GPS概论-第七章-GPS误差来源及其影响

1全球定位系统概论资源与环境学院林承达[e-mail]2第七章GPS误差来源及其影响7.1概述7.2钟误差7.3相对论效应7.4卫星星历误差7.5电离层延迟7.6对流层延迟7.7多路径误差7.8其他误差改正37.1GPS测量主要误差4•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GPS测量误差的来源5GPS测量误差的性质①•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6GPS测量误差的性质②•系统误差（偏差-Bias）–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7GPS测量误差的大小①•SPS（无SA）1-sigma误差，单位m误差来源偏差随机误差总误差星历数据2.10.02.1卫星钟2.00.72.1电离层4.00.54.0对流层0.50.50.7多路径1.01.01.4接收机观测0.50.20.5用户等效距离误差(UERE),rms5.11.45.3滤波后的UERE，rms5.10.45.11-sigma垂直误差–VDOP=2.512.81-sigma水平误差–HDOP=2.010.28GPS测量误差的大小②•SPS（有SA）1-sigma误差，单位m误差来源偏差随机误差总误差星历数据2.10.02.1卫星钟20.00.720.0电离层4.00.54.0对流层0.50.50.7多路径1.01.01.4接收机观测0.50.20.5用户等效距离误差(UERE),rms20.51.420.6滤波后的UERE，rms20.50.420.51-sigma垂直误差–VDOP=2.551.41-sigma水平误差–HDOP=2.041.19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改正后的观测值=原始观测值+模型改正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，将系统性偏差求定出来–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•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137.2钟误差•定义物理同步误差数学同步误差•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2210ocsocstttattaas卫星钟差14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157.3相对论效应16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变化•广义相对论–1915–将相对论与引力论进行了统一17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221222210[1()](1)2238742997924580.83510sssssssssssVffVVfffccfVffffcGPSVmscmsff若卫星在地心惯性坐标系中的运动速度为，则在地面频率为的钟若安置到卫星上，其频率将变为：即两者的频率差为考虑到卫星的平均运动速度和真空中的光速，则18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ffkmkmRsmrRfcfcWWffWWTsTs1022314222210284.526560637810986005.3)11(，则卫星的地心距近似取，近似取，若地面处的地心距其中为：将的差异与放在地面上时钟频率则同一台钟放在卫星上，为，地面测站处的重力位为若卫星所在处的重力位19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fffff102110449.4:为上时总的变化量钟频率相对于其在地面用下，卫星上义相对论效应的共同作在狭义相对论效应和广sff1令：20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：–第二步：MHzMHz52299999954.10)10449.41(23.1010，调低后的频率为到卫星上去的钟的频率在地面上调低将要搭载GDrococLrrTtttattaattttmscFtEAeFtttt221012110221)()()()(10442807633.42)(sin)(,应为正因而，实际卫星钟的改上改正数时，在卫星钟读数上加在时刻217.4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)20～30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227.4卫星星历（轨道）误差dbdsb•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237.4卫星星历（轨道）误差•起因：卫星在运动的过程中受到多种摄动力的复杂影响，通过地面监控，难以掌握它们的作用规律。尤其在相对定位中，随着基线长度的增加，此项误差成为影响定位精度的主要因素。•解决办法：忽略轨道误差。采用轨道改进法处理观测数据。（其中包括两种方法：短弧法和半短弧法）同步观测求值247.5电离层延迟电离层地球TEC柱体底面积为1m225电离层折射的影响•起因：和其他电磁信号一样，GPS信号通过电离层时，将受到一个介质弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变化。这种影响主要取决于电子总量和信号的频率。•解决办法：利用双频观测•利用电离层模型加以修正。•利用同步观测求值。26地球大气结构地球大气层的结构GPS信号在电离层中传播时，速度和传播路径都会发生变化。27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28相速与群速•GPS信号由载波、测距码和导航电文三部分所组成。•用户可以利用载波和测距码测定卫星到接收机的距离。•载波在电离层中以相速传播，测距码在电离层中以群速传播。29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phphfvvf假设有一电磁波在空间传播，其波长为，频率为该电磁波相位的速度，有=其中相位的速度又简称为相速。。“群速”表示，群速的传播可以用群波来说，其最终能量对于频率略微不同的一2ddfvgrddvvvphphgrphphgrphphdndnnnnfddf30电离层折射①3242342342223222232222;1...,,,...1221140.3(),phgrphgrphphphgreegrphgrphccvvnncccnfffccccnfcdndffcccnffffccNHzNnnvv其中等与电子密度、电子质量、电子所带电荷等有关系。近似地可取则：有：一般，可取近似值；因为电子密度恒为正值。故，或，即相位超前。31电离层折射②称为总电子含量，，，则令为成的距离延迟电离层折射对相位所造为成的距离延迟电离层折射对相位所造TECTECcfcTTECfTECcfcTTECfdsNTECdsNfdsfcdsdsfcdsdsndsNfdsfcdsdsfcdsdsnionogrphionogrionophphionopheegrionogrionogrephionophionoph;3.403.40;3.403.403.40)1(3.40)1(222222022022022032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–TotalElectronContent）：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柱体内所含的电子总数。电离层地球TEC柱体底面积为1m233电子密度与大气高度的关系34电子含量与地方时的关系35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36电子含量与地理位置的关系2002.5.151:00–23:002小时间隔全球TEC分布37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），建立模型（如内插）–效果：改正效果较好38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–InternationalReferenceIonosphere）–由国际无线电科学联盟（URSI–InternationalUnionofRadioScience）和空间研究委员会（COSPAR-CommitteeonSpaceResearch）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39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407.6对流层（Troposphere）延迟41对流层的影响•起因：对流层的折射引起的，在天顶方向可使电磁波路径差达到2.3m，当高度角为10度的时候，影响为20m.•解决办法：•定位精度要求不高时，可以简单忽略。•采用对流层模型加以改正。•引入描述对流层影响的附加待估参数。•观测量求差。42对流层延迟00(1)(1)1(1)[1(1)](1)(1)1(1(1))1Kkttttktttskkkcvnnrefracti