19.03cmL2載波：f2=120f0=1227.60MHZ，λ2=24.42cm1、載波相位測量基礎載波相位觀測值：小數(shù)部分精確可知整周（整數(shù)）不知ti時刻的相位差：整周模糊度整周不確定（模糊度）Ambiguity鑒相器載波相位觀測值：小數(shù)部分精確可知整周（整數(shù)）不知整周模糊度tk時刻的相位差：計數(shù)器鑒相器---發(fā)生信號失鎖，產生周跳現(xiàn)象整周不確定（模糊度）AmbiguityL1載波：1.9mmL2載波：2.4mm（3）測量精度：（取波長1%）（4）要解決的問題：載波重建技術整周未知數(shù)解算周跳判斷、修復周跳問題：在跟蹤衛(wèi)星過程中，由于信號被障礙物擋住而暫時中斷或受無線電信號干擾而造成信號失鎖，發(fā)生周跳現(xiàn)象。2、重建載波技術載波調制了電文之后變成了非連續(xù)的波偽距測量與載波相位測量重建載波：將非連續(xù)的載波信號恢復成連續(xù)的載波信號。（1）碼相關法衛(wèi)星信號的生成接收機重建載波1）基本原理：將所接收到的調制信號（衛(wèi)星信號）與接收機產生的復制碼相乘。2）特點：需要了解碼的結構可獲得導航電文可獲得全波長的載波信號質量好（信噪比高）（2）載波平方法1）基本原理：將接收的衛(wèi)星信號（弱）通過自乘，去掉調制碼，獲得載波信號以進行載波相位測量。2）特點：不需要獲取偽隨機碼結構，就能獲得載波信號，也可以進行雙頻觀測。必須用其他方法獲得衛(wèi)星星歷，并進行作業(yè)時間對比，使接收機相互同步。沒有進行碼相關處理，信噪比較低。（3）載波互相關法1）基本原理：在L1信號通道中引進時延，使L1和L2信號進行互相關處理，在L1和L2信號之間達到最大相關時，記錄時延值以求得觀測值。2）特點：不需要獲取偽隨機碼結構，就能獲得載波相位觀測值?？梢缘玫絃1和L2信號的偽距差。延時后L1和L2信號相關，信噪比要比平方法略高一些。（4）碼相關平方法1）基本原理：在已有P碼的基礎上，將L2信號上的Y碼信號和機內生成的P碼相關，使頻帶變窄，然后再通過平方求解。2）特點：當美國執(zhí)行AS技術時，可以通過已知P碼結構，獲得P碼偽距。增益比平方法、互相關法要高，信噪比仍然比碼相關法要低。（5）z跟蹤技術法1）基本原理：將機內產生的偽隨機P碼分別與L1、L2信號進行相關處理，獲得載波頻率變低、頻帶寬度變窄且?guī)в斜Ｃ艽aω的信號，然后將通過低通濾波的信號進行處理，利用保密碼的估值來達到削弱保密碼影響的目的。2）特點：采用P碼相關技術，信噪比較高，高于碼相關法?？梢垣@得P1、P2碼偽距值。可以獲得全波長的L1、L2載波相位觀測值。三、GPS觀測值形式1、C/A碼偽距（L1）2、P碼偽距（L1、L2）3、載波相位（L1、L2）4、多普勒頻移（L1、L2）多普勒頻移：由于衛(wèi)星和接收機之間的相對運動，接收到的載波頻率發(fā)生變化。多普勒頻移反映了衛(wèi)星和接收機的相對運動速度，衛(wèi)星的速度是已知的，再利用多普勒頻移觀測值可以求得接收機的瞬時運動速度。四、數(shù)據(jù)格式：1、本機格式定義：–接收機存儲數(shù)據(jù)的格式

存儲方式–二進制

內容–觀測值、廣播星歷、電離層信息、氣象元素

特點–不同廠家的接收機具有不同的本機格式–與接收機配套的數(shù)據(jù)處理軟件（隨機軟件/商用軟件）

–一般可以直接讀取自身本機格式的數(shù)據(jù)，而不能讀取其它廠家的本機格式的數(shù)據(jù)2、RINEX格式

定義–與接收機無關的數(shù)據(jù)交換格式

存儲方式–ASCII

內容–觀測值、星歷（導航信息）、氣象數(shù)據(jù)

特點–通用性強，已成為事實上的標準–利于多種型號的接收機聯(lián)合作業(yè)–大多數(shù)軟件能夠處理---------RINEX格式（統(tǒng)一格式）：ReceiverIndependentExchangeFormat

RINEX文件的命名規(guī)則:–命名規(guī)則：8+3文件名–例：wh022931.02O，wh022293.02NRINEX觀測值文件的內容:RINEX格式：ReceiverIndependentExchangeFormat

RINEX格式：ReceiverIndependentExchangeFormat

質量標記：0－觀測數(shù)據(jù)正常1－相鄰兩歷元之間停電2－開始天線移動3－新點重新開始觀測4－下面出現(xiàn)新的頭信息5－其他外部事件6－出現(xiàn)周跳指示接收機鐘差：歷元＝給出歷元－鐘差偽距＝測得偽距－鐘差×光速相位＝測得相位－鐘差×頻率信噪比G--GPSR--GLONASST--TRANSITM--MIXEDRINEX星歷文件的內容:RINEX格式：ReceiverIndependentExchangeFormat

RINEX氣象數(shù)據(jù)文件的內容:3、SP3格式

定義–一種精密星歷格式，IGS精密星歷采用此格式

存儲方式–ASCII

內容–精密星歷（每隔15分鐘給出1個衛(wèi)星的位置，有時還給出衛(wèi)星的速度）

特點–提供精密星歷SP3格式命名規(guī)則：–命名規(guī)則：8+3文件名–例：igs11065.sp3，igs11065.sp3SP3格式內容：4、天線高和天線的相位中心（1）天線高

定義–標志至平均相位中心所在平面的垂直距離量取方法–斜高或到某一平面的直高

天線高的改化–手工改化（見右圖）–自動改化

需提供天線類型及量高方法（2）天線的相位中心

問題–天線相位中心的偏差–天線相位中心的變化（PhaseCenterVariations-PCV）

解決天線相位中心偏差和變化的方法–天線定向–模型改正

天線相位中心偏差和變化的測定

PCV的定義

相位中心偏差及變化的模型改正–IGS_01.PCV–PCV的應用§4-2GPS測量的誤差來源和影響與GPS衛(wèi)星有關的誤差與信號傳播有關的誤差觀測誤差和接收設備誤差GPS觀測誤差來源衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星軌道誤差相對論效應電離層對流層多路經(jīng)效應測站點選擇和安置（相位中心）GPS接收機鐘差載波相位整周未知數(shù)誤差來源對距離測量影響（m）衛(wèi)星部分星歷誤差、鐘誤差、相對論效應1.5～15信號傳播電離層、對流層、多路徑效應1.5～15信號接收鐘的誤差、位置誤差、天線相位中心變化1.5～5其它影響地球潮汐、負荷潮1.0衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星相位中心誤差電離層誤差對流層誤差多路徑誤差天線相位中心誤差接收機鐘差誤差GPS絕對定位中的誤差衛(wèi)星軌道誤差電離層誤差對流層誤差多路徑誤差GPS相對定位中的誤差一、與GPS衛(wèi)星有關的誤差1、衛(wèi)星鐘差：衛(wèi)星時鐘頻率不穩(wěn)定偏差、漂移和漂移速率：總量可達1ms鐘差為1ms---等效距離為300km氫原子鐘銫原子鐘通過鐘差改正后可達到：偏差≤20ns（nano，10-9）

---等效距離為6m衛(wèi)星鐘殘差部分通過觀測值差分技術來消除廣播星歷：短基線相對定位，對距離不太遠的兩個測站定位影響大致相同（同步觀測求差）。精密星歷：長基線、高精度定位，通過在：wuhn(武漢)、bjfs(北京)、shao(上海)、xian(西安)、lhas(拉薩2)、kumn(昆明)、urum(烏魯木齊2)、chan（長春）、xinzu（新竹2）、twtf（桃園）基準站跟蹤監(jiān)測解算精密星歷，或通過有償服務提供，或通過相關網(wǎng)站下載事后精密星歷。2、衛(wèi)星星歷誤差：衛(wèi)星位置誤差（衛(wèi)星軌道誤差）3、地球自轉影響：采用WGS-84協(xié)議地球坐標系旋轉角度影響：Δα=n.Δtn---地球自轉的速度

Δt--地球自轉引起的時間延遲引起的衛(wèi)星位置變化：對高精度定位需要考慮影響4、相對論效應影響：（1）相對論:由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)不同而引起衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產生相對誤差的現(xiàn)象。（2）相對論效應影響：狹義相對論：處在不同運動速度的載體上（在衛(wèi)星上時鐘變慢），產生頻率偏移廣義相對論：處在不同等位面（引力位不同），產生引力偏移總偏移：結論：衛(wèi)星鐘比地面鐘快，差值為0.45ns/s（nano，10-9）（3）相對論殘差：受地球運動、衛(wèi)星軌道高度變化、地球重力場變化影響，衛(wèi)星鐘偏差也有微小變化。對于高精度定位，結論：相對論殘差對衛(wèi)星鐘影響可達0.01ns/s（nano，10-9）二、與信號傳播有關的誤差1、大氣結構：（1）對流層0~40km（2）平流層40~70km（3）電離層70~10萬km電離層70km以上平流層對流層地球自然體地球大氣結構2、電離層折射的影響電離層含有較高密度的電子，當GPS信號通過電離層時，信號的路徑會發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化。（1）群速度（多種頻率）與相速度（單一頻率）的關系電磁場理論（折射率）：推導得：電子密度電磁波頻率電子密度相折射率群折射率大氣物理學理論結論：電離層折射率變化與大氣中的電子密度、電磁波頻率有關；大氣中的相折射率和群折射率是不同的；GPS載波為單一頻率，偽隨機碼為多種頻率（波）的疊加。推導得：電子密度電磁波頻率電子密度相折射率群折射率電子總量（2）路徑延遲δρ、相位延遲δφ、時間延遲δt延遲影響因素：與傳播路徑上的電子總量有關、與傳播到GPS天線的方位有關。對于相折射率：GPS載波測量對于群折射率：GPS碼偽距測量不同方向上的電子總數(shù)電離層中的電子密度是變化的，與太陽黑子活動狀況、地球上地理位置不同、季節(jié)變化和不同時間有關。不同方向上的電子總數(shù)：水平方向比天頂方向延遲最大可達3倍水平方向延遲可達150m，天頂方向延遲可達50m電離層活動高峰期影響情況電離層活動高峰期電離層活動直接取決于太陽黑子的數(shù)量，周期為11年。較小的全球平均值并不是表示沒有電離層擾動。電離層活動出現(xiàn)與太陽周期有關。電離層電子密度（3）解決方法利用電離層模型改正：減少75%的影響利用雙頻接收機減少延遲：下面介紹利用兩個觀測站同步觀測求差改正：傳播路徑相似（4）雙頻接收機減少延遲方法偽距改正：載波相位改正：（5）常用的電離層改正模型1）本特（Bent）模型由美國的R.B.Bent提出，描述電子密度，是經(jīng)緯度、時間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù)。2）國際參考電離層（IRI–InternationalReferenceIonosphere）模型由國際無線電科學聯(lián)盟（URSI–InternationalUnionofRadioScience）和空間研究委員會（COSPAR–CommitteeonSpaceResearch）提出，描述高度為50km~2000km的區(qū)間內電子密度、電子溫度、電離層溫度、電離層的成分等，以地點、時間、日期等為參數(shù)。3）克羅布歇（Klobuchar）模型由美國的J.A.Klobuchar提出，描述電離層的時延，廣泛地用于GPS導航定位中，在GPS衛(wèi)星的導航電文中播發(fā)其模型參數(shù)供用戶使用。3、對流層折射的影響對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的上升而降低，GPS信號通過對流層時，使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使測量距離產生偏差。電磁波在對流層中的傳播速度與頻率無關，與大氣折射率有關，也與電磁波傳播方向有關。對流層大氣折射率與大氣壓力、溫度和密度有關，通常分成兩部分討論：干分量、濕分量（2）距離影響的干分量和濕分量（3）方向影響的干分量和濕分量（1）折射率的干分量和濕分量折射率的干分量與大氣溫度和壓力有關，濕分量與大氣溫度和濕度有關（4）解決方法利用對流層模型改正，能校正達90~95%利用兩個觀測站同步觀測求差改正（5）常用的對流層改正模型2）薩斯塔莫寧（Sastamoinen）模型：3）勃蘭克（Black）模型：1）霍普菲爾德（Hopfield）模型：4、多路徑影響:Multi-pathconception（1）多路徑效應：由于接收機周圍高大建筑物或水面對電磁波產生的反射作用而引起的定位誤差。其中金屬材料、水面等反射較強。Multi

pathDirectSignalReflectedSignal多路徑效應影響SV8SV8SV8SV8（2）減小多路徑效應的方法天線安置盡量避開強反射物（如水面、平坦光滑地面、平整的建筑物等）選用防多路徑效應的天線（如扼流圈天線等）現(xiàn)象：多路徑效應對GPS定位的影響可以達到分米級三、觀測誤差和接收設備誤差1、觀測誤差（1）與觀測分辨率有關（如P碼、C/A碼、L1載波、L2載波的分辨率不同）（2）與天線安置精度有關（如天線對中誤差、天線整平誤差、天線高量取誤差等）2、接收機鐘差：采用石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器，穩(wěn)定度為：10~50μs（micro，10-6）溫補電路晶體振蕩器，穩(wěn)定度為：0.5~1μs（micro，10-6）恒溫晶體振蕩器，穩(wěn)定度為：0.5~1ns（nano，10-9）3、接收機鐘差解決方法：4、天線相位中心位置偏差：天線相位中心的瞬時位置與幾何中心的偏差（對中、整平、指北向）（1）單點定位：鐘差作為未知數(shù)在觀測方程中求解（2）載波相位定位：對觀測值求差有效地消除接收機鐘差（3）高精度定位：使用外接頻標，為接收機提供高精度時間標準§4-3GPS接收機使用說明一、AshtechZ12型精密GPS接收機1、AshtechZ12型精密GPS天線單/雙頻精密微帶天線雙頻扼流圈環(huán)狀接收天線2、AshtechZ12型精密GPS接收機使用（1）（1）GPS接收機前面：2、AshtechZ12型精密GPS接收機使用（2）（2）GPS接收機后面：2、AshtechZ12型精密GPS接收機使用（3）（3）GPS接收機顯示/編輯菜單和操作1）顯示：display↑﹤2s，在同一級菜單中滾動；↑﹥2s，顯示返回上一級菜單；↓﹤2s，把顯示模式改為編輯模式；↓﹥2s，顯示進入下一級菜單；同時按↓↑﹤2s，沒有動作；同時按↓↑﹥2s，沒有動作；2、AshtechZ12型精密GPS接收機使用（4）（3）GPS接收機顯示/編輯菜單和操作2）編輯：edit↑﹤2s，選擇合適的內容向上滾動；↑﹥2s，快速向上；↓﹤2s，選擇合適的內容向下滾動；↓﹥2s，快速向下；同時按↓↑﹤2s，接受該參數(shù)；同時按↓↑﹥2s，消除該參數(shù)；2、AshtechZ12型精密GPS接收機使用（5）VER:***S/N:***OPTIONS:**BAT:**min電池容量選項存儲卡容量MEM:**%儀器號接收機版本CNT:***SITE:***ANTHT:***STATUS狀態(tài)天線高測站號LAT:***LON:***ALT:***PDOP:**幾何因子大地高實際利用的衛(wèi)星數(shù)#USED:**經(jīng)度緯度格林尼治平太陽時RECINT:***MODE模式高度截止角采樣間隔KINEMATIC實時動態(tài)動態(tài)靜態(tài)ELEVMASK:***RTKBASESTATICSTOPSESSION設置新時段刪除開始時段設置停止時段LISTSESSIONSSTARTSESSIONNEWSESSIONDELETEALL故障報警語言確定本目錄設置的參數(shù)清除內部存儲，回歸缺省值MEMORYRESETBAUDRATELANGUAGEBEEP:ON/OFFSAVE波特率列表顯示記錄時段SYSINFOSURVEY:STATICSURVCONFSESSIONSSETTINGS系統(tǒng)信息測量模式:靜態(tài)測量時的參數(shù)時段參數(shù)設置

3、AshtechZ12型精密GPS接收機實驗要求（1）觀測儀器：采用2臺美國AshtechZ12型GPS雙頻接收機進行觀測，其標稱精度為5mm+1ppm×D，配備有可抑制多路徑效應的扼流圈天線。（2）作業(yè)模式：采用靜態(tài)相對定位模式。（3）觀測前的準備工作：利用AshtechGPS隨機軟件(Winprism軟件&Solution軟件)，編制測區(qū)衛(wèi)星可見性預報表、衛(wèi)星出現(xiàn)的方位等，合理選擇最佳觀測時段。（4）觀測要求：衛(wèi)星高度切割角15°，有效觀測衛(wèi)星個數(shù)4，采樣間隔為20s，時段觀測時間90min，PDOP4。二、ThalesZ-MAX型精密GPS接收機1、ThalesZ-MAX型精密GPS天線單/雙頻精密微帶天線2、ThalesZ-MAX型精密GPS接收機使用（1）Z-MAX狀態(tài)顯示衛(wèi)星/電源LED數(shù)據(jù)記錄LED通訊LEDRTK狀態(tài)LED綠色=RTK固定解橙色=RTK浮點解紅色=無RTK2、ThalesZ-MAX型精密GPS接收機使用（2）MAX-TracGPS雙頻天線GSM手機通訊天線蘭牙天線LED指示燈八字符LED顯示窗下翻頁按鍵回車鍵上翻頁按鍵取消鍵電源開關鍵數(shù)據(jù)存儲/下載空間2、ThalesZ-MAX型精密GPS接收機使用（3）SysInfo（系統(tǒng)信息）Survey：mode（測量模式）Survconf（測量配置）Session（時段）Settings（設置）Comoptn(端口屬性)RcvrVersionVER：****(接收機版本)RcvrS/N*****接收機序列號Option：****（選配項）BAT：**min（電池電量）MEM：***%(內存容量)Survey：Static(測量：靜態(tài))ANTH：**.****m（天線高）SITE：****(站點號：)STATUS(狀態(tài))Survey：Static(測量：靜態(tài))ELEVMASK**°(截止高度角)RECINT：***.*s（記錄間隔：秒）MODE：********（模式）StopSession（停止時段）ListSession（時段列表）StartSession（開始時段）NewSession（新時段）DeleteAll（刪除時段）MemoryReset（內存復位）ResettofactoryDefault(恢復出廠設置)BaudRate（波特率）Language：（語言）Beep：On（蜂鳴器：打開）Save（記盤）Thalesradoi(泰雷茲電臺)GSMbase(GSM基站)GSMROVR(GSM流動站)PDL(PDL電臺)2、ThalesZ-MAX型精密GPS接收機使用（4）SysInfo（系統(tǒng)信息）Survey：mode（測量模式）Survconf（測量配置）Session（時段）Settings（設置）Comoptn(端口屬性)RcvrVersionVER：****(接收機版本)RcvrS/N*****接收機序列號Option：****（選配項）BAT：**min（電池電量）MEM：***%(內存容量)Survey：Kinematic(測量：動態(tài))SITE：****（站點號：）ANTH：**.****m（天線高）ANTRA：*.****(天線盤半徑)BASEPOS(基準站坐標)STATUS(狀態(tài))Survey：Kinematic(測量：動態(tài))EPOCHCOUNTER：***（歷元計數(shù)）MINSV：*(最少衛(wèi)星數(shù))RECINT：***.*s（記錄間隔：秒）ELEVMASK**°(截止高度角)MODE：********（模式）StopSession（停止時段）ListSession（時段列表）StartSession（開始時段）NewSession（新時段）DeleteAll（刪除時段）MemoryReset（內存復位）ResettofactoryDefault(恢復出廠設置)BaudRate（波特率）Language：（語言）Beep：On（蜂鳴器：打開）Save（記盤）PDL(PDL電臺)PORT:D(電臺端口)PWROFF/ON(開通狀態(tài))PROGRAM(確認)FRQ:0.00000(靈敏度