第四章 GPS定位中誤差源

第四章GPS定位中的誤差源§4.1概述§4.2鐘誤差§4.3相對論效應(yīng)§4.1 概述GPS測量定位的誤差源>概述與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差相對論效應(yīng)與傳播途徑有關(guān)的誤差電離層延遲對流層延遲多路徑效應(yīng)與接收設(shè)備有關(guān)的誤差接收機天線相位中心的偏移和變化接收機鐘差接收機內(nèi)部噪聲GPS測量誤差的來源GPS測量定位的誤差源>概述>GPS測量誤差的來源GPS測量誤差的性質(zhì)①偶然誤差內(nèi)容衛(wèi)星信號發(fā)生部分的隨機噪聲接收機信號接收處理部分的隨機噪聲其它外部某些具有隨機特征的影響特點隨機量級小–毫米級GPS測量定位的誤差源>概述>GPS測量誤差的性質(zhì)GPS測量誤差的性質(zhì)②系統(tǒng)誤差（偏差-Bias）內(nèi)容其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差特點具有某種系統(tǒng)性特征量級大–最大可達數(shù)百米GPS測量定位的誤差源>概述>GPS測量誤差的性質(zhì)GPS測量誤差的大?、賁PS（無SA）GPS測量定位的誤差源>概述>GPS測量誤差的大小GPS測量誤差的大?、赟PS（有SA）GPS測量定位的誤差源>概述>GPS測量誤差的大小GPS測量誤差的大?、跴PS，雙頻，P/Y-碼GPS測量定位的誤差源>概述>GPS測量誤差的大小消除或消弱各種誤差影響的方法①模型改正法原理：利用模型計算出誤差影響的大小，直接對觀測值進行修正適用情況：對誤差的特性、機制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗公式所針對的誤差源相對論效應(yīng)電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星鐘差限制：有些誤差難以模型化GPS測量定位的誤差源>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②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：誤差具有較強的空間、時間或其它類型的相關(guān)性。所針對的誤差源電離層延遲對流層延遲衛(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GPS測量定位的誤差源>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③參數(shù)法原理：采用參數(shù)估計的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來適用情況：幾乎適用于任何的情況限制：不能同時將所有影響均作為參數(shù)來估計GPS測量定位的誤差源>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④回避法原理：選擇合適的觀測地點，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；具有特殊的設(shè)備。所針對的誤差源電磁波干擾多路徑效應(yīng)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>概述>消除或消弱各種誤差影響的方法§4.2鐘誤差衛(wèi)星鐘差定義

應(yīng)對方法模型改正 鐘差改正多項式

其中a0為ts時刻的時鐘偏差，a1為鐘的漂移，a2為老化率。相對定位或差分定位GPS測量定位的誤差源>概述>衛(wèi)星鐘差接收機鐘差定義 GPS接收機一般采用石英鐘，接收機鐘與理想的GPS時之間存在的偏差和漂移。應(yīng)對方法作為未知數(shù)處理相對定位或差分定位GPS測量定位的誤差源>概述>接收機鐘差§4.3相對論效應(yīng)狹義相對論效應(yīng)廣義相對論效應(yīng)3.3相對論效應(yīng)GPS測量定位的誤差源>相對論效應(yīng)狹義相對論和廣義相對論狹義相對論1905運動將使時間、空間和物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化廣義相對論1915將相對論與引力論進行了統(tǒng)一GPS測量定位的誤差源>相對論效應(yīng)>狹義相對論和廣義相對論相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響①狹義相對論原理：時間膨脹。鐘的頻率與其運動速度有關(guān)。對GPS衛(wèi)星鐘的影響：結(jié)論：在狹義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢GPS測量定位的誤差源>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②廣義相對論原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關(guān)對GPS衛(wèi)星鐘的影響：結(jié)論：在廣義相對論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快GPS測量定位的誤差源>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③相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響?yīng)M義相對論＋廣義相對論令：GPS測量定位的誤差源>相對論效應(yīng)>相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘的影響解決相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘影響的方法方法（分兩步）：首先考慮假定衛(wèi)星軌道為圓軌道的情況；然后考慮衛(wèi)星軌道為橢圓軌道的情況。第一步：第二步：課本上為：因為：GPS測量定位的誤差源>相對論效應(yīng)>解決方法§4.4衛(wèi)星星歷誤差4.4衛(wèi)星星歷（軌道）誤差定義 由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星在空間的位置(速度)與衛(wèi)星的實際位置(速度)之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。廣播星歷（預(yù)報星歷）的精度

(無SA)20～30米

(有SA)100米精密星歷（后處理星歷）的精度 可達1厘米應(yīng)對方法精密定軌(后處理)相對定位或差分定位GPS測量定位的誤差源>衛(wèi)星星歷（軌道）誤差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)星到接收機的距離以及用于定位或?qū)Ш降腉PS衛(wèi)星與接收機構(gòu)成的幾何圖形星歷誤差對相對定位的影響GPS測量定位的誤差源>衛(wèi)星星歷（軌道）誤差§4.5電離層延遲4.5電離層延遲GPS測量定位的誤差源>電離層延遲地球大氣結(jié)構(gòu)地球大氣層的結(jié)構(gòu)GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>地球大氣結(jié)構(gòu)大氣折射效應(yīng)大氣折射信號在穿過大氣時，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。也稱大氣延遲。在GPS測量定位中，通常僅考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)：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應(yīng)也不同非色散介質(zhì)：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應(yīng)相同對GPS信號來說，電離層是色散介質(zhì)，對流層是非色散介質(zhì)GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>大氣折射效應(yīng)電離層折射GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>電離層折射電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量電子密度：單位體積中所包含的電子數(shù)?？傠娮雍浚═EC–TotalElectronContent）：底面積為一個單位面積時沿信號傳播路徑貫穿整個電離層的一個柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>電子密度與總電子含量電子密度與大氣高度的關(guān)系GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>電子密度與大氣高度的關(guān)系電子含量與地方時的關(guān)系GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>電子含量與地方時的關(guān)系電子含量與太陽活動情況的關(guān)系與太陽活動密切相關(guān)，太陽活動劇烈時，電子含量增加太陽活動周期約為11年1700年–1995年太陽黑子數(shù)GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>電子含量與太陽活動情況的關(guān)系電子含量與地理位置的關(guān)系2002.5.151:00–23:002小時間隔全球TEC分布GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>電子含量與地理位置的關(guān)系常用電離層延遲改正方法分類經(jīng)驗?zāi)Ｐ透恼椒ǎ焊鶕?jù)以往觀測結(jié)果所建立的模型改正效果：差雙頻改正方法：利用雙頻觀測值直接計算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測量效果：改正效果最好實測模型改正方法：利用實際觀測所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），建立模型（如內(nèi)插）效果：改正效果較好GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>常用電離層延遲改正方法分類電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喗棰貰ent模型由美國的R.B.Bent提出描述電子密度是經(jīng)緯度、時間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù)國際參考電離層模型（IRI–InternationalReferenceIonosphere）由國際無線電科學(xué)聯(lián)盟（URSI–InternationalUnionofRadioScience）和空間研究委員會（COSPAR-CommitteeonSpaceResearch）提出描述高度為50km-2000km的區(qū)間內(nèi)電子密度、電子溫度、電離層溫度、電離層的成分等以地點、時間、日期等為參數(shù)GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喗殡婋x層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喗棰贙lobuchar模型由美國的J.A.Klobuchar提出描述電離層的時延廣泛地用于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GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>電離層改正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃喗殡婋x層延遲的雙頻改正GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>電離層延遲的雙頻改正電離層延遲的實測模型改正基本思想利用基準(zhǔn)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的TEC實測模型類型局部模型適用于局部區(qū)域全球模型適用于全球區(qū)域GPS測量定位的誤差源>電離層延遲>電離層延遲的實測模型改正§4.6 對流層延遲4.6對流層延遲GPS測量定位的誤差源>對流層延遲對流層延遲GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>對流層延遲對流層的色散效應(yīng)對流層的色散效應(yīng)折射率與信號波長的關(guān)系對流層對不同波長的波的折射效應(yīng)結(jié)論對于GPS衛(wèi)星所發(fā)送的電磁波信號，對流層不具有色散效應(yīng)GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>對流層的色散效應(yīng)大氣折射率N與氣象元素的關(guān)系大氣折射率N與溫度、氣壓和濕度的關(guān)系Smith和Weintranb，1954對流層延遲與大氣折射率NGPS測量定位的誤差源>對流層延遲>大氣折射率N與氣象元素的關(guān)系霍普菲爾德（Hopfield）改正模型①出發(fā)點導(dǎo)出折射率與高度的關(guān)系沿高度進行積分，導(dǎo)出垂直方向上的延遲通過投影（映射）函數(shù)，得出信號方向上的延遲GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>霍普菲爾德（Hopfield）改正模型霍普菲爾德（Hopfield）改正模型②對流層折射模型GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>霍普菲爾德（Hopfield）改正模型薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型①原始模型GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型②擬合后的公式GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型勃蘭克（Black）改正模型GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>勃蘭克（Black）改正模型對流層改正模型綜述不同模型所算出的高度角30以上方向的延遲差異不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型與Hopfield模型的差異要大于Black模型與Hopfield模型的差異GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>對流層改正模型綜述氣象元素的測定①氣象元素干溫、濕溫、氣壓干溫、相對濕度、氣壓測定方法普通儀器：通風(fēng)干濕溫度表、空盒氣壓計自動化的電子儀器GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>氣象元素的測定氣象元素的測定②水氣壓es的計算方法由相對濕度RH計算由干溫、濕溫和氣壓計算GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>氣象元素的測定對流層模型改正的誤差分析模型誤差模型本身的誤差氣象元素誤差量測誤差儀器誤差讀數(shù)誤差測站氣象元素的代表性誤差實際大氣狀態(tài)與大氣模型間的差異GPS測量定位的誤差源>對流層延遲>

對流層模型改正的誤差分析§4.7 多路徑誤差4.7多路徑誤差GPS測量定位的誤差源>多路徑誤差多路徑誤差與多路徑效應(yīng)多路徑（Multipath）誤差在GPS測量中，被測站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號（反射波）被接收機天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。GPS測量定位的誤差源>多路徑誤差>多路徑誤差與多路徑效應(yīng)反射波反射波的幾何特性GPS測量定位的誤差源>多路徑誤差>反射波多路徑誤差的特點與測站環(huán)境有關(guān)與反射體性質(zhì)有關(guān)與接收機結(jié)構(gòu)、性能有關(guān)GPS測量定位的誤差源>多路徑誤差>多路徑誤差的特點應(yīng)對多路徑誤差的方法①觀測上選擇合適的測站，避開易產(chǎn)生多路徑的環(huán)境GPS測量定位的誤差源>多路徑誤差>應(yīng)對多路徑誤差的方法易發(fā)生多路徑的環(huán)境應(yīng)對多路徑誤差的方法②硬件上采用抗多路徑誤差的儀器設(shè)備抗多路徑的天線：帶抑徑板或抑徑圈的天線，極化天線抗多路徑的接收機：窄相關(guān)技術(shù)MEDLL(MultipathE