GPS概論-第七章-GPS誤差來源及其影響課件

全球定位系統(tǒng)概論資源與環(huán)境學院林承達linchengda@

1全球定位系統(tǒng)概論資源與環(huán)境學院1第七章GPS誤差來源及其影響7.1概述7.2鐘誤差7.3相對論效應7.4衛(wèi)星星歷誤差7.5電離層延遲7.6對流層延遲7.7多路徑誤差7.8其他誤差改正2第七章GPS誤差來源及其影響7.1概述27.1GPS測量主要誤差37.1GPS測量主要誤差3與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差相對論效應與傳播途徑有關(guān)的誤差電離層延遲對流層延遲多路徑效應與接收設(shè)備有關(guān)的誤差接收機天線相位中心的偏移和變化接收機鐘差接收機內(nèi)部噪聲GPS測量誤差的來源4與衛(wèi)星有關(guān)的誤差GPS測量誤差的來源4GPS測量誤差的性質(zhì)①偶然誤差內(nèi)容衛(wèi)星信號發(fā)生部分的隨機噪聲接收機信號接收處理部分的隨機噪聲其它外部某些具有隨機特征的影響特點隨機量級小–毫米級5GPS測量誤差的性質(zhì)①偶然誤差5GPS測量誤差的性質(zhì)②系統(tǒng)誤差（偏差-Bias）內(nèi)容其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差特點具有某種系統(tǒng)性特征量級大–最大可達數(shù)百米6GPS測量誤差的性質(zhì)②系統(tǒng)誤差（偏差-Bias）6GPS測量誤差的大小①SPS（無SA）7GPS測量誤差的大?、賁PS（無SA）7GPS測量誤差的大小②SPS（有SA）8GPS測量誤差的大?、赟PS（有SA）8消除或消弱各種誤差影響的方法模型改正法原理：利用模型計算出誤差影響的大小，直接對觀測值進行修正適用情況：對誤差的特性、機制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗公式所針對的誤差源相對論效應電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星鐘差限制：有些誤差難以模型化9消除或消弱各種誤差影響的方法模型改正法9消除或消弱各種誤差影響的方法求差法原理：通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相同或相似的誤差影響適用情況：誤差具有較強的空間、時間或其它類型的相關(guān)性。所針對的誤差源電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星軌道誤差…限制：空間相關(guān)性將隨著測站間距離的增加而減弱10消除或消弱各種誤差影響的方法求差法10消除或消弱各種誤差影響的方法參數(shù)法原理：采用參數(shù)估計的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來適用情況：幾乎適用于任何的情況限制：不能同時將所有影響均作為參數(shù)來估計11消除或消弱各種誤差影響的方法參數(shù)法11消除或消弱各種誤差影響的方法回避法原理：選擇合適的觀測地點，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)備，消除或減弱誤差的影響適用情況：對誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解；具有特殊的設(shè)備。所針對的誤差源電磁波干擾多路徑效應限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性12消除或消弱各種誤差影響的方法回避法127.2鐘誤差定義 物理同步誤差 數(shù)學同步誤差應對方法模型改正 鐘差改正多項式

其中a0為ts時刻的時鐘偏差，a1為鐘的漂移，a2為老化率。相對定位或差分定位衛(wèi)星鐘差137.2鐘誤差定義衛(wèi)星鐘差13接收機鐘差定義 GPS接收機一般采用石英鐘，接收機鐘與理想的GPS時之間存在的偏差和漂移。應對方法作為未知數(shù)處理相對定位或差分定位14接收機鐘差定義147.3相對論效應157.3相對論效應15狹義相對論和廣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)生變化廣義相對論1915將相對論與引力論進行了統(tǒng)一16狹義相對論和廣義相對論狹義相對論16相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響狹義相對論原理：時間膨脹。鐘的頻率與其運動速度有關(guān)。對GPS衛(wèi)星鐘的影響：結(jié)論：在狹義相對論效應作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢17相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響狹義相對論17相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響廣義相對論原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關(guān)對GPS衛(wèi)星鐘的影響：結(jié)論：在廣義相對論效應作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快18相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響廣義相對論18相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響狹義相對論＋廣義相對論令：19相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響令：19解決相對論效應對衛(wèi)星鐘影響的方法方法（分兩步）：首先考慮假定衛(wèi)星軌道為圓軌道的情況；然后考慮衛(wèi)星軌道為橢圓軌道的情況。第一步：第二步：20解決相對論效應對衛(wèi)星鐘影響的方法方法（分兩步）：首先考慮假定7.4衛(wèi)星星歷（軌道）誤差定義 由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星在空間的位置與衛(wèi)星的實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。廣播星歷（預報星歷）的精度 (無SA)20～30米 (有SA)100米精密星歷（后處理星歷）的精度 可達1厘米應對方法精密定軌(后處理)相對定位或差分定位217.4衛(wèi)星星歷（軌道）誤差定義廣播星歷（預報星歷）的精度217.4衛(wèi)星星歷（軌道）誤差星歷誤差對單點定位的影響星歷誤差對單點定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機的距離以及用于定位或?qū)Ш降腉PS衛(wèi)星與接收機構(gòu)成的幾何圖形星歷誤差對相對定位的影響227.4衛(wèi)星星歷（軌道）誤差星歷誤差對單點定位的影響227.4衛(wèi)星星歷（軌道）誤差起因：衛(wèi)星在運動的過程中受到多種攝動力的復雜影響，通過地面監(jiān)控，難以掌握它們的作用規(guī)律。尤其在相對定位中，隨著基線長度的增加，此項誤差成為影響定位精度的主要因素。解決辦法：忽略軌道誤差。采用軌道改進法處理觀測數(shù)據(jù)。（其中包括兩種方法：短弧法和半短弧法）同步觀測求值237.4衛(wèi)星星歷（軌道）誤差起因：衛(wèi)星在運動的過程中受到多種攝7.5電離層延遲247.5電離層延遲24電離層折射的影響起因：和其他電磁信號一樣，GPS信號通過電離層時，將受到一個介質(zhì)彌散特性的影響，使信號的傳播路徑發(fā)生變化。這種影響主要取決于電子總量和信號的頻率。解決辦法： 利用雙頻觀測利用電離層模型加以修正。利用同步觀測求值。25電離層折射的影響起因：和其他電磁信號一樣，GPS信號通過電離地球大氣結(jié)構(gòu)地球大氣層的結(jié)構(gòu)GPS信號在電離層中傳播時，速度和傳播路徑都會發(fā)生變化。26地球大氣結(jié)構(gòu)地球大氣層的結(jié)構(gòu)GPS信號在電離層中傳播時，速度大氣折射效應大氣折射信號在穿過大氣時，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。也稱大氣延遲。在GPS測量定位中，通常僅考慮信號傳播速度的變化。色散介質(zhì)與非色散介質(zhì)色散介質(zhì)：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應也不同非色散介質(zhì)：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應相同對GPS信號來說，電離層是色散介質(zhì)，對流層是非色散介質(zhì)27大氣折射效應大氣折射27相速與群速GPS信號由載波、測距碼和導航電文三部分所組成。用戶可以利用載波和測距碼測定衛(wèi)星到接收機的距離。載波在電離層中以相速傳播，測距碼在電離層中以群速傳播。28相速與群速GPS信號由載波、測距碼和導航電文三部分所組成。2相速與群速相速群速相速與群速的關(guān)系相折射率與群折射率的關(guān)系29相速與群速相速29電離層折射①30電離層折射①30電離層折射②31電離層折射②31電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量電子密度：單位體積中所包含的電子數(shù)?？傠娮雍浚═EC–TotalElectronContent）：底面積為一個單位面積時沿信號傳播路徑貫穿整個電離層的一個柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。32電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量32電子密度與大氣高度的關(guān)系33電子密度與大氣高度的關(guān)系33電子含量與地方時的關(guān)系34電子含量與地方時的關(guān)系34電子含量與太陽活動情況的關(guān)系與太陽活動密切相關(guān)，太陽活動劇烈時，電子含量增加太陽活動周期約為11年1700年–1995年太陽黑子數(shù)35電子含量與太陽活動情況的關(guān)系與太陽活動密切相關(guān)，太陽活動劇烈電子含量與地理位置的關(guān)系2002.5.151:00–23:002小時間隔全球TEC分布36電子含量與地理位置的關(guān)系2002.5.151:00–2常用電離層延遲改正方法分類經(jīng)驗模型改正方法：根據(jù)以往觀測結(jié)果所建立的模型改正效果：差雙頻改正方法：利用雙頻觀測值直接計算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測量效果：改正效果最好實測模型改正方法：利用實際觀測所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），建立模型（如內(nèi)插）效果：改正效果較好37常用電離層延遲改正方法分類經(jīng)驗模型改正37電離層改正的經(jīng)驗模型簡介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)國際參考電離層模型（IRI–InternationalReferenceIonosphere）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(nèi)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)38電離層改正的經(jīng)驗模型簡介Bent模型38電離層延遲的實測模型改正基本思想利用基準站的雙頻觀測數(shù)據(jù)計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的TEC實測模型類型局部模型適用于局部區(qū)域全球模型適用于全球區(qū)域39電離層延遲的實測模型改正基本思想397.6對流層（Troposphere）延遲407.6對流層（Troposphere）延遲40對流層的影響起因：對流層的折射引起的，在天頂方向可使電磁波路徑差達到2.3m，當高度角為10度的時候，影響為20m.解決辦法：定位精度要求不高時，可以簡單忽略。采用對流層模型加以改正。引入描述對流層影響的附加待估參數(shù)。觀測量求差。41對流層的影響起因：對流層的折射引起的，在天頂方向可使電磁波路對流層延遲42對流層延遲42對流層的色散效應對流層的色散效應折射率與信號波長的關(guān)系對流層對不同波長的波的折射效應結(jié)論對于GPS衛(wèi)星所發(fā)送的電磁波信號，對流層不具有色散效應43對流層的色散效應對流層的色散效應43霍普菲爾德（Hopfield）改正模型出發(fā)點導出折射率與高度的關(guān)系沿高度進行積分，導出垂直方向上的延遲通過投影（映射）函數(shù)，得出信號方向上的延遲44霍普菲爾德（Hopfield）改正模型出發(fā)點44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45流層改正模型綜述不同模型所算出的高度角30以上方向的延遲差氣象元素的測定氣象元素干溫、濕溫、氣壓干溫、相對濕度、氣壓測定方法普通儀器：通風干濕溫度表、空盒氣壓計自動化的電子儀器46氣象元素的測定氣象元素46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際大氣狀態(tài)與大氣模型間的差異47對流層模型改正的誤差分析模型誤差47減弱對流層折射改正項殘差影響的主要措施盡可能充分掌握觀測站周圍地區(qū)的實時氣象資料利用水汽輻射計利用相對定位的差分法來減弱對流層大氣折射的影響完善對流層大氣折射改正模型48減弱對流層折射改正項殘差影響的主要措施盡可能充分掌握觀測站周7.7多路徑誤差497.7多路徑誤差49多路徑誤差與多路徑效應多路徑（Multipath）誤差在GPS測量中，被測站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號（反射波）被接收機天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。多路徑效應由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應稱為多路徑效應。50多路徑誤差與多路徑效應多路徑（Multipath）誤差50反射波反射波的幾何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51反射波反射波的幾何特性51多路徑誤差52多路徑誤差52多路徑誤差的特點起因：地面反射物引起的疊加信號。與測站環(huán)境有關(guān)與反射體性質(zhì)有關(guān)與接收機結(jié)構(gòu)、性能有關(guān)53多路徑誤差的特點起因：地面反射物引起的疊加信號。53應對多路徑誤差的方法①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)生多路徑的環(huán)境54應對多路徑誤差的方法①觀測上易發(fā)生多路徑的環(huán)境54應對多路徑誤差的方法②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：窄相關(guān)技術(shù)MEDLL(MultipathEstimatingDelayLockLoop)等