武漢大學《GPS測量原理及應用》006

1、 武漢大學武漢大學 測繪學院測繪學院 GPSGPS原理及其應用課程組原理及其應用課程組GPS原理及其應用原理及其應用 ( (六六) )GPS原理及其應用原理及其應用第三章第三章 GPS定位中的誤差源定位中的誤差源3.4 衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差3.5 電離層延遲電離層延遲GPS原理及其應用原理及其應用3.4 衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差GPS原理及其應用原理及其應用3. 4衛(wèi)星星歷（軌道）誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差 定義定義由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星在空間的位置與衛(wèi)星由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星在空間的位置與衛(wèi)星的實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。的實際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。廣播星歷（預報星歷）的精度廣播星歷（預

2、報星歷）的精度(無無SA) 2030米米(有有SA) 100米米精密星歷（后處理星歷）的精度精密星歷（后處理星歷）的精度可達可達1厘米厘米應對方法應對方法精密定軌精密定軌(后處理后處理)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 衛(wèi)星星歷（軌道）誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差GPS原理及其應用原理及其應用dbdsb 星歷誤差對單點定位的影響星歷誤差對單點定位的影響 星歷誤差對單點定位的影響主要取決于衛(wèi)星到星歷誤差對單點定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機的距離以及用于定位或?qū)Ш降慕邮諜C的距離以及用于定位或?qū)Ш降腉PS衛(wèi)星衛(wèi)星與接收機構成的幾何圖形與接收機構成的幾何圖形 星

3、歷誤差對相對定位的影響星歷誤差對相對定位的影響GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 衛(wèi)星星歷（軌道）誤差衛(wèi)星星歷（軌道）誤差GPS原理及其應用原理及其應用3.5 電離層延遲電離層延遲GPS原理及其應用原理及其應用3. 5 電離層延遲電離層延遲GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲電離層地球TEC柱體底面積為1m2GPS原理及其應用原理及其應用地球大氣結構地球大氣結構地球大氣層的結構地球大氣層的結構GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 地球大氣結構地球大氣結構GPS原理及其應用原理及其應用大氣折射效應大氣折射效應 大氣折射大氣折射 信號在穿過大氣時

4、，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)信號在穿過大氣時，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。也稱生彎曲。也稱大氣延遲大氣延遲。在。在GPS測量定位中，通常僅考測量定位中，通常僅考慮信號傳播速度的變化。慮信號傳播速度的變化。 色散介質(zhì)與非色散介質(zhì)色散介質(zhì)與非色散介質(zhì) 色散介質(zhì)：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應也不色散介質(zhì)：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應也不同同 非色散介質(zhì)：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應相非色散介質(zhì)：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應相同同 對對GPS信號來說，電離層是色散介質(zhì)，對流層是非色散信號來說，電離層是色散介質(zhì)，對流層是非色散介質(zhì)介質(zhì)GPS測量定位的誤差源測量定位的

5、誤差源 電離層延遲電離層延遲 大氣折射效應大氣折射效應GPS原理及其應用原理及其應用相速與群速相速與群速 相速相速 群速群速 相速與群速的關系相速與群速的關系 相折射率與群折射率的關系相折射率與群折射率的關系phphfvvf假設有一電磁波在空間傳播，其波長為 ，頻率為該電磁波相位的速度，有=其中相位的速度又簡稱為相速。“群速”表示，群速的傳播可以用群波來說，其最終能量對于頻率略微不同的一2ddfvgrddvvvphphgrphphgrphphdndnnnnfddfGPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 相速與群速相速與群速GPS原理及其應用原理及其應用相速與群速相速與群速

6、GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 相速與群速相速與群速222,1111phgrphgrphphphgrphphphphphgrphphgrphphphphphphphphphphcccnnnvvvvddvdvdfvvvddddcvnnccndvdvvdnccvddvdnvndvdndnnd 1111;phphphphphphphdndndnnnnfndddfddff 注：GPS原理及其應用原理及其應用電離層折射電離層折射3242342342223222232222;1.,.1221140.3(),phgrphgrphphphgreegrphgrphccvvnnccc

7、nfffc c ccnfcdndffcccnffffccNHzNnnvv 其中等與電子密度、電子質(zhì)量、電子所帶電荷等有關系。近似地可取則：有：一般， 可取近似值；因為電子密度 恒為正值。故，或，即相位超前。GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層折射電離層折射GPS原理及其應用原理及其應用電離層折射電離層折射稱為總電子含量，則令為成的距離延遲電離層折射對相位所造為成的距離延遲電離層折射對相位所造TECTECcfcTTECfTECcfcTTECfdsNTECdsNfdsfcdsdsfcdsdsndsNfdsfcdsdsfcdsdsnionogrphionogriono

8、phphionopheegrionogrionogrephionophionoph;3 .403 .40;3 .403 .403 .40)1 (3 .40)1 (2222220220220220GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層折射電離層折射GPS原理及其應用原理及其應用電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量 電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量 電子密度：單位體積中所電子密度：單位體積中所包含的電子數(shù)。包含的電子數(shù)。 總電子含量（總電子含量（TEC Total Electron Content）：底）：底面積為一個單位面積時沿面積為一個單位面積時沿信號

9、傳播路徑貫穿整個電信號傳播路徑貫穿整個電離層的一個柱體內(nèi)所含的離層的一個柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。電子總數(shù)。電離層地球TEC柱體底面積為1m2GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量GPS原理及其應用原理及其應用電子密度與大氣高度的關系電子密度與大氣高度的關系GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電子密度與大氣高度的關系電子密度與大氣高度的關系GPS原理及其應用原理及其應用電子含量與地方時的關系電子含量與地方時的關系GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電子含量與地方時的關系電子含量與地方

10、時的關系GPS原理及其應用原理及其應用電子含量與太陽活動情況的關系電子含量與太陽活動情況的關系 與太陽活動密切相關，太與太陽活動密切相關，太陽活動劇烈時，電子含量陽活動劇烈時，電子含量增加增加 太陽活動周期約為太陽活動周期約為11年年1700年年 1995年太陽黑子數(shù)年太陽黑子數(shù)GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電子含量與太陽活動情況的關系電子含量與太陽活動情況的關系GPS原理及其應用原理及其應用電子含量與地理位置的關系電子含量與地理位置的關系2002.5.15 1:00 23:00 2小時間隔全球小時間隔全球TEC分布分布GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電

11、離層延遲電離層延遲 電子含量與地理位置的關系電子含量與地理位置的關系GPS原理及其應用原理及其應用常用電離層延遲改正方法分類常用電離層延遲改正方法分類 經(jīng)驗模型改正經(jīng)驗模型改正 方法：根據(jù)以往觀測結果所建立的模型方法：根據(jù)以往觀測結果所建立的模型 改正效果：差改正效果：差 雙頻改正雙頻改正 方法：利用雙頻觀測值直接計算出延遲改正或組成無電方法：利用雙頻觀測值直接計算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測量離層延遲的組合觀測量 效果：改正效果最好效果：改正效果最好 實測模型改正實測模型改正 方法：利用實際觀測所得到的離散的電離層延遲（或電方法：利用實際觀測所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），

12、建立模型（如內(nèi)插）子含量），建立模型（如內(nèi)插） 效果：改正效果較好效果：改正效果較好GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 常用電離層延遲改正方法分類常用電離層延遲改正方法分類GPS原理及其應用原理及其應用電離層改正的經(jīng)驗模型簡介電離層改正的經(jīng)驗模型簡介 Bent模型模型 由美國的由美國的R.B.Bent提出提出 描述電子密度描述電子密度 是經(jīng)緯度、時間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù)是經(jīng)緯度、時間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù) 國際參考電離層模型（國際參考電離層模型（IRI International Reference Ionosphere） 由國際無線電科學聯(lián)盟（由國際無線電

13、科學聯(lián)盟（URSI International Union of Radio Science）和空間研究委員會（）和空間研究委員會（COSPAR - Committee on Space Research）提出）提出 描述高度為描述高度為50km-2000km的區(qū)間內(nèi)電子密度、電子溫度、的區(qū)間內(nèi)電子密度、電子溫度、電離層溫度、電離層的成分等電離層溫度、電離層的成分等 以地點、時間、日期等為參數(shù)以地點、時間、日期等為參數(shù)GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層改正的經(jīng)驗模型簡介電離層改正的經(jīng)驗模型簡介GPS原理及其應用原理及其應用電離層改正的經(jīng)驗模型簡介電離層改正的經(jīng)

14、驗模型簡介 Klobuchar模型模型 由美國的由美國的J.A.Klobuchar提出提出 描述電離層的時延描述電離層的時延 廣泛地用于廣泛地用于GPS導航定位中導航定位中 GPS衛(wèi)星的導航電文中播發(fā)其模型參數(shù)供用戶衛(wèi)星的導航電文中播發(fā)其模型參數(shù)供用戶使用使用GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層改正的經(jīng)驗模型簡介電離層改正的經(jīng)驗模型簡介GPS原理及其應用原理及其應用Klobuchar模型模型 中心電離層中心電離層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 IP天頂方向ZGPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 Klobu

15、char模型模型GPS原理及其應用原理及其應用Klobuchar模型模型 模型算法模型算法930302sec5 10cos(14 );(0,1,2,3)(0,1,2,3)hgiimiiimiiimTZAtPAPiiIP 信號的電離層穿刺點處天頂方向的電離層時延其中：；由衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文提供；為信號的電離層穿刺點處的地磁緯度，可采用下面步驟計算電離層地球約350km中心電離層電離層穿刺點 IP天頂方向ZGPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 Klobuchar模型模型GPS原理及其應用原理及其應用Klobuchar模型模型 模型算法（續(xù)）模型算法（續(xù)） 改正效果：可改正

16、改正效果：可改正60左右左右445()4 ,20,cossincos291.078.411.6 cos(291.0 )15secIPIPIPSIPSSmIPIPIPSIPEAelelIPEAaaEAatIPtUTZIP 計算測站 和在點心的夾角：為測站處衛(wèi)星的高度角計算點的地心經(jīng)緯度：；為衛(wèi)星的方位角考慮到目前地磁北極位于東經(jīng)，北緯有為處的地方時為衛(wèi)星信號在處的天頂距：39612 ()90elZ GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 Klobuchar模型模型電離層地球約350km中心電離層電離層穿刺點I P天頂方向Z地心測站SEAGPS原理及其應用原理及其應用電離層延

17、遲的雙頻改正電離層延遲的雙頻改正54573. 254573. 13928. 06469. 0154120154120120154213 .40212122222221212221222222112122212222222121222122212122212222112122ionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrVVVVVVfffVfffVffffAffffAffffAfAfAfAfASSLLfAVfATECA故：即：得：則：實際的站星距為星距為上的測距碼所測定的站采用，星距為上的測距碼所測定的站采用設

18、：，或電離層延遲改正，即有電離層延遲令GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層延遲的雙頻改正電離層延遲的雙頻改正GPS原理及其應用原理及其應用電離層延遲的實測模型改正電離層延遲的實測模型改正 基本思想基本思想 利用基準站的雙頻觀測數(shù)據(jù)計算電離層延遲利用基準站的雙頻觀測數(shù)據(jù)計算電離層延遲 利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的的的TEC實測模型實測模型 類型類型 局部模型局部模型 適用于局部區(qū)域適用于局部區(qū)域 全球模型全球模型 適用于全球區(qū)域適用于全球區(qū)域GPS測量定位的誤差源測量定位的誤差源 電離層延遲電離層延遲 電離層延遲的實測模型改正電離層延遲的實測模型改正GPS原理及其應用原理及其應用電離層延遲的實測模型改正電離層延遲的實測模型改正 局部（區(qū)域