GPS的误差源学习课程

1、1第第1节节 GPS测量的环节及影响测量的环节及影响因素因素第1页/共67页第一页，编辑于星期五：二十二点 五分。2GPS测量的环节测量的环节单点定位单点定位GPS测量的环节测量的环节第2页/共67页第二页，编辑于星期五：二十二点 五分。3影响影响GPS测量的因素测量的因素 与卫星有关的因素 卫星轨道误差，卫星钟差，相对论效应 与传播途径有关的因素 电离层（折射）延迟，对流层（折射）延迟，多路径效应 与接收设备有关的因素 接收机天线相位中心的偏移和变化，接收机钟差，接收机内部噪声第3页/共67页第三页，编辑于星期五：二十二点 五分。4第第2节节 时时钟误钟误差差第4页/共67页第四页，编辑于星

2、期五：二十二点 五分。5时钟特性及其对卫星测距的影响时钟特性及其对卫星测距的影响 钟差 钟读数与真实系统时间之间的差异，在GPS中有卫星钟差和接收机钟差两类 单点定位中卫星钟差的处理方法 利用导航电文中的钟差改正模型参数进行改正 单点定位中接收机钟差的处理方法 作为未知数进行估计201020taa ttatt 钟差钟偏钟速/钟漂钟的老化率/频漂率第5页/共67页第五页，编辑于星期五：二十二点 五分。6第第3节节 相对论相对论效应效应第6页/共67页第六页，编辑于星期五：二十二点 五分。7狭义相对论和广义相对论狭义相对论和广义相对论 狭义相对论 1905 运动将使时间、空间和物质的质量发生变化

3、广义相对论 1915 将相对论与引力论进行了统一第7页/共67页第七页，编辑于星期五：二十二点 五分。8狭义相对论效应的影响狭义相对论效应的影响 狭义相对论效应 时钟在惯性空间中的运动速度不同所引起的时钟频率差异 狭义相对论效应对卫星钟的影响 狭义相对论效应使卫星上钟的频率变慢第8页/共67页第八页，编辑于星期五：二十二点 五分。9广义相对论效应的影响广义相对论效应的影响 广义相对论效应 时钟所处位置的地球引力位不同所引起的时钟频率差异 广义相对论效应对GPS卫星钟的影响 广义相对论效应使卫星上钟的频率变快第9页/共67页第九页，编辑于星期五：二十二点 五分。10相对论效应对卫星钟的综合影响相

4、对论效应对卫星钟的综合影响 狭义相对论广义相对论 总体上将使得卫星的时钟相对于其在地面时加快第10页/共67页第十页，编辑于星期五：二十二点 五分。11应对相对论效应的方法应对相对论效应的方法 方法（分两步）：首先考虑假定卫星轨道为圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。 第一步：地面调低钟频，入轨后由于相对论效应而大体接近标准频率 第二步：改正MHzMHz52299999954.10)10449. 41 (23.1010，调低后的频率为到卫星上去的钟的频率在地面上调低将要搭载1 2101 22,( )sin( )24.442807633 10rrttt tF eAE tFs mc 在

5、时刻 时，在卫星钟读数上加上改正数第11页/共67页第十一页，编辑于星期五：二十二点 五分。12第第5节节 卫星星卫星星历误差历误差第12页/共67页第十二页，编辑于星期五：二十二点 五分。13卫星星历误差卫星星历误差 定义 由星历所给出的卫星在空间中的位置与其实际位置之差。 对单点定位的影响 主要取决于用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形，但总体上量级与星历误差相当。第13页/共67页第十三页，编辑于星期五：二十二点 五分。14星历类型星历类型 广播星历 由GPS的地面控制部分所确定和提供的，经GPS卫星向全球所有用户公开播发的一种预报星历。 精密星历 为满足大地测量、地球动力学

6、研究等精密应用领域的需要而研制、生产的一种高精度的事后星历。第14页/共67页第十四页，编辑于星期五：二十二点 五分。15不同卫星星历的误差不同卫星星历的误差IGS跟踪站网跟踪站网第15页/共67页第十五页，编辑于星期五：二十二点 五分。16第第6节节 大气折大气折射射第16页/共67页第十六页，编辑于星期五：二十二点 五分。17地球大气结构地球大气结构地球大气层的结构地球大气层的结构在卫星导航定位中，将这一部分大气对信号的影响统称为对流层延迟在卫星导航定位中，将这一部分大气对信号的影响称为电离层延迟第17页/共67页第十七页，编辑于星期五：二十二点 五分。18大气折射效应大气折射效应 大气折

7、射 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。 色散介质与非色散介质 色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同 非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同 对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质第18页/共67页第十八页，编辑于星期五：二十二点 五分。19电离层延迟电离层延迟第19页/共67页第十九页，编辑于星期五：二十二点 五分。20电离层延迟电离层延迟总电子含量（总电子含量（TEC Total Electron Content）：）：底面积为一个单位面积沿信号传播路径贯穿整个电离

8、层的一个柱体内所含的电子总数。 电离层延迟与下列因素有关 信号频率 信号传播途径上的总电子含量（TEC）第20页/共67页第二十页，编辑于星期五：二十二点 五分。21电子密度与大气高度的关系电子密度与大气高度的关系第21页/共67页第二十一页，编辑于星期五：二十二点 五分。22电子含量与地方时的关系电子含量与地方时的关系夏威夷太阳观测站实测垂直方向总电子含量（夏威夷太阳观测站实测垂直方向总电子含量（VTEC）数据）数据第22页/共67页第二十二页，编辑于星期五：二十二点 五分。23太阳活动情况与电子含量太阳活动情况与电子含量1700年年 1995年太阳黑子数年太阳黑子数 电子含量与太阳活动密切

9、相关，太电子含量与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加阳活动剧烈时，电子含量增加 太阳活动周期约为太阳活动周期约为11年，上一高峰年，上一高峰为为2001年年第23页/共67页第二十三页，编辑于星期五：二十二点 五分。24电子含量与地理位置的关系电子含量与地理位置的关系2002.5.15 1:00 23:00 2小时间隔全球小时间隔全球VTEC分布分布第24页/共67页第二十四页，编辑于星期五：二十二点 五分。25电离层延迟的应对（单点定位）电离层延迟的应对（单点定位） 双频改正 仅适用于双频接收机 Klobuchar模型 利用导航电文中的模型参数进行改正第25页/共67页第二十五页

10、，编辑于星期五：二十二点 五分。26对流层延迟对流层延迟第26页/共67页第二十六页，编辑于星期五：二十二点 五分。27对流层（对流层（Troposphere）在卫星导航定位中，将这一部分大气对信号的影响统称为对流层延迟在卫星导航定位中，将这一部分大气对信号的影响称为电离层延迟第27页/共67页第二十七页，编辑于星期五：二十二点 五分。28对流层延迟对流层延迟对流层延迟的一般特性通常分为两部分：1.流体静力学延迟（干延迟）和2.湿延迟与信号传播途径上温度、湿度和气压有关与GPS信号的频率无关天顶方向上的延迟约为2.5m第28页/共67页第二十八页，编辑于星期五：二十二点 五分。29对流层延迟的

11、模型改正对流层延迟的模型改正 简化模型 霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型等2.47/sin E对流层延迟卫星高度角第29页/共67页第二十九页，编辑于星期五：二十二点 五分。30第第7节节 多路径效应多路径效应第30页/共67页第三十页，编辑于星期五：二十二点 五分。31多路径误差与多路径效应多路径误差与多路径效应 多路径（Multipath）误差 在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）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

12、起的干涉时延效应称为多路径效应。第31页/共67页第三十一页，编辑于星期五：二十二点 五分。32多路径误差的特点多路径误差的特点 与测站环境有关 测站环境的不同将使得到达接收机天线的反射信号的数量、方向和反射信号的多余路径长度不同 与反射体性质有关 反射体性质 不同将使得发射信号的强度不同 与接收设备的性能有关 不同接收天线抑制多路径的性能具有差异 不同的信号处理方法抑制多路径的性能具有差异第32页/共67页第三十二页，编辑于星期五：二十二点 五分。33应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法 观测上 选择合适的观测地点，避开易产生多路径的环境易发生多路径的环境易发生多路径的环境第33页/共6

13、7页第三十三页，编辑于星期五：二十二点 五分。34应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法 硬件上 采用抗多路径误差的仪器设备 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(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等抗多路径效应的天线抗多路径效应的天线第34页/共67页第三十四页，编辑于星期五：二十二点 五分。35应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法 数据处理上 加权 参数法 滤波法 信号分析法 模板法 第35页/共67页第三十五页，编辑于星期五：二十二点 五分。36第第8节节 其他误差其他误差第36页/共67页

14、第三十六页，编辑于星期五：二十二点 五分。37其他误差源其他误差源 引力延迟 地球自转改正 地球固体潮改正 天线相位中心偏差及变化改正 相位回旋 上述影响通常仅在高精度上述影响通常仅在高精度的测量应用才需考虑。的测量应用才需考虑。第37页/共67页第三十七页，编辑于星期五：二十二点 五分。38第第9节节 误差评估误差评估第38页/共67页第三十八页，编辑于星期五：二十二点 五分。39GPS测量误差的大小测量误差的大小 SPS第39页/共67页第三十九页，编辑于星期五：二十二点 五分。40GPS测量误差的大小测量误差的大小 PPS，双频，P/Y-码第40页/共67页第四十页，编辑于星期五：二十二

15、点 五分。41第第7章章 GPS定位模式定位模式与与系统增强系统增强第41页/共67页第四十一页，编辑于星期五：二十二点 五分。42第第1节节 概述概述第42页/共67页第四十二页，编辑于星期五：二十二点 五分。43GPS测量定位方法分类测量定位方法分类 定位模式 绝对定位（单点定位） 相对定位 差分定位 定位时接收机天线的运动状态 静态定位天线相对于地固坐标系静止 动态定位天线相对于地固坐标系运动第43页/共67页第四十三页，编辑于星期五：二十二点 五分。44GPS测量定位方法分类测量定位方法分类 获得定位结果的时效 事后定位 实时定位 观测值类型 伪距测量 载波相位测量第44页/共67页第

16、四十四页，编辑于星期五：二十二点 五分。45第第2节节 单点定位单点定位第45页/共67页第四十五页，编辑于星期五：二十二点 五分。46单点定位的定义单点定位的定义 根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法 也被称为绝对定位第46页/共67页第四十六页，编辑于星期五：二十二点 五分。47单点定位的特点及应用领域单点定位的特点及应用领域 特点 优点：观测简单，实施方便，数据处理简单 缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低 应用领域 低精度导航、资源普查、军事.第47页/共67页第四十七页，编辑于星期五：二十二点 五分。48精密单点定位（精密单点

17、定位（PPP） PPP Precise Point Positioning 特点 主要观测值为载波相位 采用精密的卫星轨道和钟数据 采用严密的数学模型 定位精度 亚分米级 用途 全球高精度测量 卫星定轨第48页/共67页第四十八页，编辑于星期五：二十二点 五分。49第第3节节 相对定位相对定位第49页/共67页第四十九页，编辑于星期五：二十二点 五分。50相对定位的定义及结果相对定位的定义及结果 相对定位是确定进行同步观测的接收机之间相对位置（坐标差）的定位方法 相对定位的结果被称为基线向量基线向量第50页/共67页第五十页，编辑于星期五：二十二点 五分。51相对定位的特点及其应用领域相对定位

18、的特点及其应用领域 特点 优点：定位精度高 缺点： 多台接收共同作业，作业复杂 数据处理复杂 不能直接获取绝对坐标 应用领域 高精度测量定位及导航第51页/共67页第五十一页，编辑于星期五：二十二点 五分。52第第4节节 差分定位差分定位第52页/共67页第五十二页，编辑于星期五：二十二点 五分。53差分差分GPS产生的诱因产生的诱因 绝对定位精度不能满足要求 GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，完全满足某些特殊应用的要求 美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA）SA关闭前后关闭前后GPS绝对定位精度的变化绝对定位精度的变化第53页/共67页第五十三页，编辑于星期五：

19、二十二点 五分。54差分差分GPS的基本原理的基本原理 误差的空间相关性 以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。 差分GPS的基本原理 利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果第54页/共67页第五十四页，编辑于星期五：二十二点 五分。55差分改正数的类型差分改正数的类型 距离改正数 利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。 位置（坐标改正数）改正数 基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观

20、测坐标之差即为位置的改正数。第55页/共67页第五十五页，编辑于星期五：二十二点 五分。56位置差分与距离差分位置差分与距离差分位置差分位置差分距离差分距离差分距离改正坐标改正第56页/共67页第五十六页，编辑于星期五：二十二点 五分。57位置差分和距离差分的特点位置差分和距离差分的特点 位置差分 差分改正计算的数学模型简单 差分数据的数据量少 基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星 距离差分 差分改正计算的数学模型较复杂 差分数据的数据量较多 基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星第57页/共67页第五十七页，编辑于星期五：二十二点 五分。58局域差分与广域差分局域差分与广域差分第58

21、页/共67页第五十八页，编辑于星期五：二十二点 五分。59局域差分局域差分 结构 基准站（一个或多个）、数据通讯链和用户 数学模型（差分改正数的计算方法） 流动站利用基准站所提供的距离改正和距离改正变率计算自身的差分改正数 特点 优点：结构、模型简单 缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低的变率。为距离改正数为距离改正数；dtdVVtdtdVtVttVii)()(第59页/共67页第五十九页，编辑于星期五：二十二点 五分。60广域差分广域差分 结构 基准站（多个）、数据通讯链和用户 数学模型（差分改正数的计算方法） 与局域差分的差异 普通差分是考虑的是误差的综合影响 广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型 用户根据自身的位置，利用差分系统所提供的改正模型对观测值进行改正 特点 优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大 缺点：系统结构复杂、建设费用高第60页/共67页第六十页，编辑于星期五：二十二点 五分。61第第4节节 增强系统增强系统第61页/共67页第六十一页，编辑于星期五：二十二点 五分。62增强型系统增强型系统 目的 提高GPS定位精度、可靠性、可用性 方法 提供差分改正信息 增加可观测卫星数 技术要点 差分技术 卫星通讯技术 网络技术 伪卫