GPS測(cè)量定位誤差課件

1、第第7 7章章 GPSGPS測(cè)量定位誤差測(cè)量定位誤差主要內(nèi)容主要內(nèi)容7.1 7.1 誤差的分類誤差的分類7.2 7.2 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差與衛(wèi)星有關(guān)的誤差7.3 7.3 與傳播途徑有關(guān)的誤差與傳播途徑有關(guān)的誤差7.4 7.4 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差與接收設(shè)備有關(guān)的誤差7.5 7.5 其他誤差其他誤差( (因素因素) )7.1 7.1 誤差的分類誤差的分類7.1.1 7.1.1 按性質(zhì)分類按性質(zhì)分類v 系統(tǒng)誤差v 偶然誤差v 其它誤差系統(tǒng)誤差（影響）系統(tǒng)誤差（影響）v系統(tǒng)誤差（偏差 - Bias）內(nèi)容具有某種系統(tǒng)性特征的誤差特點(diǎn)具有某種系統(tǒng)性特征量級(jí)大 最大可達(dá)數(shù)百米v偶然誤差 內(nèi)容衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生部分

2、的隨機(jī)噪聲接收機(jī)信號(hào)接收處理部分的隨機(jī)噪聲其它外部某些具有隨機(jī)特征的影響偶然誤差（影響）偶然誤差（影響） 特點(diǎn)隨機(jī)量級(jí)小 毫米級(jí)偶然誤差（觀測(cè)噪聲） - Noise一般優(yōu)于波長(zhǎng)/碼元長(zhǎng)度的1/100。C/Am 3mP(Y)碼偽距：3mm 2mm GPS定位中出現(xiàn)的各種誤差，按誤差性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差（偏差）和偶然誤差偶然誤差兩大類。其中系統(tǒng)誤差無論從誤差的大小還是對(duì)定位結(jié)果的危害性講都比偶然誤差要大得多，而且有規(guī)律可循，可以采取一定措施來加以消除，因而是本章的主要內(nèi)容 其它誤差其它誤差 其它軟件 模型誤差GPS控制系統(tǒng)7.1.2 7.1.2 按來源分類按來源分類v與傳播途徑有關(guān)的誤差電離

3、層延遲對(duì)流層延遲多路徑效應(yīng)v 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差相對(duì)論效應(yīng)v與接收設(shè)備有關(guān)的誤差接收機(jī)天線相位中心的偏差和變化接收機(jī)鐘差接收機(jī)內(nèi)部噪聲各類誤差對(duì)導(dǎo)航定位的影響各類誤差對(duì)導(dǎo)航定位的影響單位：米單位：米誤差源 SA啟用 SA關(guān)閉 SA 24.0 0.0 大氣 電離層 對(duì)流層 7.0 2.0 7.0 2.0 鐘和星歷誤差 2.3 2.3 接收機(jī)噪聲 0.6 0.6 多路徑 1.5 1.5 總用戶等效距離誤差 25.0 7.5 HDOP 1.5 1.5 水平誤差95% 75.0 22.5 7.1.3 7.1.3 消除減弱上述系統(tǒng)誤差的措施和方法消除減弱上述系統(tǒng)誤差的措施和方法建立誤差

4、改正模型求差法參數(shù)法回避法 上述各項(xiàng)誤差對(duì)測(cè)距的影響可達(dá)數(shù)十米，有時(shí)甚至可超過百米，比觀測(cè)噪聲大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此必須加以消除和削弱。消除或削弱這些誤差所造成的影響的方法主要有： 建立誤差改正模型原理：采用模型對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正適用情況：對(duì)誤差的特性、機(jī)制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗(yàn)公式。如電離層延遲和對(duì)流層延遲改正模型等 誤差改正模型既可以是通過對(duì)誤差特性、機(jī)制以及產(chǎn)生的原因進(jìn)行研究分析、推導(dǎo)而建立起來的理論公式（如利用電離層折射的大小與信號(hào)頻率有關(guān)這一特性（即所謂的“電離層色散效應(yīng)”）而建立起來的雙頻電離層折射改正模型基本上屬于理論公式）。 也可以是通過大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析、擬合而建

5、立起來的經(jīng)驗(yàn)公式。在多數(shù)情況下是同時(shí)采用兩種方法建立的綜合模型（各種對(duì)流層折射模型則大體上屬于綜合模型） 由于改正模型本身的誤差以及所獲取的改正模型各參數(shù)的誤差，仍會(huì)有一部分偏差殘留在觀測(cè)值中。這些殘留的偏差通常仍比偶然誤差要大得多。 誤差模型的精度好壞不等。有的誤差改正模型效果較好，例如雙頻電離層折射改正模型的殘余偏差約為總量的1%左右或更?。挥械男Ч话?，如多數(shù)對(duì)流層折射改正公式的殘余偏差約為總量的510%左右；有的改正模型則效果較差，如由廣播星歷所提供的單頻電離層折射改正模型，殘余誤差高達(dá)3040%。 原理：通過觀測(cè)值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測(cè)值中所包含的相同或相似的誤差影

6、響適用情況：誤差具有較強(qiáng)的空間、時(shí)間或其它類型的相關(guān)性。如對(duì)流層延遲、對(duì)流層延遲、衛(wèi)星軌道誤差的影響等具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，就可以通過相距不遠(yuǎn)的不同地點(diǎn)的同步觀測(cè)值相互求差，來消弱其影響求差法求差法 仔細(xì)分析誤差對(duì)觀測(cè)值或平差結(jié)果的影響，安排適當(dāng)?shù)挠^測(cè)綱要和數(shù)據(jù)處理方法（如同步觀測(cè)，相對(duì)定位等），利用誤差在觀測(cè)值之間的相關(guān)性或在定位結(jié)果之間的相關(guān)性，通過求差來消除或削弱其影響的方法稱為求差法。 例如，當(dāng)兩站對(duì)同一衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)時(shí)，觀測(cè)值中都包含了共同的衛(wèi)星鐘誤差，將觀測(cè)值在接收機(jī)間求差即可消除此項(xiàng)誤差。同樣，一臺(tái)接收機(jī)對(duì)多顆衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)時(shí)，將觀測(cè)值在衛(wèi)星間求差即可消除接收機(jī)鐘誤差的影響。

7、 又如，目前廣播星歷的誤差可達(dá)數(shù)十米，這種誤差屬于起算數(shù)據(jù)的誤差，并不影響觀測(cè)值，不能通過觀測(cè)值相減來消除。利用相距不太遠(yuǎn)的兩個(gè)測(cè)站上的同步觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)，由于兩站至衛(wèi)星的幾何圖形十分相似，因而星歷誤差對(duì)兩站坐標(biāo)的影響也很相似。利用這種相關(guān)性在求坐標(biāo)差時(shí)就能把共同的坐標(biāo)誤差消除掉。其殘余誤差（即星歷誤差對(duì)相對(duì)定位的影響）一般可用下列經(jīng)驗(yàn)公式估算：b=b*s/。 當(dāng)基準(zhǔn)長(zhǎng)度b=5km，測(cè)站至衛(wèi)星的距離P=25000km時(shí)，即使衛(wèi)星星歷誤差的絕對(duì)值較大(例如s=50m)，但它對(duì)基線的影響b很小，只有1cm。 參數(shù)法參數(shù)法原理：采用參數(shù)估計(jì)的方法，將系統(tǒng)性偏差求定 出來適用情況：幾乎適用于任何

8、的情況回避法回避法原理：選擇合適的觀測(cè)地點(diǎn)，避開易產(chǎn)生誤差的 環(huán)境；采用特殊的觀測(cè)方法；采用特殊的 硬件設(shè)備，消除或減弱誤差的影響適用情況：對(duì)誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解； 具有特殊的設(shè)備。如對(duì)于電磁波干擾、多 路徑效應(yīng)等的應(yīng)對(duì)方法等。7.2 7.2 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差定義廣播星歷（預(yù)報(bào)星歷）與精密星歷（后處理星歷）應(yīng)對(duì)方法精密定軌軌道松馳相對(duì)定位衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差定義應(yīng)對(duì)方法鐘差多項(xiàng)式 - t=a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2參數(shù)物理同步誤差與數(shù)學(xué)同步誤差 相對(duì)論效應(yīng)相對(duì)論效應(yīng)狹義相對(duì)論效應(yīng) 與鐘的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，使星鐘變慢廣義相對(duì)

9、論效應(yīng) 與鐘所處位置的重力位有關(guān)，使星鐘變快應(yīng)對(duì)方法 事先調(diào)整鐘速，根據(jù)衛(wèi)星軌道進(jìn)行修正7.2.1 7.2.1 衛(wèi)星星歷（軌道）誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差 什么是衛(wèi)星星歷（軌道）誤差 由廣播星歷或其它軌道信息所給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星的實(shí)際位置之差稱為星歷誤差。在一個(gè)觀測(cè)時(shí)間段中（13小時(shí)）它主要呈現(xiàn)系統(tǒng)誤差特性。 預(yù)報(bào)星歷（廣播星歷）與實(shí)測(cè)星歷（精密星歷） 預(yù)報(bào)星歷 由全球定位系統(tǒng)的地面控制部分提供的經(jīng)GPS衛(wèi)星全球所有用戶播發(fā)的廣播星歷是一種最典型的、使用最為廣泛的預(yù)報(bào)星歷。由于對(duì)作用在衛(wèi)星上的各種攝動(dòng)因素了解不夠充分，因而預(yù)報(bào)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。這種星歷對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用的用戶有著極其重要的作用，是導(dǎo)航

10、和實(shí)時(shí)定位中必不可少的數(shù)據(jù)。在精密定位的事后處理中也得到廣泛的應(yīng)用。 由廣播星歷提供的17個(gè)星歷參數(shù)計(jì)算出來的衛(wèi)星位置的精度約為2040m，有時(shí)可達(dá)80m左右。全球定位系統(tǒng)正式投入工作后，廣播星歷的精度提高到510m。但是只有特定的用戶才能使用P碼（Y碼）和不經(jīng)人工干預(yù)的原始廣播星歷，從這種“精密定位服務(wù)”（PPS）中獲得精確的定位結(jié)果。向全球所有用戶開放的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）的精度被人為地大幅度降低。有意識(shí)地降低調(diào)制在C/A碼上的廣播星歷的精度就是其中的一個(gè)重要措施，非常時(shí)期可能變得根本不能用。 目前，許多國(guó)家和組織都在建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)開展獨(dú)立的定軌工作。如由國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)（I

11、AG）第八委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際GPS協(xié)作網(wǎng)（CIGNET），Aero Service的GPS跟蹤網(wǎng)等。實(shí)測(cè)星歷（精密星歷） 實(shí)測(cè)星歷（精密星歷）是根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行事后處理而直接得出的星歷，精度較高。這種星歷用于進(jìn)行精密定位的事后處理，對(duì)于提高精密定位精度，減少觀測(cè)時(shí)間和作業(yè)費(fèi)用等具有重要作用，還可以使數(shù)據(jù)處理較為簡(jiǎn)便。由于這種星歷要在觀測(cè)后一段時(shí)間（例如12個(gè)星期）才能得到，所以對(duì)導(dǎo)航和實(shí)時(shí)定位無任何意義。應(yīng)對(duì)方法 精密定軌 軌道松馳 相對(duì)定位 星歷誤差的大小主要取決于衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的質(zhì)量（如跟蹤站的數(shù)量及空間分布；觀測(cè)值的數(shù)量及精度，軌道計(jì)算時(shí)所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等）。此外和星歷的預(yù)

12、報(bào)間隔（實(shí)測(cè)星歷的預(yù)報(bào)間隔可視為零）也有直接關(guān)系。由于美國(guó)政府的SA技術(shù)，星歷誤差中還引入了大量人為原因而造成的誤差，它們主要也呈系統(tǒng)誤差特性。 衛(wèi)星星歷誤差對(duì)相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)測(cè)站的定位結(jié)果產(chǎn)生的影響大體相同，各個(gè)衛(wèi)星的星歷誤差一般看成是互相獨(dú)立的。然而由于SA技術(shù)的實(shí)施，這一特性很可能破壞。 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差v什么是衛(wèi)星鐘差v物理同步誤差與數(shù)學(xué)同步誤差 衛(wèi)星上雖然使用了高精度的原子鐘，但它們?nèi)圆豢杀苊獾卮嬖谥`差。這種誤差既包含著系統(tǒng)性的誤差（由鐘差、頻偏、頻漂等產(chǎn)生的誤差），也包含著隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)比隨機(jī)誤差大，但前者可以通過模型加以改正，因而隨機(jī)誤差就成為衡量鐘的重要標(biāo)志。鐘誤差主要取

13、決鐘的質(zhì)量。 SA技術(shù)實(shí)施后，衛(wèi)星鐘誤差中又引入了由于人為原因而造成的信號(hào)的隨機(jī)抖動(dòng)。兩個(gè)測(cè)站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)時(shí)，衛(wèi)星鐘的誤差對(duì)兩站觀測(cè)值的影響是相同的。各衛(wèi)星鐘的誤差一般也被看成是互相獨(dú)立的。 7.2.3 7.2.3 相對(duì)論效應(yīng)相對(duì)論效應(yīng)v 什么是相對(duì)論效應(yīng)v 廣義相對(duì)論效應(yīng)與狹義相對(duì)論效應(yīng)v 應(yīng)對(duì)方法v 相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響?yīng)M義相對(duì)論和廣義相對(duì)論狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論v 狹義相對(duì)論1905運(yùn)動(dòng)將使時(shí)間、空間和物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化v 廣義相對(duì)論1915將相對(duì)論與引力論進(jìn)行了統(tǒng)一相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響(1/3)v狹義相對(duì)論原理：時(shí)間膨脹。鐘的頻率與其運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。

14、對(duì)GPS衛(wèi)星鐘的影響：ffsmcsmVGPSfcVffffcVfcVffffVsssssssssss10222221210835. 029979245838742)21 ()(1 ，則光速和真空中的衛(wèi)星的平均運(yùn)動(dòng)速度考慮到為即兩者的頻率差將變?yōu)椋郝嗜舭仓玫叫l(wèi)星上，其頻的鐘，則在地面頻率為系中的運(yùn)動(dòng)速度為若衛(wèi)星在地心慣性坐標(biāo)結(jié)論：在狹義相對(duì)論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢結(jié)論：在狹義相對(duì)論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響(2/3)v廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關(guān)原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關(guān)對(duì)對(duì)GPSGPS衛(wèi)星鐘的影響

15、：衛(wèi)星鐘的影響：ffkmkmRsmrRfcfcWWffWWTsTs1022314222210284. 526560637810986005. 3)11(，則衛(wèi)星的地心距近似取，近似取，若地面處的地心距其中為：將的差異與放在地面上時(shí)鐘頻率則同一臺(tái)鐘放在衛(wèi)星上，為，地面測(cè)站處的重力位為若衛(wèi)星所在處的重力位結(jié)論：在廣義相對(duì)論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將結(jié)論：在廣義相對(duì)論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快變快相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響(3/3)v相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響?yīng)M義相對(duì)論廣義相對(duì)論狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論fffff102110449. 4:為上時(shí)總的變化

16、量鐘頻率相對(duì)于其在地面用下，衛(wèi)星上義相對(duì)論效應(yīng)的共同作在狹義相對(duì)論效應(yīng)和廣sff1令：令： 相對(duì)論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)速度和重力位）不同而引起衛(wèi)星鐘和接收鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘誤差的現(xiàn)和重力位）不同而引起衛(wèi)星鐘和接收鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘誤差的現(xiàn)象。嚴(yán)格地說，將其歸入與衛(wèi)星有關(guān)的誤差不完全準(zhǔn)確。但由于象。嚴(yán)格地說，將其歸入與衛(wèi)星有關(guān)的誤差不完全準(zhǔn)確。但由于相對(duì)論效應(yīng)主要取決于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度和重力位，并且是以衛(wèi)星相對(duì)論效應(yīng)主要取決于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度和重力位，并且是以衛(wèi)星鐘誤差的形式出現(xiàn)的，因此將其歸入此類誤差。鐘誤差的形式出現(xiàn)的，因此將

17、其歸入此類誤差。 解決相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘影響的方法解決相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘影響的方法v 方法（分兩步）：首先考慮假定衛(wèi)星軌道為圓軌道的情況；然方法（分兩步）：首先考慮假定衛(wèi)星軌道為圓軌道的情況；然后考慮衛(wèi)星軌道為橢圓軌道的情況。后考慮衛(wèi)星軌道為橢圓軌道的情況。第一步：第一步：MHzMHz52299999954.10)10449. 41 (23.1010，調(diào)低后的頻率為到衛(wèi)星上去的鐘的頻率在地面上調(diào)低將要搭載GDrococLrrTtttattaattttmscFtEAeFtttt221012110221)()()()(10442807633. 42)(sin)(,應(yīng)為正因而，實(shí)際衛(wèi)星鐘的改上改正數(shù)

18、時(shí)，在衛(wèi)星鐘讀數(shù)上加在時(shí)刻)(sin2290)(tEettr課本上為：課本上為：因?yàn)椋阂驗(yàn)椋簁m265602290AAF第二步：第二步：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差對(duì)偽距測(cè)量和載波相位測(cè)量所造成的影響相同。注意：注意：7.3 與傳播途徑有關(guān)的誤差v 對(duì)流層延遲v 電離層延遲v 多路徑效應(yīng)v 電離層延遲電離層延遲電離層電離層 自由電子自由電子與信號(hào)的頻率有關(guān)與信號(hào)的頻率有關(guān) 與信號(hào)頻率的平方成反比（色散與信號(hào)頻率的平方成反比（色散效應(yīng)）效應(yīng)）與信號(hào)傳播途徑上的電子密度有關(guān)，而電子密度又與與信號(hào)傳播途徑上的電子密度有關(guān)，而電子密度又與高度、時(shí)間、季節(jié)、地理位置、太陽(yáng)活動(dòng)等有關(guān)高度、時(shí)間、季節(jié)、地理位置、太陽(yáng)活

19、動(dòng)等有關(guān)電離層對(duì)載波和測(cè)距碼的影響，大小相等，符號(hào)相反電離層對(duì)載波和測(cè)距碼的影響，大小相等，符號(hào)相反應(yīng)對(duì)方法應(yīng)對(duì)方法 模型改正模型改正 單層電離層模型單層電離層模型 雙頻改正雙頻改正 相對(duì)定位相對(duì)定位v 多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng)應(yīng)對(duì)方法應(yīng)對(duì)方法 觀測(cè)地點(diǎn)的選擇、接收設(shè)備的性觀測(cè)地點(diǎn)的選擇、接收設(shè)備的性能、長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理方法能、長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理方法v 對(duì)流層延遲對(duì)流層延遲對(duì)流層對(duì)流層對(duì)流層延遲的干分量與濕分量對(duì)流層延遲的干分量與濕分量相對(duì)與相對(duì)與GPSGPS信號(hào)，與信號(hào)的頻率無關(guān)（非色散）信號(hào)，與信號(hào)的頻率無關(guān)（非色散）應(yīng)對(duì)方法應(yīng)對(duì)方法 相對(duì)定位相對(duì)定位 模型改正模型改

20、正 氣象元素氣象元素 - - 干溫、濕溫、氣壓干溫、濕溫、氣壓 HopefieldHopefield模型、模型、SaastamoinenSaastamoinen模型等。模型等。7.3.1 7.3.1 預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí)電磁波的傳播特性電磁波的傳播特性v 基本特性基本特性TfvTtTff0212：為波速：為初相：為時(shí)間：為相位：為周期：為頻率：為角頻率vtTf0電磁波的傳播特性（續(xù)）電磁波的傳播特性（續(xù)）v傳播速度與大氣折射傳播速度與大氣折射光速：光速：Tfcvacvacvcnvac610) 1( nNppgvvvfnfnnppg折射率折射率n n與折射系（指）數(shù)與折射系（指）數(shù)N N：相速與群速

21、：相速與群速：大氣的結(jié)構(gòu)大氣的結(jié)構(gòu)v 電離層電離層（5050）70km70km以上以上帶電粒子帶電粒子色（彌）散型介質(zhì)色（彌）散型介質(zhì)v 對(duì)流層對(duì)流層0km40km0km40km各種氣體元素、水蒸氣和塵埃等各種氣體元素、水蒸氣和塵埃等非色（彌）散型介質(zhì)非色（彌）散型介質(zhì)7.3.2 7.3.2 對(duì)流層延遲對(duì)流層延遲 對(duì)流層是高度為40km以下的大氣層，大氣密度大，成分復(fù)雜，大氣的狀況隨著地面的氣候變化而變化。這就使得對(duì)流層折射比電離層折射更為復(fù)雜。電磁波通過對(duì)流層時(shí)傳播速度將發(fā)生變化，路徑也將產(chǎn)生彎曲（只有在高度角很小時(shí)才能表現(xiàn)出來，一般不需考慮）。天頂方向的對(duì)流層延遲數(shù)約為。天頂距z=80時(shí)，

22、對(duì)流層延遲將增加至約13m。目前采用的對(duì)流折射改正公式較多?；羝辗茽柕拢℉op field）公式被廣泛采用。 v對(duì)流層延遲和對(duì)流層延遲改正對(duì)流層延遲和對(duì)流層延遲改正 定義定義），稱其為大氣折射率（通常令：對(duì)流層改正。為對(duì)流層延遲，稱：故：時(shí)，有當(dāng)，則為信號(hào)傳播的真實(shí)距離設(shè)）稱為大氣折射系數(shù)（tyrefractivicatmospherinNsdncsdncxxxsdnctct dnccdtdtncdtncdtncdtncvdtatmosphereofindexrefractivenncvsskkksttttkkKttt60010) 1() 1() 1()11) 1(1() 1() 1()1(1

23、 )1 () 1() 1(1v對(duì)流層延遲和對(duì)流層延遲改正（續(xù)）對(duì)流層延遲和對(duì)流層延遲改正（續(xù)） 對(duì)流層的色散效應(yīng)對(duì)流層的色散效應(yīng) 折射率與信號(hào)波長(zhǎng)的關(guān)系折射率與信號(hào)波長(zhǎng)的關(guān)系4260136. 06288. 1604.28710N波長(zhǎng)N*10e6紅光0.72290.7966紫光0.40298.3153L11902936.728287.6040L22442102.134287.6040 對(duì)流層對(duì)不同波長(zhǎng)的波的折射效應(yīng)對(duì)流層對(duì)不同波長(zhǎng)的波的折射效應(yīng)結(jié)論：對(duì)于結(jié)論：對(duì)于GPSGPS衛(wèi)星所發(fā)送的電磁波信號(hào)，對(duì)流層衛(wèi)星所發(fā)送的電磁波信號(hào)，對(duì)流層不具有色散效應(yīng)不具有色散效應(yīng)v對(duì)流層延遲和對(duì)流層延遲改正（續(xù)）

24、對(duì)流層延遲和對(duì)流層延遲改正（續(xù)）大氣折射率大氣折射率N N與氣象元素（溫度、氣壓和濕度）的關(guān)與氣象元素（溫度、氣壓和濕度）的關(guān)系系SmithSmith和和WeintranbWeintranb，19541954。為水氣壓，單位；單位為氣溫，為絕對(duì)溫度，；為大氣壓，單位稱為濕氣分量；稱為干氣分量；其中：mbareKTmbarPNNTeTPNNNwdwd248106.776.77swsdsdsNdsNNdss161616101010對(duì)流層延遲與大氣折射率對(duì)流層延遲與大氣折射率N Nv霍普菲爾德（霍普菲爾德（Hopfield）改正模型）改正模型出發(fā)點(diǎn)出發(fā)點(diǎn)1100016.27372.14840136)

25、()()()(44wsdswwswsddsdwddhThshhhhNhhhhNNNNMRCRTPVgdhdPdhdT）（；的量表示為測(cè)站上的值含下標(biāo)其中：；投影函數(shù)的修正投影函數(shù)的修正為水氣壓）（swsdswsswsdssdwdwdehThhheTKhhTPKEKEKsss1100016.27372.14840136)(4810102 .155)(102 .155)25. 2sin()25. 6sin(277212212高度等有關(guān)的量。是與測(cè)站氣壓、溫度、其中321321,sinsin1aaaaEatgEaEmv霍普菲爾德（霍普菲爾德（Hopfield）改正模型）改正模型對(duì)流層折射模型對(duì)流層折

26、射模型v薩斯塔莫寧（薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型）改正模型原始模型原始模型有關(guān)，可查表獲得。和與有關(guān)，可查表獲得；與其中：sssssssshERhBhhWRhWEtgBeTPEs00028. 02cos0026. 01),(),()05. 01255(sin002277. 02283210716. 01015. 016. 1)4810(16)05. 01255(sin002277. 0sssssssshhactgEeTPTEEEEEtgaeTPEs其中：擬合后的公式擬合后的公式v勃蘭克（勃蘭克（Black）改正模型）改正模型20. 0)69. 3(002312. 013000

27、)96. 3(98.148)6 . 0(92. 1)273(00015. 0076. 0833. 0)()1 (1cos(1)()1 (1cos(1123 . 002020wsssdwsdEswwsddKTPTKhThEbTlEbhhlEKEbhhlEKs其中：v對(duì)流層改正模型綜述對(duì)流層改正模型綜述不同模型所算出的高度角不同模型所算出的高度角3030 以上方向的延遲以上方向的延遲差異不大差異不大BlackBlack模型可以看作是模型可以看作是HopfieldHopfield模型的修正形模型的修正形式式SaastamoinenSaastamoinen模型與模型與HopfieldHopfield模

28、型的差異要大模型的差異要大于于BlackBlack模型與模型與HopfieldHopfield模型的差異模型的差異v氣象元素的測(cè)定氣象元素的測(cè)定氣象元素氣象元素干溫、濕溫、氣壓干溫、濕溫、氣壓干溫、相對(duì)濕度、氣壓干溫、相對(duì)濕度、氣壓水氣壓水氣壓eses的計(jì)算方法的計(jì)算方法由相對(duì)濕度由相對(duì)濕度RHRH計(jì)算計(jì)算)000256908. 0213166. 02465.37(2sTsTeRHessPwTsTwTweseWTgWTgWTgwTgwTgeTeww)()31068.11(4105.4)(3)(2)(1)()(02808.5)16.373(246.1013由干溫、濕溫和氣壓計(jì)由干溫、濕溫和氣壓計(jì)

29、算算1)16.3731 (1205.26) 116.373(03945. 87321101813. 3)()1 (0187265. 0)() 116.373(19728.18)(wTwTeTgeTgTTgwwwwv誤差分析誤差分析模型誤差模型誤差氣象元素誤差氣象元素誤差量測(cè)誤差量測(cè)誤差儀器誤差儀器誤差讀數(shù)誤差讀數(shù)誤差測(cè)站氣象元素的代表性誤差測(cè)站氣象元素的代表性誤差實(shí)際大氣狀態(tài)與大氣模型間的差異實(shí)際大氣狀態(tài)與大氣模型間的差異結(jié)論：結(jié)論：衛(wèi)星信號(hào)通過對(duì)流層時(shí)傳播速度要發(fā)生變化，從而使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。對(duì)流層折射的大小取決于外界條件（氣溫、氣壓、溫度等）。對(duì)流層折射對(duì)偽距測(cè)量和載波相位測(cè)量的影響

30、相同。電離層延遲電離層延遲地球大氣層的結(jié)構(gòu)地球大氣層的結(jié)構(gòu) 電離層是高度位于50km至1000km之間的大氣層。由于太陽(yáng)的強(qiáng)烈輻射，電離層中的部分氣體分子將被電離形成大量的自由電子和正離子。當(dāng)電磁波信號(hào)穿過電離層時(shí)，信號(hào)的路徑會(huì)產(chǎn)生彎曲（但對(duì)測(cè)距的影響很微小，一般可不顧及），傳播速度會(huì)發(fā)生變化（其中自由電子起主要作用）。所以用信號(hào)的傳播時(shí)間乘上真空中的光速而得到的距離就會(huì)不等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離。對(duì)于GPS信號(hào)來講，這種距離差在天頂方向最大可達(dá)50m（太陽(yáng)黑子活動(dòng)高峰年11月份的白天），在接近地平方向時(shí)（高度角為20時(shí)）則可達(dá)150m。 GPS信號(hào)在電離層中的傳播特性信號(hào)在電離層中的傳播

31、特性v相速與群速相速與群速相速相速群速群速相速與群速的關(guān)系相速與群速的關(guān)系相折射率與群折射率的關(guān)系相折射率與群折射率的關(guān)系稱為相速。，其中相位的速度又簡(jiǎn)為相位的速度，則該電磁波，頻率為傳播，其波長(zhǎng)為假設(shè)有一電磁波在空間fvvfphph?！叭核佟北硎荆核俚膫鞑タ梢杂萌翰▉碚f，其最終能量對(duì)于頻率略微不同的一2ddfvgrddvvvphphgrdfdnfnnphphgrv電離層折射電離層折射，即相位超前。，或故恒為正值。為電子密度因；可取近似值一般，有：則：近似地可取關(guān)系。量、電子所帶電荷等有等與電子密度、電子質(zhì)其中phgrphgreegrphphphgrgrphphvvnnNHzNccfcfcf

32、fcndffcdnfcncccfcfcfcnncvncv,)(3 .4012121,.,.1;2222232223222432443322v電離層折射（續(xù)）電離層折射（續(xù)）稱為總電子含量，則令為成的距離延遲電離層折射對(duì)相位所造為成的距離延遲電離層折射對(duì)相位所造TECTECcfcTTECfTECcfcTTECfdsNTECdsNfdsfcdsdsfcdsdsndsNfdsfcdsdsfcdsdsnionogrphionogrionophphionopheegrionogrionogrephionophionoph;3 .403 .40;3 .403 .403 .40)1 (3 .40)1 (22

33、22220220220220v影響電子密度和總電子含量的因素影響電子密度和總電子含量的因素電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量電子密度：?jiǎn)挝惑w積中所包含的電子數(shù)。電子密度：?jiǎn)挝惑w積中所包含的電子數(shù)?？傠娮雍浚傠娮雍浚═EC TEC Total Electron Content Total Electron Content）：）：底面積為一個(gè)單位面積時(shí)沿信號(hào)傳播路徑貫穿整底面積為一個(gè)單位面積時(shí)沿信號(hào)傳播路徑貫穿整個(gè)電離層的一個(gè)柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。個(gè)電離層的一個(gè)柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。電離層地球TEC柱體底面積為1m2v 電子密度電子密度與高度有關(guān)與高度有關(guān)與地方時(shí)有關(guān)與地方時(shí)有關(guān)與太陽(yáng)

34、活動(dòng)有關(guān)與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)與季節(jié)有關(guān)與季節(jié)有關(guān)與位置有關(guān)與位置有關(guān)v大氣高度與電子密度的關(guān)系大氣高度與電子密度的關(guān)系 地方時(shí)與電子含量的關(guān)系地方時(shí)與電子含量的關(guān)系 太陽(yáng)活動(dòng)情況與電子含量的太陽(yáng)活動(dòng)情況與電子含量的關(guān)系關(guān)系與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)太陽(yáng)活動(dòng)劇烈時(shí)，電子含太陽(yáng)活動(dòng)劇烈時(shí)，電子含量增加量增加太陽(yáng)的活動(dòng)周期約為太陽(yáng)的活動(dòng)周期約為1111年年 地理位置與電子含量的關(guān)系地理位置與電子含量的關(guān)系v電離層延遲的改正方法電離層延遲的改正方法概述概述經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼p頻改正雙頻改正實(shí)測(cè)模型改正實(shí)測(cè)模型改正國(guó)際參考電離層模型（國(guó)際參考電離層模型（IRI IRI Internationa

35、l International Reference IonosphereReference Ionosphere）由國(guó)際無線電科學(xué)聯(lián)盟（由國(guó)際無線電科學(xué)聯(lián)盟（URSI URSI International Union of Radio ScienceInternational Union of Radio Science）和）和空間研究委員會(huì)（空間研究委員會(huì)（COSPAR - Committee on COSPAR - Committee on Space ResearchSpace Research）提出）提出描述高度為描述高度為50km-2000km50km-2000km的區(qū)間內(nèi)電子密度、

36、電的區(qū)間內(nèi)電子密度、電子溫度、電離層溫度、電離層的成分等子溫度、電離層溫度、電離層的成分等以地點(diǎn)、時(shí)間、日期等為參數(shù)以地點(diǎn)、時(shí)間、日期等為參數(shù)v電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗婋x層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虰entBent模型模型由美國(guó)的由美國(guó)的提出提出描述電子密度描述電子密度是經(jīng)緯度、時(shí)間、季節(jié)和太陽(yáng)輻射流量的函數(shù)是經(jīng)緯度、時(shí)間、季節(jié)和太陽(yáng)輻射流量的函數(shù)Klobuchar模型特點(diǎn)由美國(guó)的提出描述電離層的時(shí)延廣泛地用于GPS導(dǎo)航定位中GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中播發(fā)其模型參數(shù)供用戶使用v Klobuchar模型（續(xù)）模型（續(xù)）中心電離層中心電離層電離層地球約350km中心電離層電離層穿刺點(diǎn)I P天頂方向Zv Klobuc

37、har模型（續(xù)）模型（續(xù)）模型算法模型算法文提供；由衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電；其中：天頂方向的電離層時(shí)延信號(hào)的電離層穿刺點(diǎn)處)3 , 2 , 1 , 0()3 , 2 , 1 , 0(;)14(2cos105sec30309iiPAtPAZTiiiimiiimihgvKlobuchar模型（續(xù)）模型（續(xù)）模型算法模型算法3)9096(21sec15)0 .291cos(6 .114 .780 .291cossincos,4)20445(elZIPZUTtIPtaaEAaEAIPelEAIPSIPIPIPIPmSSIPSIPIPIPm處的天頂距：為衛(wèi)星信號(hào)在處的地方時(shí)為有，北緯于東經(jīng)考慮到目前地磁北極

38、位為衛(wèi)星的方位角；：點(diǎn)的地心經(jīng)緯度計(jì)算在點(diǎn)心的夾角：和計(jì)算測(cè)站下面步驟計(jì)算處的地磁緯度，可采用為信號(hào)的電離層穿刺點(diǎn)改正效果：可改正改正效果：可改正6060左左右右電離層延遲的雙頻改正電離層延遲的雙頻改正54573. 254573. 13928. 06469. 0154120154120120154213 .40212122222221212221222222112122212222222121222122212122212222112122ionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrVVVVVVfffVff

39、fVffffAffffAffffAfAfAfAfASSLLfAVfATECA故：即：得：則：實(shí)際的站星距為星距為上的測(cè)距碼所測(cè)定的站采用，星距為上的測(cè)距碼所測(cè)定的站采用設(shè)：，或電離層延遲改正，即有電離層延遲令電離層延遲的雙頻改正（續(xù)）電離層延遲的雙頻改正（續(xù)）電離層地球約350km中心電離層電離層穿刺點(diǎn)I P天頂方向Z地心測(cè)站SEA電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正基本思想基本思想利用基準(zhǔn)站的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算電離層延遲利用基準(zhǔn)站的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算電離層延遲利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的的利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的的TECTEC實(shí)測(cè)模型實(shí)測(cè)模型局部（區(qū)域性）

40、的實(shí)測(cè)模型改正局部（區(qū)域性）的實(shí)測(cè)模型改正方法方法為原點(diǎn)坐標(biāo)。）；為展開式的系數(shù)（待求展開式的最高階數(shù)；為變量的二元泰勒級(jí)數(shù)和為以；點(diǎn)的太陽(yáng)時(shí)，為點(diǎn)的地心緯度，為其中：00maxmax0000,)()(),(maxmaxsEsmnUTLTsIPsIPssEsTECnmnnmmmnnm適用范圍：用于局部地區(qū)的電離層延遲改正適用范圍：用于局部地區(qū)的電離層延遲改正電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正全球（大范圍）的實(shí)測(cè)模型改正全球（大范圍）的實(shí)測(cè)模型改正方法方法為球諧系數(shù)（待求）。多項(xiàng)式；次正規(guī)化締合勒讓德階的多項(xiàng)式和勒讓德為基于正規(guī)化函數(shù)數(shù)；為球諧展開式的最高階；點(diǎn)的太陽(yáng)時(shí)，為點(diǎn)的地心

41、緯度，為其中：nmnmmnnmnmnnnmnmnmnmbaLegendremnPLegendremnPmnPnUTLTsIPsIPmsbmsaPsTEC,)()(),(),()sincos(sin),(,max00max適用范圍：用于大范圍和全球的電離層延遲改正適用范圍：用于大范圍和全球的電離層延遲改正格網(wǎng)化的電離層延遲改正模型格網(wǎng)化的電離層延遲改正模型電磁波信號(hào)通過電離層時(shí)傳播速度會(huì)產(chǎn)生變化，致使量測(cè)結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)性的偏離，這種現(xiàn)象稱為電離層折射。電離層折射的大小取決于外界條件（時(shí)間、太陽(yáng)黑子數(shù)、地點(diǎn)等）和信號(hào)頻率。在偽距測(cè)量和載波相位測(cè)量中，電離層折射的大小相同，符號(hào)相反。 結(jié)論：結(jié)論：7.

42、3.4 7.3.4 多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng)v多路徑（多路徑（Multipath）誤差）誤差在在GPSGPS測(cè)量中，被測(cè)站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量中，被測(cè)站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號(hào)（反射波）被接收機(jī)天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的（反射波）被接收機(jī)天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測(cè)值偏離真值產(chǎn)信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測(cè)值偏離真值產(chǎn)生所謂的生所謂的“多路徑誤差多路徑誤差”。v多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng)由于多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱為多由于多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)。路徑效應(yīng)。 經(jīng)某些物體表面反射后到達(dá)接收機(jī)經(jīng)某些物體表面反射后到達(dá)

43、接收機(jī)的信號(hào)，將和直接來自衛(wèi)星的信號(hào)疊加的信號(hào)，將和直接來自衛(wèi)星的信號(hào)疊加進(jìn)入接收機(jī)，使測(cè)量值產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。進(jìn)入接收機(jī)，使測(cè)量值產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。多路徑誤差對(duì)偽距測(cè)量的影響比載波相多路徑誤差對(duì)偽距測(cè)量的影響比載波相位測(cè)量的影響嚴(yán)重。該項(xiàng)誤差取決于測(cè)位測(cè)量的影響嚴(yán)重。該項(xiàng)誤差取決于測(cè)站周圍的環(huán)境和接收天線的性能。站周圍的環(huán)境和接收天線的性能。 v 反射波反射波反射波的幾何特性反射波的幾何特性zHzHzzHzzHzGAzGAGAOAGAsin42sin2)sin21 (1 (sin)2cos1 (sin)2cos1 (2cos2為：號(hào)的相位差反射信號(hào)相對(duì)于直接信為：號(hào)多經(jīng)過的路徑長(zhǎng)度反射信號(hào)相對(duì)于直接信HAOGSSSzz2z反射波的物理特性反射波的物理特性反射系數(shù)反射系數(shù)a a極化特性極化特性GPSGPS信號(hào)為右旋極化信號(hào)為右旋極化反射信號(hào)為左旋極化反射信號(hào)為左旋極化v多路徑誤差多路徑誤差受多路徑效應(yīng)影響的情況下的接收信號(hào)受多路徑效應(yīng)影響的情況下的接收信號(hào)tUtUtUtUtUStUatUatUatUatUtUatUSSStUaStUSrdrdsin)sin(cos)cos(sinsincoscos)cos(sin)sin(cos)cos1 (sinsincoscoscos)cos