GNSS导航定位误差分析解析课件

1、GNSS导航定位误差分析授课教师：刘志强单 位：河海大学第1页，共45页。主要内容（一）GNSS定位主要误差源分类 （二）与卫星有关的误差（三）与传播路径有关的误差（四）与测站有关的误差（五）其他误差第2页，共45页。一 GNSS定位主要误差源分类 卫星轨道误差卫星钟差卫星相关电离层误差对流层误差多路径效应传播路径相关接收机钟差天线相位中心偏差测站相关相对论效应潮汐效应其他测量噪声第3页，共45页。二 与卫星有关的误差2.1 卫星轨道误差2.2 卫星钟差第4页，共45页。2.1 卫星轨道误差(I)伪距观测方程载波相位观测方程卫星轨道的确定给出的卫星位置及运动速度广播星历精密星历卫星星历实际的卫

2、星位置及运动速度卫星星历误差跟踪站、观测值、定轨模型与软件第5页，共45页。广播星历 1）由GPS系统的地面控制部分所确定和提供，经GPS卫星向全球用户公开播发的一种预报星历； 2）用参考时刻 的卫星轨道根数及其变化率来描述卫星轨道； 3）通过GPS导航电文以一组参数的形式发送给用户，一般每2小时更新一次，一般按照与观测时刻最近的一组广播星历数据来计算卫星位置； 4）提供的卫星轨道精度较差，目前约为 1 m。2.1 卫星轨道误差(II)第6页，共45页。brdc2090.07n第7页，共45页。精密星历 1）主要由IGS （International GNSS Service）提供； 2）以一

3、定的时间间隔给出卫星在空间的三维坐标及其运动速度，由用户进行内插后求得观测时刻 卫星在空间的位置及运动速度；2.1 卫星轨道误差(III)精密星历类型精度延迟更新间隔超快（预报） 5 cm实时03, 09, 15, 21 UTC15 min超快（观测） 3 cm3 9 hours 03, 09, 15, 21 UTC15 min快速 2.5cm17 41 hours17 UTC daily15 min最终 2.5cm12 18 daysevery Thursday15 minIGS精密星历产品update 07/10/2011第8页，共45页。 IGS International GNSS S

4、ervice第9页，共45页。igs15063.sp3第10页，共45页。卫星钟误差 1） 信号卫星离开卫星时，卫星钟相对于标准GPS时的钟差 ； 2）卫星上尽管采用的是高精度的原子钟（铯钟、铷钟），但这些钟与GPS标准时之间仍会有偏差和漂移。随着时间的推移，这些偏差和漂移还会发生变化； 3）导航电文: 精度 5 ns，IGS最终精密钟差 : 75 ps2.2 卫星钟差- 偏差- 漂移- 漂移速度随机项第11页，共45页。导航电文IGS精密钟差类型精度延迟更新间隔超快（预报） 3 ns实时03, 09, 15, 21 UTC15 min超快（观测） 150 ps3 9 hours 03, 09

5、, 15, 21 UTC15 min快速 75 ps17 41 hours17 UTC daily15 min最终 75 ps12 18 daysevery Thursday15 minupdate 07/10/2011第12页，共45页。三 与传播路径有关的误差3.1 电离层误差3.2 对流层误差3.3 多路径效应第13页，共45页。 电离层概述1）电离层定义 高度在601000km的大气层； 【在太阳紫外线、X射线、 射线和高能粒子等的作用下，电离层中的中性气体分子被电离，产生大量的电子和正离子，从而形成了一个电离区域。】2）对电磁波信号传播的影响传播速度会发生变化 【主要取决于电离层中的

6、电子密度和信号频率】传播路径会略微弯曲 【对测距结果影响不大，一般情况下可不予考虑】3.1 电离层误差(I)第14页，共45页。电离层延迟特点3.1 电离层误差(II)1）电离层效应是GPS测量中的重要误差源。电离层对GPS信号的延迟或提前，在一天内的变化可以从几米到二十几米。2）由于地磁场和太阳活动的复杂相互物理作用，通常很难对电离层效应进行建模。3）电离层是色散介质，即电离层效应与信号频率有关。考虑到电离层的该性质，GPS系统被设计成几种工作频率，因而可以对电离层效应测定或改正。第15页，共45页。 码延迟和相位提前1）相速度和群速度 相速度 - 单一频率的电磁波在空中的传播速度 【L1载

7、波相位、L2载波相位】 群速度 - 调制信号的在空中的传播速度 【GPS测距码】2）非色散介质和色散介质 如果电磁波在真空中传播，则相速度与群速度是相等的，且等于真空中的光速。此时，称为非色散介质，否则就称为色散介质。3.1 电离层误差(III)第16页，共45页。3）信号延迟量的计算 电离层对相位和码伪距观测值的影响大小（近似）相等，符号相反。 为电子密度(electrons/m3)且为正值，因此对码伪距的延迟量 为正（延迟）、对相位观测值的延迟 为负（提前）。3.1 电离层误差(III)（续）测距码载波相位第17页，共45页。 电离层延迟与总电子含量（TEC） 1）TEC总电子含量（Tot

8、al Elctron Content） 【表示沿信号传播路径1平方米截面的柱体所包含的自由电子总数。TEC的单位为(el/m2) 。1TECU = 11016 el /m2】 【电离层延迟与传播路径上的总电子含量TEC成正比。】 3.1 电离层误差(IV)第18页，共45页。2）VTEC天顶方向总电子含量（Vertical TEC） 【将天顶方向的VTEC转化到信号传播路径上，可以通过所谓的斜因子(Slant Factor)或映射函数（Mapping Function）实现。】3.1 电离层误差(IV)（续）单电离层映射几何映射椭球映射第19页，共45页。电离层改正模型3.1 电离层误差(V)

9、本特（Bent）模型国际参考电离层（IRI）模型Klobuchar 模型GIM 模型双频改正模型第20页，共45页。1）Klobuchar 模型 GPS导航电文中包含预报电离层模型的参数（Klobuchar）。 输入参数分别为8个模型系数 、 ，GPS天线的大地纬度 和大地经度 ，GPS观测时间 ，以及观测卫星的方位角 和高度角 。可将电离层延迟影响改正60%，为GPS单频用户所广泛采用。3.1 电离层误差(V)（续）brdc1190.11n第21页，共45页。2）GIM模型（Global Ionosphere Maps）每天的IONEX文件提供13个电离层图，从0h UT开始到24h UT结

10、束。可以提供空间上（经纬度） 、时间上2h分辨率的电离层TEC，以及GPS卫星和接收机的硬件DCB值。最终GIM产品的时间延迟约为11天，并且以IONEX格式存储，可从各IGS数据中心下载。快速GIM产品，其时延小于24小时。该产品具有与最终GIM产品相同的分辨率，其精度与最终GIM相比大约差510%，二者之间差值的RMS值仅为0.11 TECU。可将电离层延迟影响改正80%。3.1 电离层误差(V)（续）第22页，共45页。igsg3250.08i第23页，共45页。3.1电离层误差(V)（续） 通过对周围格点的数据进行插值计算电离层穿刺点的VTEC，一般采用双线性插值计算得到。 再对VTE

11、C值进行时间插值，一般采用线性或三次插值。 通过映射函数由VTEC值计算得到STEC（Slant TEC）。如何利用GIM计算STEC第24页，共45页。3）无电离层双频改正模型（ionosphere-free）3.1 电离层误差(V)（续）第25页，共45页。 对流层概述1）对流层定义 高度在50km以下未被电离的中性大气层；2）对流层延迟特点 与电离层不同，对频率30 GHz以下的电磁波信号，对流层基本上时非色散介质，即信号折射与信号频率无关。 无法用双频改正的方法来消除对流层延迟，只能通过求出信号传播路径上各处的大气折射系数，然后进行积分来计算对流层延迟改正。 在天顶方向上的延迟量约为2

12、m，并且随着站星视线天顶距的增加而增大。对于卫星高度角仅有几度的卫星，GPS信号的电离层延迟可以达到数m。一般来讲，对流层延迟与温度、气压、湿度以及GPS天线的位置有关。3.2 对流层误差(I)第26页，共45页。 对流层延迟与大气折射1）折射指数与折射率 折射指数 （refractive index） 【信号传播实际路径的函数，该路径从接收机天线开始至有效对流层末端结束。】 折射率 （refractivity） 【由于折射指数 在数值上非常接近1，因此可以引进一个量表示其与1的差异 。该量为干大气压、水汽压和温度的函数。3.2 对流层误差(II)第27页，共45页。2）干分量与湿分量 对流层

13、延迟通常分成两部分处理： 一部分为遵循理想气体定律的干分量 【在海平面位置，它所引起的天顶延迟约为2.4 m。静力延迟分量可以由在接收机天线处测定的气压精确计算出来。】 另一部分为变化复杂的湿分量。 【它所引起的天顶延迟约为0.4 m。由于水汽时空变化的复杂性，这使得难以精确计算湿延迟分量。】3.2 对流层误差(II)（续）第28页，共45页。对流层改正模型3.2 对流层误差(III)Saastamoinen模型Hopfield模型UNB3模型Black模型Niellis模型Yionoulis模型第29页，共45页。1）Saastamoinen模型3.2 对流层误差(III)（续）- 卫星天顶

14、距- 测站高- 大气压- 测站温度- 水汽压- 改正项 测站高 的列表函数，可通过插值得到。- 改正项测站高 和卫星天顶距 的列表函数，可通过插值得到。第30页，共45页。 在模型中，可以使用气压、温度、湿度的实测值，或者使用由标准大气模型得到的值，公式如下： 3.2 对流层误差(III)（续） - 线性内插 - 双线性内插第31页，共45页。2）Hopfield模型3.2 对流层误差(III)（续）3）其他模型还有其他许多模型可以用于对流层延迟的计算，如UNB3模型、Black模型、Niellis模型、Yionoulis模型、UNB3m等。当天顶距小于 时，这些模型计算的对流层延迟值差异通常

15、很小。第32页，共45页。映射函数3.2 对流层误差(IV)单电离层映射Niell映射函数 GMF映射Vienna映射第33页，共45页。 多路径误差 在GPS测量中，经测站周围各种介质如地表、建筑物等一次或多次反射的卫星信号，如果进入接收机天线，将与直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值，产生的误差称为多路径误差。3.3 多路径效应(I)第34页，共45页。 削弱多路径效应的方法1）选择合适的站址 天线安置尽量避开强反射物（如水面、山坡、高层建筑物等）2）选择合适的GPS接收机及天线选用防多路径效应的天线（如扼流圈天线等）改进接收机的软、硬件（如MET 60%、MEDLL 90%等

16、）3）适当延长观测时间 可视为一种周期性误差，其周期一般为数分钟至数十分钟。3.3 多路径效应(II)第35页，共45页。四 与测站有关的误差4.1 接收机钟差4.2 天线相位中心偏差第36页，共45页。接收机钟差 1） 信号到达接收机时，接收机钟相对于标准GPS时的钟差 ； 2） GPS接收机一般内置高精度的石英钟，其质量稳定性较原子钟要差。石英钟不但钟差的数值大、变化快，且变化的规律性也更差。 3）在单点定位时，可以将钟差作为未知参数在方程中求解；在载波相位相对定位中，可采用对观测值求差的方法有效消除接收机钟差；在高精度定位中，可采用外接频标（如铷、铯原子钟），为接收机提供高精度的时间标准

17、。4.1 接收机钟差第37页，共45页。 在GPS测量中，伪距和载波相位观测值都是以接收机天线的相位中心为准的，而天线对中是以天线的几何中心为准的。 理论上，接收机天线的相位中心应与其几何中心完全一致，但实际上天线的瞬时相位中心随信号输入的强度和方位不同而有所变化，往往偏离天线的几何中心，这项误差称为天线相位中心偏移误差。4.2 天线相位中心偏差ANTEX: The Antenna Exchange Formatigs05.atxigs08.atx03/07/2011第38页，共45页。 4.3 天线相位中心偏差（续）igs08.atx第39页，共45页。五 其他误差5.1 相对论效应5.2

18、潮汐效应第40页，共45页。 相对论效应 根据相对论理论，由于卫星在地心惯性参照系的运动状态和高度，卫星钟将受到其运动速度以及引力位的影响。1）调低卫星钟频率2）进行数学改正5.1 相对论效应广义相对论狭义相对论GPS卫星轨道高度快 45.9GPS卫星运行速度慢 7.2 快 38.710.22999999543 MHz10.23 MHz - 卫星的瞬时位置向量-卫星的瞬时速度向量 -光速第41页，共45页。 地球固体潮 地球沿轨道运动会引起日月引力的变化（潮汐），由此所形成的地球弹性形变，称为地球固体潮。 1）固体地球潮汐引起的测站周期性位移与测站所处的纬度有关，在高程方向可达30cm、在水平方向可达5cm。 2）固体地球潮则能通过相对简单的地球模型精确计算出来。IERS Conventions (McCarthy, 2003) 给出固体地球潮引起的测站位移改正表达式可精确至5mm。 5.2 潮汐效应(I)第42页，共45页。 海洋负荷潮 海洋负荷是指在海潮期间由于海水质量重新分布所引起的海床和海岸形变。在海水重量作用下，地壳会发生弹性形变，称为海洋负荷潮