第三章GPS定位中的誤差源1

1、 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測繪學(xué)院測繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 ( (五五) )GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用第三章第三章 GPS定位中的誤差源定位中的誤差源3.1 概述概述3.2 鐘誤差鐘誤差3.3 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3.1概述概述GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星軌道誤差 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 與傳播途徑有關(guān)的誤差與傳播途徑有關(guān)的誤差 電離層延遲電離層延遲 對流層延遲對流層延遲 多路徑效應(yīng)多路

2、徑效應(yīng) 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差與接收設(shè)備有關(guān)的誤差 接收機(jī)天線相位中心的偏移和變化接收機(jī)天線相位中心的偏移和變化 接收機(jī)鐘差接收機(jī)鐘差 接收機(jī)內(nèi)部噪聲接收機(jī)內(nèi)部噪聲GPS測量誤差的來源測量誤差的來源GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述 GPS測量誤差的來源測量誤差的來源GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS測量誤差的性質(zhì)測量誤差的性質(zhì) 偶然誤差偶然誤差 內(nèi)容內(nèi)容 衛(wèi)星信號發(fā)生部分的隨機(jī)噪聲衛(wèi)星信號發(fā)生部分的隨機(jī)噪聲 接收機(jī)信號接收處理部分的隨機(jī)噪聲接收機(jī)信號接收處理部分的隨機(jī)噪聲 其它外部某些具有隨機(jī)特征的影響其它外部某些具有隨機(jī)特征的影響 特點(diǎn)特點(diǎn) 隨機(jī)隨機(jī) 量級小量級小 毫米級毫米

3、級GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述 GPS測量誤差的性質(zhì)測量誤差的性質(zhì)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS測量誤差的性質(zhì)測量誤差的性質(zhì) 系統(tǒng)誤差（偏差系統(tǒng)誤差（偏差 - Bias） 內(nèi)容內(nèi)容 其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差 特點(diǎn)特點(diǎn) 具有某種系統(tǒng)性特征具有某種系統(tǒng)性特征 量級大量級大 最大可達(dá)數(shù)百米最大可達(dá)數(shù)百米GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述 GPS測量誤差的性質(zhì)測量誤差的性質(zhì)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS測量誤差的大小測量誤差的大小 SPS（無（無SA）GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述 GPS測量誤差的大小測量

4、誤差的大小1-sigma 誤差，單位 m 誤差來源 偏差 隨機(jī)誤差 總誤差 星歷數(shù)據(jù) 2 .1 0.0 2.1 衛(wèi)星鐘 2.0 0.7 2.1 電離層 4.0 0.5 4.0 對流層 0.5 0.5 0.7 多路徑 1.0 1.0 1.4 接收機(jī)觀測 0.5 0.2 0.5 用戶等效距離誤差(UERE), rms 5.1 1.4 5.3 濾波后的 UERE，rms 5.1 0.4 5.1 1-sigma 垂直誤差VDOP = 2.5 12.8 1-sigma 水平誤差HDOP = 2.0 10.2 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS測量誤差的大小測量誤差的大小 SPS（有（有SA）GPS測量

5、定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述 GPS測量誤差的大小測量誤差的大小1-sigma 誤差，單位 m 誤差來源 偏差 隨機(jī)誤差 總誤差 星歷數(shù)據(jù) 2 .1 0.0 2.1 衛(wèi)星鐘 20.0 0.7 20.0 電離層 4.0 0.5 4.0 對流層 0.5 0.5 0.7 多路徑 1.0 1.0 1.4 接收機(jī)觀測 0.5 0.2 0.5 用戶等效距離誤差(UERE), rms 20.5 1.4 20.6 濾波后的 UERE，rms 20.5 0.4 20.5 1-sigma 垂直誤差VDOP = 2.5 51.4 1-sigma 水平誤差HDOP = 2.0 41.1 GPS原理及其應(yīng)用原

6、理及其應(yīng)用GPS測量誤差的大小測量誤差的大小 PPS，雙頻，雙頻，P/Y-碼碼GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述 GPS測量誤差的大小測量誤差的大小1-sigma 誤差，單位 m 誤差來源 偏差 隨機(jī)誤差 總誤差 星歷數(shù)據(jù) 2 .1 0.0 2.1 衛(wèi)星鐘 2.0 0.7 2.1 電離層 1.0 0.7 1.2 對流層 0.5 0.5 0.7 多路徑 1.0 1.0 1.4 接收機(jī)觀測 0.5 0.2 0.5 用戶等效距離誤差(UERE), rms 3.3 1.5 3.6 濾波后的 UERE，rms 3.3 0.4 3.3 1-sigma 垂直誤差VDOP = 2.5 8.3 1

7、-sigma 水平誤差HDOP = 2.0 6.6 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 模型改正法模型改正法 原理：利用模型計(jì)算出誤差影響的大小，直接對觀測值原理：利用模型計(jì)算出誤差影響的大小，直接對觀測值進(jìn)行修正進(jìn)行修正 適用情況：對誤差的特性、機(jī)制及產(chǎn)生原因有較深刻了適用情況：對誤差的特性、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)公式解，能建立理論或經(jīng)驗(yàn)公式 所針對的誤差源所針對的誤差源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 電離層延遲電離層延遲 對流層延遲對流層延遲 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差 限制：有些誤差難以模型化限制：有些誤差難以模型化GPS測量定位的

8、誤差源測量定位的誤差源 概述概述 消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 改正后的觀測值=原始觀測值+模型改正GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 求差法求差法 原理：通過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱原理：通過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測值中所包含的相同或相似的誤差影響求差觀測值中所包含的相同或相似的誤差影響 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。關(guān)性。 所針對的誤差源所針對的誤差源 電離層延遲電離層延遲 對流層延遲對流層延遲 衛(wèi)星軌道

9、誤差衛(wèi)星軌道誤差 限制：空間相關(guān)性將隨著測站間距離的增加而減弱限制：空間相關(guān)性將隨著測站間距離的增加而減弱GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述 消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 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)性偏差求原理：采用參數(shù)估計(jì)的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來定出來 適用情況：幾乎適用于任何的情況適用情況：幾乎適用于任何的情況 限制：不能同時(shí)將所有影響均作為參數(shù)來估計(jì)限制：不能同時(shí)將所有影響均作為參數(shù)來估計(jì)GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述

10、 消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 回避法回避法 原理：選擇合適的觀測地點(diǎn)，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；原理：選擇合適的觀測地點(diǎn)，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測方法；采用特殊的硬件設(shè)備，消除或減采用特殊的觀測方法；采用特殊的硬件設(shè)備，消除或減弱誤差的影響弱誤差的影響 適用情況：對誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解；具有特適用情況：對誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解；具有特殊的設(shè)備。殊的設(shè)備。 所針對的誤差源所針對的誤差源 電磁波干擾電磁波干擾 多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng) 限制：無法完全避免誤差的影響

11、，具有一定的盲目性限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述 消除或消弱各種誤差影響的方法消除或消弱各種誤差影響的方法 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3.2 鐘誤差鐘誤差GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差 定義定義物理同步誤差物理同步誤差數(shù)學(xué)同步誤差數(shù)學(xué)同步誤差 應(yīng)對方法應(yīng)對方法 模型改正模型改正鐘差改正多項(xiàng)式鐘差改正多項(xiàng)式其中其中a0為為ts時(shí)刻的時(shí)鐘偏差，時(shí)刻的時(shí)鐘偏差，a1為鐘的漂移，為鐘的漂移，a2為老化為老化率。率。 相對定位或差分定位相對定位或差分定位2210ocsocstttattaasGPS測量定位的誤差源測量定位

12、的誤差源 概述概述 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用接收機(jī)鐘差接收機(jī)鐘差 定義定義GPS接收機(jī)一般采用石英鐘，接收機(jī)鐘與理接收機(jī)一般采用石英鐘，接收機(jī)鐘與理想的想的GPS時(shí)之間存在的偏差和漂移。時(shí)之間存在的偏差和漂移。 應(yīng)對方法應(yīng)對方法 作為未知數(shù)處理作為未知數(shù)處理 相對定位或差分定位相對定位或差分定位GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 概述概述 接收機(jī)鐘差接收機(jī)鐘差GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3.3 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 狹義相對論效應(yīng)狹義相對論效應(yīng) 廣義相對論效應(yīng)廣義相對論效應(yīng)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3. 3相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差

13、源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用狹義相對論和廣義相對論狹義相對論和廣義相對論 狹義相對論狹義相對論 1905 運(yùn)動將使時(shí)間、空間和物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化運(yùn)動將使時(shí)間、空間和物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化 廣義相對論廣義相對論 1915 將相對論與引力論進(jìn)行了統(tǒng)一將相對論與引力論進(jìn)行了統(tǒng)一GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 狹義相對論和廣義相對論狹義相對論和廣義相對論GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響 狹義相對論狹義相對論 原理：時(shí)間膨脹。鐘的頻率與其運(yùn)動速度有關(guān)。原理：時(shí)間膨脹。鐘的頻率與其運(yùn)動速度有關(guān)。 對對GPS衛(wèi)

14、星鐘的影響：衛(wèi)星鐘的影響： 結(jié)論：在狹義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變結(jié)論：在狹義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢慢22 1 2222101 () (1)2238742997924580.835 10sssssssssssVffVVfffccfVffffcGPSVm scm sff 若衛(wèi)星在地心慣性坐標(biāo)系中的運(yùn)動速度為 ，則在地面頻率為 的鐘若安置到衛(wèi)星上，其頻率 將變?yōu)椋杭磧烧叩念l率差為考慮到衛(wèi)星的平均運(yùn)動速度和真空中的光速，則GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用相對論效應(yīng)對衛(wèi)

15、星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響 廣義相對論廣義相對論 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) 對對GPS衛(wèi)星鐘的影響：衛(wèi)星鐘的影響： 結(jié)論：在廣義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變結(jié)論：在廣義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快快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)鐘頻率則同一臺鐘放在衛(wèi)星上，為，地面測站處的重力位為若衛(wèi)星所在處的重力位GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 相對論

16、效應(yīng)相對論效應(yīng) 相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響 相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響 狹義相對論廣義相對論狹義相對論廣義相對論fffff102110449. 4:為上時(shí)總的變化量鐘頻率相對于其在地面用下，衛(wèi)星上義相對論效應(yīng)的共同作在狹義相對論效應(yīng)和廣sff1令：令：GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng) 相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用解決相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘影響的方法解決相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘影響的方法 方法（分兩步）：首先考慮假定衛(wèi)星軌道為方法（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)星軌道為橢圓軌圓軌道的情況；然后考慮衛(wèi)星軌道為橢圓軌道的情況。道的情況。 第一步：第一步： 第二步：第二步：MHzMH