《GPS误差源》PPT课件

1,第5讲GPS误差源,李永川,2,1.GPS定位误差概述2.与卫星有关的误差3.卫星信号传播误差4.接收设备误差与图形强度,内容概述,3,4,误差的分类：偶然误差内容卫星信号发生部分的随机噪声接收机信号接收处理部分的随机噪声其它外部某些具有随机特征的影响特点随机量级小毫米级,1.GPS定位的误差概述,5,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百米,1.GPS定位的误差概述,6,消除或消弱各种误差影响的方法,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限制：有些误差难以模型化,7,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。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,8,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,9,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限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性,10,1.GPS定位的误差概述,4,11,（1）卫星星历误差（2）卫星钟差（3）相对论效应,GPS卫星的发射,5,2.与卫星有关的误差,12,星历来源星历误差对定位的影响减弱星历误差影响的途径,GPS卫星工作星座,6,（1）卫星星历误差,2.与卫星有关的误差,13,星历来源,卫星星历误差某一瞬间的卫星位置，是由卫星星历提供的，卫星星历误差就是卫星位置的确定误差。星历误差来源其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度。,2.与卫星有关的误差,14,广播星历:根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行外推，通过GPS卫星发播的一种预报星历。实测星历:根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。,星历（1）广播星历（2）实测星历,7,星历来源,2.与卫星有关的误差,15,单点定位星历误差的径向分量作为等价测距误差进入平差计算，配赋到星站坐标和接收机钟差改正数中去，具体配赋方式则与卫星的几何图形有关。,8,星历误差对定位的影响,2.与卫星有关的误差,16,相对定位利用两站的同步观测资料进行相对定位时，由于星历误差对两站的影响具有很强的相关性，所以在求坐标差时，共同的影响可自行消去，从而获得高精度的相对坐标。,星历误差对定位的影响,2.与卫星有关的误差,17,b基线长；db卫星星历误差所引起的基线误差；p卫星至测站的距离；ds星历误差；卫星星历的相对误差。,根据一次观测的结果，可以导出星历误差对定位影响的估算式为：,星历误差对定位的影响,2.与卫星有关的误差,18,建立自己的GPS卫星跟踪网独立定轨相对定位轨道松弛法,9,减弱星历误差影响的途径,2.与卫星有关的误差,在平差模型中把卫星轨道作为初始值，视其改正数为未知数。通过平差求得测站位置及轨道的改正数，这样的方法称为轨道松弛法。由于具有一定局限性，不宜作为GPS定位中的一种基本方法，只能作为无法获得精密星历时的补救措施。,19,卫星钟采用的是GPS时，但尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟）,它们与理想的GPS时之间仍存在着难以避免的频率偏差或频率漂移,也包含钟的随机误差。这些偏差总量在1ms以内，由此引起的等效距离可达300km。,主要误差源,11,（2）卫星钟的钟误差,2.与卫星有关的误差,20,卫星钟差的改正,卫星钟差可通过下式得到改正：,11,（2）卫星钟的钟误差,2.与卫星有关的误差,21,经上述钟差改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，由此引起的等效距离偏差不超过6m。卫星钟差或经改正后的残差，在相对定位中可通过差分法在一次求差中得到消除。,2.与卫星有关的误差,22,不可忽视,（3）相对论效应,2.与卫星有关的误差,23,相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟差的现象。狭义相对论观点一个频率为f0的振荡器安装飞行速度为v的载体上，由于载体的运动，对地面观测者来说将产生频率变化。在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢。,不可忽视,12,（3）相对论效应,2.与卫星有关的误差,（3）相对论效应,2.与卫星有关的误差,24,广义相对论观点处于不同等位面的振荡器，其频率将由于引力位不同而发生变化。相对论效应的影响并非常数，经改正后仍有残差，它对GPS时的影响最大可达70ns，对精密定位仍不可忽略。在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快。,（3）相对论效应,不可忽视,2.与卫星有关的误差,25,相对论效应对卫星钟的影响-狭义相对论广义相对论,令：,（3）相对论效应,26,（1）电离层折射（2）对流层折射（3）多路径误差,3.卫星信号传播误差,27,电离层地球上空大气圈的上层，距离地面高度在501000km之间的大气层。电离层中的气体分子由于受到太阳灯天体各种射线辐射，产生强烈的电离形成大量自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时，如同其他电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。此时用信号的传播时间乘以真空中光速而得到的距离就不会等于卫星至接收机的几何距离。,（1）电离层折射,电离层及其影响,3.卫星信号传播误差,28,常用电离层延迟改正方法分类,经验模型改正方法：根据以往观测结果所建立的模型改正效果：差双频改正方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量效果：改正效果最好实测模型改正方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好,29,对流层及其影响减弱对流层影响的措施用霍普非尔德公式进行对流层折射改正,（2）对流层折射,3.卫星信号传播误差,30,对流层是高度为50km以下的大气层，由于离地面更近，其大气密度比电离层更大，大气状态变化更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低。对流层中虽有少量带电离子，但对电磁波传播影响不大。,18,对流层及其影响,3.卫星信号传播误差,31,用改正模型进行对流层改正利用同步观测值求差,减弱对流层影响的措施,20,3.卫星信号传播误差,32,该方法设备简单，方法易行，但由于水气在空间的分布不均匀，不同时间、不同地点水气含量相差甚远，用通一模型很难准确描述，所以，对流层改正的湿气部分精度较低，只能将湿分量消去80%90%。,21,用改正模型进行对流层改正,减弱对流层影响的措施,3.卫星信号传播误差,33,与电离层的影响类型相似，当两观测站相距不太远时（例如50100km时，对流层折射的影响就成为制约GPS定位精度提高的重要因素。,减弱对流层影响的措施,利用同步观测值求差,3.卫星信号传播误差,35,多路径是指卫星信号通过多个不同路径传到接收到卫星信号的同时，还可能收到经天线周围地物反射的卫星信号，多种信号叠加就会引起测量参考点（相对中心）的位置变化，这种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。,直接信号,多路径信号,反射物,（3）多路径误差,3.卫星信号传播误差,36,多路径误差不仅与反射系数有关，也和反射物离测站的距离及卫星信号方向有关，无法建立准确的误差改正模型，只能恰当地选择站址，避开信号反射物。,24,（3）多路径误差,3.卫星信号传播误差,37,例如：选设点位时应远离大面积平静的水面，较好的站址可选在地面有草丛、农作物等植被能较好吸收微波信号的能量的地方；测站附近不应有高层建筑物，观测时测站附近也不要停放汽车；测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。,（3）多路径误差,3.卫星信号传播误差,38,4.接收设备误差与图形强度,（1）接收机钟误差（2）天线相位中心位置误差（3）等效距离误差（4）几何图形强度,25,39,在GPS测量时，为了保证随时导航定位的需要，卫星钟必须具有极好的长期稳定度。而接收机钟则只需要在一次定位的期间内保持稳定，所以，一般使用短期稳定交好、便宜轻便的石英钟，其稳定度约为10-10。如果接收机钟与卫星钟间的同步差为1s，则由此引起的等效距离差约为300m。,26,（1）接收机钟误差,4.接收设备误差与图形强度,40,减弱接收机钟差比较有效的方法是：把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。伪距测量的数据处理就是根据这一原理进行的。,（1）接收机钟误差,4.接收设备误差与图形强度,41,在静态绝对定位中，可以认为各观测时刻的接收机钟差是相关的，设法建立一个钟误差模型，在平差计算中求解多项式系数。不过接收机钟的稳定性较差，钟差模型不易反映真实情况，难以充分消除其误差影响。此外，还可以通过在卫星间求一次差来削弱接收机钟差的影响。,27,（1）接收机钟误差,4.接收设备误差与图形强度,42,在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，所以天线的相位中心该与其几何中心保持一致。但实际天线的相位中心位置随信号输入的强度和方向不同会发生变化，使其偏离几何中心。这种偏差视天线性能的好坏可达数毫米至数厘米，对精密相对定位也是不容忽视的。,天宝4800GPS结构图,28,（2）天线相位中心位置误差,4.接收设备误差与图形强度,43,29,实际工作中如果使用同一类型天线，在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星，可以通过观测值求差来减弱相位中心偏移的影响。不过这时各测站的天线均应按天线附有的方位标志进行定向，根据仪器说明书的要求，罗盘指向磁北极，其定向偏差应在3o以内。,（2）天线相位中心位置误差,4.接收设备误差与图形强度,44,等效距离误差各项误差投影到测站至卫星方向的具体数值。如果认为各项误差之间相互独立，就可以求出总的等效距离误差，并用0表示。从而0就可以作GPS定位时衡量观测精度的客观标准。,30,（3）等效距离误差,4.接收设备误差与图形强度,45,GPS定位的精度除了取决于等效距离误差0以外，还取决于空间后方交会的几何图形强度。,31,（4）几何图形强度,4.接收设备误差与图形强度,46,GPS星座与测站所构成的几何图形不同，权系数的数值亦不同，此时，即使相同精度的观测值所求得的电位精度也会相同。为此需要研究卫星星座几何图形与定位精度的关系。通常用图形强度因子DOP来表示几何图形强度，其定义是,（4）几何图形强度,4.接收设备误差与图形强度,47,式中0等效距离的标准差mx某定位元素的标准差DOP实际是权系数阵中主对角线元素的函数,（4）几何图形强度,4.接收设备误差与图形强度,48,图形强度因子是一个直接影响定位精度、但又独立于观测值和其他误差之外的一个量。其值恒大于1，最大值1，其大小随时间和测站位置而变化。在GPS测量中，希望DOP值越小越好。,（4）几何图形强度,4.接收设备误差与图形强度,49,在实际工作中，常根据不同的要求采用不同的评价模型和相应的图形强度因子。平面位置图形强度因子HDOP及其相应的平面位置精度,（4）几何图形强度,4.接收设备误差与图形强度,50,高程图形强度因子VDOP及相应的高程精度,34,（4）几何图形强度,4.接收设备误差与图形强度,51,空间位置的图形强度因子PDOP及其相应的三维定位精度,（4）几何图形强度,4.接收设备误差与图形强度,52,接收机钟差图形强度因子TDOP及其钟差精度,（4）几何图形强度,4.接收设备误差与图形强度,53