李玉柏卫星导航与定位006- GPS定位误差分析(第五版)ppt课件

第六讲 GPS定位误差分析 各种误差源及其修正方法 第6章 GPS定位误差分析 6 1GPS定位中的误差源概述 6 2时钟误差 6 3相对论效应 6 4电离层延迟 6 5对流层延迟 6 6多路径误差 6 7其他误差改正 1 GPS测量定位的误差源 与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应 GPS测量误差的来源 与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏移和变化接收机钟差接收机内部噪声 GPS测量误差的来源 1 GPS测量误差的性质 偶然误差内容卫星信号发生部分的随机噪声 如钟差接收机信号接收处理部分的随机噪声 如噪声 接收处理噪声其它外部某些具有随机特征的影响特点随机 一种分布量级小 分米级 GPS测量误差的来源 系统误差 偏差 Bias 内容其它具有某种系统性特征的误差特点具有某种系统性特征量级大 最大可达数十米 SPS 无SA 2 GPS测量误差的大小 GPS测量误差的大小 SPS 有SA 引入 t 模型改正法原理 利用模型计算出误差影响的大小 直接对观测值进行修正适用情况 对误差的特性 机制及产生原因有较深刻了解 能建立理论或经验公式所针对的误差源相对论效应电离层延迟对流层延迟卫星钟差 3 消除或消弱各种误差影响的方法 求差法原理 通过观测值间一定方式的相互求差 消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响 适用情况 误差具有较强的空间 时间或其它类型的相关性 比如差分定位和相对定位 所针对的误差源电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差 限制 空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱 消除或消弱各种误差影响的方法 参数法原理 采用参数估计的方法 将系统性偏差求定出来适用情况 几乎适用于任何的情况限制 不能同时将所有影响均作为参数来估计 消除或消弱各种误差影响的方法 消除或消弱各种误差影响的方法 回避法原理 选择合适的观测地点 避开易产生误差的环境 采用特殊的观测方法 采用特殊的硬件设备 消除或减弱误差的影响适用情况 对误差产生的条件及原因有所了解 具有特殊的设备 所针对的误差源电磁波干扰多路径效应 2 卫星钟差 卫星上虽然使用了高精度的原子钟 但仍存在着误差 既包含着系统性的误差 由钟差 频偏 频漂等产生的误差 也包含着随机误差 系统误差远比随机误差大 但前者可以通过模型加以改正 SA技术实施后 卫星钟误差中又引入了由于人为原因而造成的信号的随机抖动 卫星钟差应对方法模型改正相对定位或差分定位 卫星钟差 模型改正 采用钟差改正多项式 其中 a0为ts时刻的时钟偏差 a1为钟速的偏差 a2为钟速的漂移 TGD卫星群延迟 Toc为卫星时钟修正参数的参考时间 3 相对论效应 狭义相对论 运动将使时间 空间和物质质量发生变化 狭义相对论描述了时间膨胀 钟的频率与其运动速度有关 对GPS卫星钟的影响 结论 在狭义相对论效应作用下 卫星上钟的频率将变慢 相对论效应 广义相对论 将相对论与引力论进行了统一 原理 钟的频率与其所处的重力位有关对GPS卫星钟的影响 结论 在广义相对论效应作用下 卫星上钟的频率将变快 方法 分两步 首先假定卫星轨道为圆轨道的情况 再考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况 第一步 第二步 解决相对论效应对卫星钟影响的方法 一个完整的卫星时钟修正公式如下 解释该公式中个参数的含义 课堂练习 4 电离层延迟 大气层aerosphere又叫大气圈 地球就被这一层很厚的大气层包围着 厚度大约在1000千米以上 没有明显的界限 大气层随高度不同表现出不同的特点 分为 对流层troposphere 8 18公里 平流层stratosphere 8 18 55 60公里 电离层ionosphere 55 60 1000公里 中间层和散逸层mesosphere 再上面就是星际空间了 1 地球大气结构 地球大气层的结构 大气对电磁波的折射效应 大气折射效应信号在穿过大气时 速度将发生变化 传播路径也将发生弯曲 也称大气延迟 在GPS测量定位中 通常仅考虑信号传播速度的变化 色散与非色散介质 对不同频率的信号所产生的折射效应不同 称为色散介质 对不同频率的信号所产生的折射效应相同 称为非色散介质 对GPS信号来说 电离层是色散介质 对流层是非色散介质 2 电子密度与总电子含量 电子密度与总电子含量电子密度 单位体积中所包含的电子数 总电子含量 TEC TotalElectronContent 底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数 电子密度与总电子含量 电子含量与地理位置的关系 电子密度与总电子含量 电子密度与大气高度的关系 3 电离层的折射与计算 电离层相折射率n相速度群速度 假设相折射率级数展开 可推得 电离层的折射与计算 假设卫星导航信号直达用户距离So 折射到达用户举例S 计算电离层产生时延距离 C2参数与每立方米上的电子数Ne有关 电离层的折射与计算 C2参数与每立方米上的电子数Ne有关 电离层折射对相位所造成的距离延迟电离层折射对群延迟CA码所造成的距离延迟 4 常用电离层延迟改正方法分类 电离层延迟特点 电离层充满大量的自由电子 其折射效应与信号的频率有关 与信号频率的平方成反比 色散效应 同时传输延时与信号传播途径上的电子密度有关 而电子密度又与高度 时间 季节 地理位置 太阳活动等有关 电离层对载波和测距码的影响 大小相等 符号相反 常用电离层延迟改正方法分类 电离层延迟应对方法 模型改正 单层电离层模型 双频改正 相对定位 GPS采用的电离层改正的经验模型 Klobuchar模型称为克罗布歇模型由美国的J A Klobuchar提出的单层电离层模型 描述电离层的时延 广泛地用于GPS导航定位中 GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用 Klobuchar模型 具体模型表达式 Klobuchar模型 具体模型算法 Klobuchar模型 具体模型算法具体说明 Klobuchar模型 具体模型算法 5 对流层Troposphere延迟 对流层位于大气的最低层 集中了约75 的大气的质量和90 以上的水汽质量 其高度随地理纬度和季节而变化 在低纬度地区平均高度为17 18公里 极地平均为8 10公里 并且夏季高于冬季 对流层延迟的干分量与湿分量相对与GPS信号 与信号的频率无关 非色散 应对方法相对定位 模型改正 对流层Troposphere延迟 同电离层的影响相比 对流层的影响会小一个量级 导航卫星不发送能够修正对流层影响的任何参数 在工程上有一些简单模型 气象元素 干温 湿温 气压Hopefield模型 Saastamoinen模型等 比如简化的霍普菲尔德Hopefield改正模型 6 多路径误差 多路径 Multipath 误差在GPS测量中 用户附近的物体所反射的卫星信号被接收机天线所接收 与直接来自卫星的信号产生干涉 从而使观测值偏离真值产生所谓的 多路径误差 多路径效应由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应 1 反射波的几何特性 反射波的物理特性反射系数a极化特性GPS信号为右旋极化反射信号为左旋极化 反射波相对直达波的路径长度变化 反射波相对直达波的相位 2 多路径效应影响的接收信号 受多路径效应影响的情况下的接收信号 讨论1 代表多径信号衰减 2 代表多径信号的相位延迟 多路径效应影响的接收信号 3 当 2n 1 直接衰减接收信号 影响接收灵敏度 2n 直接增强接收信号 4 一般情况会多径信号使得相关峰不明确 而使得接收信号时间估计不准 影响伪距计算 3 应对多路径误差的方法 布站 选择合适的测站避开易产生多路径的环境 硬件 采用抗多路径误差的设备抗多路径的天线 带抑径板或抑径圈的天线 极化天线抗多路径的接收机 窄相关技术MEDLL MultipathEstimatingDelayLockLoop 等 抗多路径效应的天线 7 其他误差改正 引力延迟地球自转改正地球潮汐改正接收机的位置误差天线相位中心偏差 1 地球自转改正 GPS提供的星历是WGS 84坐标系坐标 WGS 84坐标系为地固坐标系 而地球并非不动体 它在不停自转 GPS信号自卫星到地面测站 需要一段传播时间 如果以用户为标准 卫星坐标发生了的变化量 这必然引起卫星到测站的几何距离发生变化 设变化量可由微分公式可算出 其中 地球自转改正 若取 为地球的自转速度 则旋转的角度为 ij ij为卫星信号传播到观测站的时间延迟 由此引起卫星在用户坐标系中的变化为 随堂练习 请同学推导以上公式 并化简 2 接收机的位置及天线相位中心误差 定义 接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差 应对方法 正确对中整平或采用强制对中装置 卫星天线相位中心偏差改正接收机天线相位中心变化的改正GPS测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准的 天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致 可是接收机天线接收到的GPS信号是来自四面八方 随着GPS信号方位和高度角的变化 接收机天线的相位中心的位置也在发生变化 思考题与习题 1 在GPS卫星导航定位中 其主要的误差源是什么误差 2 在GPS卫星导航定位中哪些误差源是系统误差 哪些是偶然误差 3 简述在GPS卫星导航定位中 与传播途径有关的误差有哪些 4 星历误差对定位的影响有哪些 减少星历误差的途径有哪几种 5 减少电离层和对流层的有效措施有哪些 6 如何防止多径效应对定位的影响 电子科技大学欢迎您 联系方式 ybli 相速度和群速度的理解 相速度是光的等相位面传播的速度 也就是相同震动形式的传播速度 在单色光中和复色光中就是光的传播速度 群速度可以理解为多个频率的光相互影响和形成的一个周期性的复杂震动传输速度 箭头指的移动速度是相速 相位的传播速度圆圈指的移动速度是群速 波包的传播速度 相速度和群速度的理解 也就是说 相速度是所有光频率形成的复杂周期