GPS測(cè)量的誤差源及其影響.ppt

1、GPS原理及其應(yīng)用,05地信 王宇明,6.1 GPS測(cè)量主要誤差分類,誤差分類 按性質(zhì)分 系統(tǒng)誤差（偏差 - Bias） 衛(wèi)星軌道誤差 衛(wèi)星鐘差 接收機(jī)鐘差 大氣折射誤差 偶然誤差 多路徑效應(yīng)誤差 觀測(cè)誤差,六、GPS測(cè)量的誤差源及其影響,誤差分類（續(xù)） 按來源分 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 衛(wèi)星軌道誤差 衛(wèi)星鐘差 相對(duì)論效應(yīng) 與傳播途徑有關(guān)的誤差 電離層延遲 對(duì)流層延遲 多路徑效應(yīng) 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差 接收機(jī)天線相位中心的偏差和變化 接收機(jī)鐘差 接收機(jī)噪聲,7.2 與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差電離層折射,地球的大氣,由太陽幅射造成氣體電離形成電離層。電磁波信號(hào)經(jīng)過電離層速度發(fā)生變化。,相速與群速 相速 群速

2、 相速與群速的關(guān)系 相折射率與群折射率的關(guān)系,電離層屬彌散介質(zhì)，電磁波在其中傳播，其速度與頻率有關(guān),電離層折射,碼相位在電離層被延遲（群速） 載波相位在電離層超前（相速）,電離層折射（續(xù)）,C/A碼是方波,電離層改正的大小主要取決于電子總量和信號(hào)頻率,其速度與頻率有關(guān),電離層對(duì)C/A碼影響,在電離層中以群速Vg傳播,電離層對(duì)載波影響,載波是正弦波 在電離層中以相速度傳播 電離層影響與太陽黑子活動(dòng)有關(guān) 與衛(wèi)星到接收機(jī)方向有關(guān)，天頂方向最大50m延遲高度角20時(shí)150m延遲,影響電子密度和總電子含量的因素 電子密度與總電子含量 電子密度：?jiǎn)挝惑w積中所包含的電子數(shù)。 總電子含量（TEC Total

3、Electron Content）：底面積為一個(gè)單位面積時(shí)沿信號(hào)傳播路徑貫穿整個(gè)電離層的一個(gè)柱體內(nèi)所含的電子總數(shù),高度與電子密度的關(guān)系,地方時(shí)與電子含量的關(guān)系,太陽活動(dòng)情況與電子含量的關(guān)系 與太陽活動(dòng)密切相關(guān) 太陽活動(dòng)劇烈時(shí)，電子含量增加 太陽的活動(dòng)周期約為11年,2002.5.15 1:00 23:00 2小時(shí)間隔全球TEC分布,地理位置與電子含量的關(guān)系,電離層延遲的改正方法 概述 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼?雙頻改正 實(shí)測(cè)模型改正,電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Bent模型 由美國的R.B.Bent提出 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) 國際參考電離層模型（IRI Internationa

4、l Reference Ionosphere） 由國際無線電科學(xué)聯(lián)盟（URSI International Union of Radio Science）和空間研究委員會(huì)（COSPAR - Committee on Space Research）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(diǎn)、時(shí)間、日期等為參數(shù) Klobuchar模型 特點(diǎn) 由美國的J.A.Klobuchar提出 描述電離層的時(shí)延 廣泛地用于GPS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)供用戶使用,Klobuchar模型（續(xù)） 中心電離層,中心電離層示意,Klobu

5、char模型（續(xù)） 模型算法,Klobuchar模型（續(xù)） 模型算法（續(xù)） 改正效果：可改正60左右,電離層延遲的雙頻改正,電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正 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 利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的的TEC實(shí)測(cè)模型 局部（區(qū)域性）的實(shí)測(cè)模型改正 方法 適用范圍：用于局部地區(qū)的電離層延遲改正,電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正 全球（大范圍）的實(shí)測(cè)模型改正 方法 適用范圍：用于大范圍和全球的電離層延遲改正 格網(wǎng)化的電離層延遲改正模型,6.2 與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差對(duì)流層折射,地球的大氣,對(duì)流層延遲和對(duì)流層延遲改正 定義,對(duì)流層延遲和對(duì)流層延遲改正（續(xù)） 大氣折射率N

6、與氣象元素（溫度、氣壓和濕度）的關(guān)系 Smith和Weintranb，1954 對(duì)流層延遲與大氣折射率N,霍普菲爾德（Hopfield）改正模型 出發(fā)點(diǎn),霍普菲爾德（Hopfield）改正模型（續(xù)） 對(duì)流層折射模型 投影函數(shù)的修正,薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型 原始模型 擬合后的公式,勃蘭克（Black）改正模型,對(duì)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,氣象元素的測(cè)定 氣象元素 干溫、濕

7、溫、氣壓 干溫、相對(duì)濕度、氣壓 水氣壓es的計(jì)算方法 由相對(duì)濕度RH計(jì)算 由干溫、濕溫和氣壓計(jì)算,誤差分析 模型誤差 氣象元素誤差 量測(cè)誤差 儀器誤差 讀數(shù)誤差 測(cè)站氣象元素的代表性誤差 實(shí)際大氣狀態(tài)與大氣模型間的差異,6.2 與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差多路徑誤差,多路徑（Multipath）誤差 在GPS測(cè)量中，被測(cè)站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號(hào)（反射波）被接收機(jī)天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測(cè)值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。 多路徑效應(yīng) 由于多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)。,應(yīng)對(duì)多路徑誤差的方法 觀測(cè)上 選擇合適的測(cè)站 硬件上 采用抗多路徑誤差

8、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(jī)：窄相關(guān)技術(shù)MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等 數(shù)據(jù)處理上 加權(quán) 參數(shù)法 濾波法 信號(hào)分析法,6.3 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星星歷誤差,定義 由星歷所給出的衛(wèi)星在空間的位置與衛(wèi)星實(shí)際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。在GPS定位導(dǎo)航應(yīng)用中，衛(wèi)星星歷誤差特指GPS衛(wèi)星的星歷誤差 星歷數(shù)據(jù)來源 廣播星歷（預(yù)報(bào)星歷）：每小時(shí)更新一次（導(dǎo)航電文第1、2、3子楨更新時(shí)間） 精密星歷（實(shí)測(cè)星歷）：測(cè)后12星期可得到,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)星到接收機(jī)

9、的距離以及用于定位或?qū)Ш降腉PS衛(wèi)星與接收機(jī)構(gòu)成的幾何圖形 星歷誤差對(duì)相對(duì)定位的影響,由星歷誤差引起的基線誤差,星歷誤差,基線長,星站距離,解決星歷誤差的方法 建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立定軌 軌道松弛法：平差模型中星歷軌道作初始值，改正數(shù)為未知數(shù)，平差同時(shí)求得測(cè)站位置和軌道的改正數(shù)。常采用： 半短弧法：將軌道的徑向、切向和法向3個(gè)改正數(shù)作為未知數(shù) 短弧法：6個(gè)軌道偏差改正數(shù)作未知數(shù)。 同步觀測(cè)求差：不同測(cè)站間同步觀測(cè)求差,6.3 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星鐘誤差,衛(wèi)星鐘誤差 包括鐘差、頻偏、頻飄和鐘的隨機(jī)誤差 由衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供： 衛(wèi)星鐘偏差 參考?xì)v元 衛(wèi)星鐘差 衛(wèi)星鐘的鐘速（或頻率偏差） 衛(wèi)星鐘的鐘速變

10、化率 衛(wèi)星鐘誤差經(jīng)改正后還存在較大殘余誤差，這部分殘余誤差可以采用接收機(jī)間求差的方法予以消除,6.3 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差相對(duì)論效應(yīng),狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論 狹義相對(duì)論 相對(duì)運(yùn)動(dòng)頻移 廣義相對(duì)論 引力頻移,相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響 狹義相對(duì)論 原理：時(shí)間膨脹。鐘的頻率與其運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。 對(duì)GPS衛(wèi)星鐘的影響： 結(jié)論：在狹義相對(duì)論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢,相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響（續(xù)） 廣義相對(duì)論 原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關(guān) 對(duì)GPS衛(wèi)星鐘的影響： 結(jié)論：在廣義相對(duì)論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快,相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響（續(xù)） 狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論,解決相對(duì)論效應(yīng)影響的方法 方法

11、（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：,6.4 與接收機(jī)有關(guān)的誤差,主要有： 接收機(jī)鐘誤差 接收機(jī)位置誤差 天線相位中心偏差 幾何圖形強(qiáng)度誤差,接收機(jī)鐘誤差,定義：接收機(jī)鐘的誤差導(dǎo)致定位導(dǎo)航的誤差 減弱方法 將接收機(jī)鐘差當(dāng)作獨(dú)立未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中與接收機(jī)位置同時(shí)求解 認(rèn)為各時(shí)刻接收機(jī)鐘差相關(guān)，將接收機(jī)鐘差表示為時(shí)間多項(xiàng)式 通過在衛(wèi)星間求差予以消除,接收機(jī)位置誤差,定義：接收機(jī)天線相位中心經(jīng)天線高改正后與測(cè)點(diǎn)位置的偏差 天線置平和對(duì)中誤差，量取天線高誤差,L2的平均相位中心,1,2,L1的平均相位中心,r1,r2,天線相位中心位

12、置的偏差,天線相位中心位置 天線的平均相位中心與幾何中心：理論上應(yīng)一致 天線平均相位中心的偏差：隨信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向而變化，與理論上的相位中心有差別 天線平均相位中心偏差的消除：歸心改正、消去法,6.5 其他誤差,地球自轉(zhuǎn)的影響 地球潮汐改正,模型改正法 原理：利用模型計(jì)算出誤差影響的大小，直接對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正 適用情況：對(duì)誤差的特性、機(jī)制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗(yàn)公式 所針對(duì)的誤差源 相對(duì)論效應(yīng) 電離層延遲 對(duì)流層延遲 衛(wèi)星鐘差 限制：有些誤差難以模型化,6.6 小結(jié)消除或消弱各種誤差影響的方法和措施,消除或消弱各種誤差影響的方法和措施,求差法 原理：通過觀測(cè)值間一定方式的相

13、互求差，消去或消弱求差觀測(cè)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(qiáng)的空間、時(shí)間或其它類型的相關(guān)性。 所針對(duì)的誤差源 如對(duì)流層延遲 對(duì)流層延遲 衛(wèi)星軌道誤差 限制：空間相關(guān)性將隨著測(cè)站間距離的增加而減弱,消除或消弱各種誤差影響的方法和措施,參數(shù)法 原理：采用參數(shù)估計(jì)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(shí)將所有影響均作為參數(shù)來估計(jì),消除或消弱各種誤差影響的方法和措施,回避法 原理：選擇合適的觀測(cè)地點(diǎn)，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測(cè)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(duì)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(duì)的誤差源 電磁波干擾 多路徑效應(yīng) 限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性,思考題,1：影響TEC的因素有哪些？ 2：狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘分別產(chǎn)生怎樣的影響？怎樣解決？ 3：應(yīng)對(duì)多路徑效應(yīng)影響的方法有哪些?,本章練習(xí)題,1在GPS測(cè)量定位中，其主要誤差源是什么誤差？系統(tǒng)誤差主要包括