原理及其應(yīng)用lecture 08誤差源

電離層延電離層延GPS測量定位的誤差>GPS測量定位的誤差>電離層延地球大氣結(jié)地球大氣結(jié)地球大氣層的結(jié)GPS測量定位的誤差>電離層延GPS測量定位的誤差>電離層延>大氣折射效大氣折射效?大氣延在GPS測量定位中，通常僅考慮信號傳播速度的變色散介質(zhì)與非色散介?–色散介質(zhì)：信號在介質(zhì)中的傳播速度與頻率有–非色散介質(zhì)：信號在介質(zhì)中的傳播速度與頻率無對GPS信號來說，電離層是色散介質(zhì)，對流層是非色介–GPS測量定位的誤差>GPS測量定位的誤差>電離層延>大氣折射效電離層延?電離層是高度在60～1000km之間的大氣層。在太陽紫外線子密度和信號頻?這就使得信號傳播時間與光速c的乘積所得的距離中含有層延遲一般在9～45m之間變GPS測量定位的誤差>電離層延>相速與群相速與群相假設(shè)單一頻率電磁波在空間傳播，其波長為，頻率為GPS測量定位的誤差>電離層延>相速與群相速與群相假設(shè)單一頻率電磁波在空間傳播，其波長為，頻率為?c n10-6-10-10-10-相折射率：nph2f近似地可取: 2fccc(140.3Ne 2fe2fffGPS測量定位的誤差>電離層延>相速與群相速與群群?c nc--GPS測量定位的誤差>電離層延>相速與群相速與群群?c nc--在忽略f3和f422fvdc240.3Ne(Hz2ccc ）2fn 2f因Ne為電子密度,恒為正值nph，或vgrcvph>電離層折電離層折射對相位所造成的距離延遲ionocdt dtN>電離層折電離層折射對相位所造成的距離延遲ionocdt dtNe2f電離層折射對測碼偽距所造成的距離延遲ionodt cdt N e2f令總電子含量TECNeds40.32f40.32fGPS測量定位的誤差>電離層延>電子密GPS測量定位的誤差>電離層延>電子密度與總電子含電子密度與總電子含–總電子含量（TEC–TotalVTEC（VerticalTEC）：天頂方向的總電子含量，反映測1TECU：1016電子數(shù)–電離層–2柱體底面積為1地球–GPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>電子密度與總電子含電子密度與總電子含PhasedelayinmetersandnanosecondswithrespecttotheGPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>電子密度與大氣高度的關(guān)電子密度與大氣高度的關(guān)GPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>電子含量與地方時的關(guān)電子含量與地方時的關(guān)GPS測量定位的誤差>電離GPS測量定位的誤差>電離層延>電子含量與太陽活動情況的關(guān)電子含量與太陽活動情況的關(guān)?與太陽活動密切相關(guān)，太陽活動周期約為11?1700–1995年太陽黑子GPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>電子含量與太陽活動情況的關(guān)電子含量與太陽活動情況的關(guān)GPS測量定位的誤差>GPS測量定位的誤差>電離層延VTEC的季節(jié)性變VTEC季節(jié)性變?與地球至太陽的距以及太陽光的入射GPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>電子含量與地理位置的關(guān)電子含量與地理位置的關(guān)GPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延小從上面的分析可知，根據(jù)TEC，就可以求出衛(wèi)TEC與時間t、地點(,因素有尚未從理論上徹底搞清楚TEC與上述各種因素/嚴(yán)密公式以及太陽活動的程GPS測量定位的誤差>電離層延GPS測量定位的誤差>電離層延電離層延遲與頻率的關(guān)40.32fGPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>常用電離層延遲改正方法分常用電離層延遲改正方法分????經(jīng)驗?zāi)Ｐ透碾p頻改GPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃嗠婋x層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喗?Bent模–由美國R.B.Bent提–根據(jù)衛(wèi)星測量結(jié)果、2層峰值模型及地面站位置，頂部采用3個指數(shù)層與1個拋物線層逼近、底部用雙拋物函數(shù)–是測站位置、時間、太陽黑子和太陽輻射流量的函–參考文獻(xiàn)BentBBetal(1978)SymposiumontheeffectoftheionosphereonspacesystemandGPS測量定位的誤差>電離層延GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃嗠婋x層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喗?國際參考電離層模型（IRIInternationalReference–由國際無線電科學(xué)聯(lián)盟和空間研究委員會于1978年提出，將電離層劃分為頂部、F2層、F1層、中間區(qū)域描述高度為m的電離層電子密度、離子密度、電子溫度、電離層溫度、電離層的成分、電子含量等參數(shù)時空以地點、時間、日期和太陽黑子等為參參考文獻(xiàn)：BilitzaD(1990)Internationalreferenceionosphere1990.NSSDC/WDC-A-R&S90-22.–––GPS測量定位的誤差>GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喰?上述兩種模型和改正公式都是根據(jù)全球各電離層測站長期積累的大量觀測資料擬合出來的模型和經(jīng)驗公式，被電離層研究和無線電通信領(lǐng)域的用戶廣型進(jìn)行改??GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喐鶕?jù)IRI2007模型求解的20081820590.00---2008110 0.00CHAMP衛(wèi)星（大約400KM）受到的VTEC（采樣間隔50-0 10001200140016001800EPOCHGPS測量定位的誤差>電離層延>電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喐鶕?jù)IRI2007模型求解的20081820590.00---2008110 0.00CHAMP衛(wèi)星（大約400KM）受到的VTEC（采樣間隔50-0 10001200140016001800EPOCHGPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃嗠婋x層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喗?Klobuchar模由美國的J.A.Klobuchar于1975年提廣泛地用于GPS單頻用戶導(dǎo)航定GPS測量定位的誤GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃咷PS測量定位的誤差>電離層延Klobuchar模KlobucharGPS測量定位的誤差>電離層延Klobuchar模Klobuchar模?中心電離將整個電離層中的自天頂方Z電離中心電離約電離層穿刺點地GPS測量定位的誤差>電離層延>Klobuchar模Klobuchar模GPS測量定位的誤差>電離層延>Klobuchar模Klobuchar模(tA2AAT312A4GPS測量定位的誤差>電離層延>GPS測量定位的誤差>電離層延>Klobuchar模Klobuchar模 5109Acos2(t14hgPAimi；33Pi t,m為信號的電離層穿刺點IP處的時角和地磁緯GPS測量定位的誤差>電離層延>Klobuchar模Klobuchar模計算測站S和IP在地心的夾角：EA(GPS測量定位的誤差>電離層延>Klobuchar模Klobuchar模計算測站S和IP在地心的夾角：EA( )el計算IP點的地心經(jīng)緯度IPSEAcos天頂方向Z電離層sin中心電離層EA；SS約350電離層穿刺點t為IP處的地方時tUT測站S有mIP10.07cos(IPEA96elZ為衛(wèi)星信號在IP處的天頂距cZ12Tisecgg地心GPS測量定位的誤GPS測量定位的誤差>電離層延>Klobuchar模Klobuchar模Klobuchar模型的改正量為實際延遲量的60％左優(yōu)點是單頻用戶無須其他系統(tǒng)支持即可獲得近似可被應(yīng)用到LEO衛(wèi)星的單頻GPS電離層延遲改GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的雙頻改電離層延遲的雙頻改正 40.3 ffAf令A(yù)40.3TEC，即有電離層延遲改正Viono由于L1和L2是沿同一路徑傳播，具有相同的A2A2則：S1GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的雙頻改電離層延遲的雙頻改正 40.3 ffAf令A(yù)40.3TEC，即有電離層延遲改正Viono由于L1和L2是沿同一路徑傳播，具有相同的A2A2則：S12ff12f2 22222AA2A2得：12 A12f22222ffffff21 1221f2f2222222 V1V1VV 22ff210.6469Viono0.3928V 1.545731.54573c2.545732.54573c V GPS測量定位的誤差>電離GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的雙頻改電離層延遲的雙頻改正?基本思想：衛(wèi)星信號所受到的電離層延遲與信號頻率成比，兩個不同的頻率信號將沿著同一路徑達(dá)到接收機，如精確測定到接收機的時間差，即可反推出各個信號的電離層延m 6.48m2 Viono1.54573 Viono2.54573 GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的雙頻改電離層延遲的雙頻改正?線性組合A12f1A22f2AAm(mn)n1222ff12AA1nmGPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的雙頻改電離層延遲的雙頻改正?線性組合A12f1A22f2AAm(mn)n1222ff12AA1nm(f1L 2222ff11222f212mn(f2Pf2PP3 f222ff22f1m,n12, 22222m 2212112GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的雙頻改電離層延遲的雙頻改?顧及信號在衛(wèi)星內(nèi)的時延差后的雙頻改正公AccL1C/2f1Acc2f2m,nmL1C/nL2CGPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的雙頻改電離層延遲的雙頻改?顧及信號在衛(wèi)星內(nèi)的時延差后的雙頻改正公AccL1C/2f1Acc2f2m,nmL1C/nL2Cc(mn)cmISCL1C/AcnAA(mn)n22ff12AAnm22ff22m,n12ff,12 2222mn1212))12GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的雙頻改電離層延遲的雙頻改?線性組合A(N)GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的雙頻改電離層延遲的雙頻改?線性組合A(N)1 2fmfnf1A21(N)2 2f22f1fc1212 22222211GPS測量定位的誤GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的雙頻改電離層延遲的雙頻改小利用兩個頻率來進(jìn)行電離層延遲改正時，可獲得較的精度；采用載波相位觀測值時，其誤差一般不會超過幾個厘米；采用碼相位觀測值時，其誤差較大，這主要GPS測量定位的誤差>電GPS測量定位的誤差>電離層延>格網(wǎng)模電離層格網(wǎng)改正法??美國廣域差分增強系統(tǒng)利用地面監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)，計算觀測視線方向穿刺點的電離層延遲，依據(jù)格網(wǎng)點和穿刺點的函數(shù)關(guān)系，求解得到格網(wǎng)點電離層延遲，發(fā)送給用戶。用戶利用這些格網(wǎng)點電離層延遲以及所觀測衛(wèi)星的穿刺點所在的格網(wǎng)內(nèi)插求得電離參考文獻(xiàn)：U.SDepartmentofTransportationFederalAviationAdministrationSpecificationForWideAreaAugmentationSystem(WAAS)??GPS測量定位的誤差>GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改電離層延遲的實測模型改正?背景：大量的單頻接收機；如果只使用經(jīng)驗?zāi)Ｐ托须婋x層延遲改正，其精度較差基本思利用基準(zhǔn)站的雙頻觀測數(shù)據(jù)計算電離層延利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球TEC實測模類局部模型：適用于局部區(qū)域（曲面擬合全球模型：適用于全球區(qū)域（格網(wǎng)、球諧函數(shù)??GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改利GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改利用基準(zhǔn)站的雙頻觀測數(shù)據(jù)計算電離層延40.312f140.322f2TEC1TEC9.52437(1122GPS測量定位的誤差>電離層延>電GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改利用基準(zhǔn)站的雙頻觀測數(shù)據(jù)計算穿刺點處的RzsinsinRVTECTECcosZGPS測量定位的誤差>電離層GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改?在一個時段內(nèi)，假設(shè)有L個觀測歷元，每個歷元從m個測站上對n顆衛(wèi)星進(jìn)行了跟蹤，則可以獲得L×m×n個穿刺點上的VTEC值??基時段該區(qū)域的VTEC模型VTECB,Lt時段長一般選擇2~4小時，有必要時可以根據(jù)該模外推20~30分鐘，供導(dǎo)航和實時用戶使用GPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改?由于上述模型是依據(jù)某一時段中某一區(qū)域內(nèi)實際定的VTC值，采用一定的數(shù)學(xué)模型擬合出來的，因而并不要求我們對電離層延遲的變化規(guī)律和原因有影響模型的主要應(yīng)素有：監(jiān)測站的數(shù)量及其地理?GPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改衛(wèi)星：GNSS近100個，分布均地面站1、已知近似坐2、配備雙頻接收機，且能長期觀3、按規(guī)定及時傳輸資連GPS測量定位的誤差>GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改觀測值1．測碼偽距觀測需雙頻P碼觀測值，精度大致在分米到亞米級?？刹捎孟辔黄交瑐尉?、Kalman濾波等方法提高觀測值的精度。數(shù)據(jù)2．載波相位觀測電離層延遲和硬件延遲（衛(wèi)星和接收機內(nèi)部延遲）強相GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改電離層延遲的實測模型改?局部（區(qū)域性）的實測模型改–曲面擬合nmax緯太陽時角VTEC(,s)Enmn00、0為測區(qū)中心點的地理緯度和經(jīng)s0為測區(qū)中心點在該時段中央時刻t0時的太陽時t時刻時角差：ss0=（0）+（t為穿刺點的地理經(jīng)nmaxmmax為以和s為變量展開式的最高階數(shù)當(dāng)觀測時段長度為4h，測區(qū)范圍不超過一個洲時，最佳階數(shù)分別(0)取1~2階，（SS0）取2~4(0GPS測量定位的誤GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改–適用范圍：局部地區(qū)的電離層延遲改GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改電離層延遲的實測模型改?全球（大范圍）的實測模型改–球諧方nVTEC(,s)n0sincosmsbnmsin，為IP點的地理緯度和地理經(jīng)度，0為太陽的地理經(jīng)度s為IP點的太陽時角：snmax為球諧展開式的最高階數(shù)n階m次正規(guī)化締合勒讓德(Legendre)多項式CODE發(fā)布：假設(shè)中心電離層高度為450km，實時和事適用范圍：用于大范圍和全球的電離層延遲改GPS測量定位的誤差GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改電離層延遲的實測模型改?全球（大范圍）的實測模型改格網(wǎng)化的電離層延遲改正模型—提供時段長度為2h，經(jīng)差為o和緯差o為的C格網(wǎng)圖，用戶在時間和經(jīng)緯度間進(jìn)行內(nèi)插，即刻獲得觀測值電離層數(shù)據(jù)格式開展衛(wèi)星內(nèi)部的時延差工圖3-10武漢站IONEX圖3-10武漢站IONEX1TECU----GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改電離層延遲的三頻改正c n10-6GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改電離層延遲的三頻改正c n10-6-10-10-10- ccc(140.3Ne 140.3N2f2f電離層折射對相位所造成的距離延遲iono dt 響為24.8mm，L2載波高階項影響為52.4mm。GPS現(xiàn)代化后，存在三個頻率，為消除f3項提供可fffGPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測GPS測量定位的誤差>電離層延>電離層延遲的實測模型改電離層延遲的三頻改直接改正AB3S2ffii載波相位：AK1TECB=-K2s