全球卫星定位系统(第四次)

1、1,第三章 GPS定位中的误差源,3.1 概述 3.2 钟误差 3.3 相对论效应 3.4 卫星星历误差 3.5 电离层延迟,2,3.1概述,3,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 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 p127-128,GPS测量误差的来源,4,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 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,5,GPS测量误差的性质,系统误差（偏差 - Bias）

2、 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,6,GPS测量误差的大小,SPS（无SA）,7,GPS测量误差的大小,SPS（有SA）,8,GPS测量误差的大小,PPS，双频，P/Y-码,9,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 P129,10,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

3、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,11,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，将系统性偏差求解出来 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,12,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

4、 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 p130三,13,3.2 钟误差,14,卫星钟差,定义 物理同步误差 数学同步误差 p133 应对方法 模型改正 钟差改正多项式 其中a0为ts时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，a2为老化率。 相对定位或差分定位,15,接收机钟差,定义 GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。 应对方法 作为未知数处理 相对定位或差分定位,16,3.3 相对论效应,狭义相对论效应 广义相对论效应 p130,17,3. 3相对论效应,18,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

5、变化 广义相对论 1915 将相对论与引力论进行了统一,19,相对论效应对卫星钟的影响,狭义相对论 原理：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,20,相对论效应对卫星钟的影响,广义相对论 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,21,相对论效应对卫星钟的影响,相对论效应对卫星钟的影响 狭义相对论广义相对论,令：,22,解决相对论效应对卫星钟影响的方法,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：

6、第二步：,23,3.4 卫星星历误差,24,3. 4卫星星历（轨道）误差,定义 由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。,广播星历（预报星历）的精度 (无SA) 2030米 (有SA) 100米 精密星历（后处理星历）的精度 可达1厘米 应对方法 精密定轨(后处理) 相对定位或差分定位,25,星历误差对单点定位的影响 星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形 星历误差对相对定位的影响,26,3.5 电离层延迟 ？,27,不同民航飞机的最大飞行高度,短航线的飞机一般在6000米至9600米飞行，长航线的

7、飞机一般在8000米至12600米飞行，现在的普通民航客机最高飞行高度不会超过12600米，有一些公务机的飞行高度可以达到15000米。,28,民航飞机平稳飞行时处于哪个层，多少高度？,民航飞机只要求能平稳飞行就可以,没有战斗机那么多的性能要求.机动性也不像战斗机那么高. 空气在十公里就是平流层了,这个空气层很合适飞行.所以民用飞机的飞行高度在10000米左右,29,民航飞机的飞行高度层,中型以上的民航飞机都在高空飞行，此处的高空是指海拔700012000米的空间。在这个空间以1千米为1个高度层，共分为6个高度层：7千米、8千米、9千米、1万米、1万1千米和1万2千米。高空飞行的飞机只允许飞以

8、上给定高空。,30,另外，民航飞机在飞行时，以正南正北方向为零度界限，凡航向偏右（偏东）的飞机飞双数高层，即8千米、1万米、1万2千米高度层；凡航向偏左（偏西）的飞机飞单数高度层，即7千米、9千米、1万1千米高度层。,31,例如：民航飞机从北京飞往杭州，杭州位于北京南面偏东方向，飞机必须飞双数高度层，回程则飞单数高度层。又如飞机从沈阳飞往杭州，杭州在沈阳的南面偏西方向飞机须飞单数高度层，回程则飞双数层。这样，相向飞行的飞机不在同一空高，避免了相撞。,32,3. 5 电离层延迟,33,地球大气结构,地球大气层的结构,臭氧,34,大气折射效应,大气折射 信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也

9、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,35,相速与群速,相速 群速 相速与群速的关系 相折射率与群折射率的关系,36,相速与群速,37,电离层折射,38,电离层折射,39,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 Total Electron Content）：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

10、柱体内所含的电子总数。,40,电子密度与大气高度的关系,41,电子含量与地方时的关系,42,电子含量与太阳活动情况的关系,与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加 太阳活动周期约为11年,1700年 1995年太阳黑子数,43,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TEC分布,44,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），

11、建立模型（如内插） 效果：改正效果较好,45,电离层改正的经验模型简介,Bent模型 由美国的R.B.Bent提出 描述电子密度 是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数 国际参考电离层模型（IRI International Reference Ionosphere） 由国际无线电科学联盟（URSI International Union of Radio Science）和空间研究委员会（COSPAR - Committee on Space Research）提出 描述高度为50km-2000km的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等 以地点、时间、日期等为参数,46,电

12、离层改正的经验模型简介,Klobuchar模型 由美国的J.A.Klobuchar提出 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,47,Klobuchar模型,中心电离层,中心电离层,48,Klobuchar模型,模型算法,49,Klobuchar模型,模型算法（续） 改正效果：可改正60左右,50,电离层延迟的双频改正,51,电离层延迟的实测模型改正,基本思想 利用基准站的双频观测数据计算电离层延迟 利用所得到的电离层延迟量建立局部或全球的TEC实测模型 类型 局部模型 适用于局部区域 全球模型 适用于全球区域,52,电离层延迟的实测模型改

13、正,局部（区域性）的实测模型改正 方法 适用范围：局部地区的电离层延迟改正,53,电离层延迟的实测模型改正,全球（大范围）的实测模型改正 方法 适用范围：用于大范围和全球的电离层延迟改正 格网化的电离层延迟改正模型,54,3.6对流层延迟,55,3.6 对流层延迟,56,对流层（Troposphere）,57,对流层延迟,58,对流层的色散效应,对流层的色散效应 折射率与信号波长的关系 对流层对不同波长的波的折射效应 结论 对于GPS卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应,59,大气折射率N与气象元素的关系,大气折射率N与温度、气压和湿度的关系 Smith和Weintranb，1954

14、对流层延迟与大气折射率N (p145 式5.48),60,霍普菲尔德（Hop field）改正模型,出发点 导出折射率与高度的关系 沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟 通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟,61,霍普菲尔德（Hop field）改正模型,对流层折射模型（式5.72）,62,霍普菲尔德（Hop field）改正模型,投影函数的修正,63,萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型,原始模型(式5.73),64,萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型,拟合后的公式（式5.74）,65,勃兰克（Black）改正模型,66,对流层改正模型综述,不同模型所算出的高度角

15、30以上方向的延迟差异不大 Black模型可以看作是Hop field模型的修正形式 Saastamoinen模型与Hop field模型的差异要大于Black模型与Hop field模型的差异,67,气象元素的测定,气象元素 干温、湿温、气压 干温、相对湿度、气压 测定方法 普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计 自动化的电子仪器,68,气象元素的测定,水气压es的计算方法 由相对湿度RH计算 由干温、湿温和气压计算,69,对流层模型改正的误差分析,模型误差 模型本身的误差 气象元素误差 量测误差 仪器误差 读数误差 测站气象元素的代表性误差 实际大气状态与大气模型间的差异,70,3.7多路径

16、误差,71,3.7 多路径误差,72,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、折射、透射绕射的卫星信号（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起的干涉时延效应称为多路径效应。,73,反射波,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,74,多路径误差,受多路径效应影响的情况下的接收信号,75,多路径误差,76,多路径误差,多路径的数值特性 受多个反射信号影响的情况,77

17、,多路径误差的特点,与测站环境有关 与反射体性质有关 与接收机结构、性能有关,78,应对多路径误差的方法,观测上 选择合适的测站，避开易产生多路径的环境,易发生多路径的环境,79,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,80,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,81,3.8 其他误差改正,引力延迟 地球自转改正 地球潮汐改正（p152） 接收机的位置误差 天线相位中心偏差,82,地球自转改正,83,84