GPS测量的误差源及其影响.ppt

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1、G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信GPS原理及其应用05地信王宇明王宇明G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信6.1 GPS测量主要误差分类测量主要误差分类误差分类误差分类按性质分按性质分系统误差（偏差系统误差（偏差-Bias）卫星轨道误差卫星轨道误差卫星钟差卫星钟差接收机钟差接收机钟差大气折射误差大气折射误差偶然误差偶然误差多路径效应误差多路径效应误差观测误差观测误差六、六、GPSGPS测量的误差源及其影响测量的误差源及其影响G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环

2、环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信误差分类（续）误差分类（续）按来源分按来源分与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星轨道误差卫星钟差卫星钟差相对论效应相对论效应与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差电离层延迟电离层延迟对流层延迟对流层延迟多路径效应多路径效应与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差接收机天线相位中心接收机天线相位中心的偏差和变化的偏差和变化接收机钟差接收机钟差接收机噪声接收机噪声G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信7.2 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差电离层折射电离层折射地球的大气地球的大气

3、由太阳幅射造成气体电离形成电离层。电磁波信号经过电离层速度发生变化。G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信相速与群速相速与群速相速相速群速群速相速与群速的关系相速与群速的关系相折射率与群折射率的关系相折射率与群折射率的关系电离层属弥散介质，电磁波在其中传播，其速度与频率有关G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信电离层折射电离层折射码相位在电离层被延迟（群速）载波相位在电离层超前（相速）G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信电离层

4、折射（续）电离层折射（续）G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信C/AC/A码是方波是方波 电离层改正的大小电离层改正的大小主要取决于主要取决于电子总电子总量和信号频率量和信号频率其速度与频率有关其速度与频率有关 电离层对电离层对C/A码影响码影响在电离层中以群速在电离层中以群速V Vg g传播传播 G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信电离层对载波影响电离层对载波影响载波是正弦波载波是正弦波在电离层中以相速度传播在电离层中以相速度传播电离层影响与太阳黑子活动有关电离层影响与太阳黑子

5、活动有关与卫星到接收机方向有关，天顶方向最大与卫星到接收机方向有关，天顶方向最大50m延迟高延迟高度角度角20时时150m延迟延迟G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信影响电子密度和总电子含量的因素影响电子密度和总电子含量的因素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。电子密度：单位体积中所包含的电子数。总电子含量（总电子含量（TEC Total Electron Content）：）：底面积为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

6、所含的电子总数体内所含的电子总数G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信高度高度与电子密度的关系与电子密度的关系G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信地方时地方时与电子含量的关系与电子含量的关系G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信太阳活动情况太阳活动情况与与电子含量的关系电子含量的关系与太阳活动密切与太阳活动密切相关相关太阳活动剧烈时，太阳活动剧烈时，电子含量增加电子含量增加太阳的活动周期太阳的活动周期约为约为1111年年G G

7、P PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信2002.5.15 1:00 23:00 2小时间隔全球小时间隔全球TEC分布分布地理位置地理位置与电子含量的关系与电子含量的关系G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信电离层延迟的改正方法电离层延迟的改正方法概述概述经验模型改正经验模型改正双频改正双频改正实测模型改正实测模型改正G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信电离层改正的经验模型电离层改正的经验模型Bent模型模型由美国的由美国的提出提出描

8、述电子密度描述电子密度是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数国际参考电离层模型（国际参考电离层模型（IRI International Reference Ionosphere）由国际无线电科学联盟（由国际无线电科学联盟（URSI International Union of Radio Science）和空间研究委员会（和空间研究委员会（COSPAR-Committee on Space Research）提出提出描述高度为描述高度为50km-2000km的区间内电子密度、电子温度、电的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等离层温度、电

9、离层的成分等以地点、时间、日期等为参数以地点、时间、日期等为参数Klobuchar模型模型特点特点由美国的由美国的J.A.Klobuchar提出提出描述电离层的时延描述电离层的时延广泛地用于广泛地用于GPS导航定位中导航定位中GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信Klobuchar模型（续）模型（续）中心电离层中心电离层中心电离层示意中心电离层示意G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信Klobuch

10、ar模型（续）模型（续）模型算法模型算法G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信Klobuchar模型（续）模型（续）模型算法（续）模型算法（续）改正效果：可改正改正效果：可改正60左右左右G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信电离层延迟的双频改正电离层延迟的双频改正G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信电离层延迟的实测模型改正电离层延迟的实测模型改正基本思想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基准站的双频观测数据计

11、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实测模实测模型型局部（区域性）的实测模型改正局部（区域性）的实测模型改正方法方法适用范围：用于局部地区的电离层延迟改正适用范围：用于局部地区的电离层延迟改正G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信电离层延迟的实测模型改正电离层延迟的实测模型改正全球（大范围）的实测模型改正全球（大范围）的实测模型改正方法方法适用范围：用于大范围和全球的电离层延迟改正适用范围：用于大范围和全球的电离层延迟改正格网化的电离层延迟改正模型格网化的电离层延迟改正模型

12、G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信6.2 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差对流层折射对流层折射地球的大气地球的大气G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信对流层延迟和对流层延迟改正对流层延迟和对流层延迟改正定义定义G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信对流层延迟和对流层延迟改正（续）对流层延迟和对流层延迟改正（续）大气折射率大气折射率N与气象元素（温度、气压和湿度）的关系与气象元素（温度、气压和湿度）的关系Smith和

13、和Weintranb，1954对流层延迟与大气折射率对流层延迟与大气折射率NG GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型改正模型出发点出发点G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型（续）改正模型（续）对流层折射模型对流层折射模型投影函数的修正投影函数的修正G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoine

14、n）改正模型改正模型原始模型原始模型拟合后的公式拟合后的公式G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信勃兰克（勃兰克（BlackBlack）改正模型改正模型G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信对流层改正模型综述对流层改正模型综述不同模型所算出的高度角不同模型所算出的高度角3030 以上方向的以上方向的延迟差异不大延迟差异不大BlackBlack模型可以看作是模型可以看作是HopfieldHopfield模型的修模型的修正形式正形式SaastamoinenSaastamoinen模型与模

15、型与HopfieldHopfield模型的差异模型的差异要大于要大于BlackBlack模型与模型与HopfieldHopfield模型的差异模型的差异G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信气象元素的测定气象元素的测定气象元素气象元素干温、湿温、气压干温、湿温、气压干温、相对湿度、气压干温、相对湿度、气压水气压水气压es的计算方法的计算方法由相对湿度由相对湿度RH计算计算由干温、湿温和气压计算由干温、湿温和气压计算G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信G GP PS S原原理理与与应

16、应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信误差分析误差分析模型误差模型误差气象元素误差气象元素误差量测误差量测误差仪器误差仪器误差读数误差读数误差测站气象元素的代表性误差测站气象元素的代表性误差实际大气状态与大气模型间的差异实际大气状态与大气模型间的差异G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信6.2 与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差多路径误差多路径误差多路径（多路径（MultipathMultipath）误差误差在在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收

17、机天线所接收，与直接信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差多路径误差”。多路径效应多路径效应由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为称为多路径效应多路径效应。G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法观测上观测上选择合适的测站选

18、择合适的测站硬件上硬件上采用抗多路径误差的仪器设备采用抗多路径误差的仪器设备抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线极化天线抗多路径的接收机：窄相关技术抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等等数据处理上数据处理上加权加权参数法参数法滤波法滤波法信号分析法信号分析法G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信6.3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星星历误差卫星星历误差定义定义由星历所给出的卫星在空间的位置与卫由星历所给

19、出的卫星在空间的位置与卫星实际位置之差称为星实际位置之差称为卫星星历误差卫星星历误差。在。在GPS定位导航应用中，卫星星历误差特定位导航应用中，卫星星历误差特指指GPS卫星的星历误差卫星的星历误差星历数据来源星历数据来源广播星历（预报星历）：每小时更新一次广播星历（预报星历）：每小时更新一次（导航电文第（导航电文第1、2、3子桢更新时间）子桢更新时间）精密星历（实测星历）：测后精密星历（实测星历）：测后12星期可得到星期可得到G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信星历误差对单点定位的影响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

20、取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决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的定位或导航的GPSGPS卫星与接收机构成卫星与接收机构成的几何图形的几何图形星历误差对相对定位的影响星历误差对相对定位的影响由星历误差引起的基线误差星历误差基线长星站距离G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信解决星历误差的方法解决星历误差的方法建立卫星跟踪网独立定轨建立卫星跟踪网独立定轨轨道松弛法：轨道松弛法：平差模型中星历轨道作初始值，改正平差模型中星历轨道作初始值，改正数为未知数，平差同时求得测站位置和轨道的改正数数为未知数，平差同

21、时求得测站位置和轨道的改正数。常常采用：采用：半短弧法：半短弧法：将轨道的径向、切向和法向将轨道的径向、切向和法向3个改正数个改正数作为未知数作为未知数短弧法：短弧法：6个轨道偏差改正数作未知数个轨道偏差改正数作未知数。同步观测求差：同步观测求差：不同测站间同步观测求差不同测站间同步观测求差G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信6.6.3 3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星钟误差卫星钟误差卫星钟误差包括钟差、频偏、频飘和钟的随机误差由卫星的导航电文提供：卫星钟偏差 参考历元 卫星钟差 卫星钟的钟速（或频率偏差）卫星钟的钟速变化率 卫

22、星钟误差经改正后还存在较大残余误差，这部分残余误差可以采用接收机间求差的方法予以消除G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信6.6.3 3 与卫星有关的误差与卫星有关的误差相对论效应相对论效应狭义相对论和广义相对论狭义相对论和广义相对论狭义相对论狭义相对论相对运动频移相对运动频移广义相对论广义相对论引力频移引力频移G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信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狭义相对论原理：时间膨胀。钟的频率与其运动速度有关。原理：时间膨胀。钟的频率与

23、其运动速度有关。对对GPS卫星钟的影响：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结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信相对论效应对卫星钟的影响（续）相对论效应对卫星钟的影响（续）广义相对论广义相对论原理：钟的频率与其所处的重力位有关原理：钟的频率与其所处的重力位有关对对GPS卫星钟的影响：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结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学

24、学学院院王王宇宇明明05地信相对论效应对卫星钟的影响（续）相对论效应对卫星钟的影响（续）狭义相对论广义相对论狭义相对论广义相对论G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信解决相对论效应影响的方法解决相对论效应影响的方法方法（分两步）：首先考虑假定卫星轨道为圆轨道的情况；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。然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。第一步：第一步：第二步：第二步：G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信6.6.4 4 与接收机有关的误

25、差与接收机有关的误差主要有：主要有：接收机钟误差接收机钟误差接收机位置误差接收机位置误差天线相位中心偏差天线相位中心偏差几何图形强度误差几何图形强度误差G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信接收机钟误差接收机钟误差定义：接收机钟的误差导致定位导航的误差定义：接收机钟的误差导致定位导航的误差减弱方法减弱方法将将接收机钟差接收机钟差当作独立未知参数，在数据处理中当作独立未知参数，在数据处理中与接收机位置同时求解与接收机位置同时求解认为各时刻接收机钟差相关，将接收机钟差表示认为各时刻接收机钟差相关，将接收机钟差表示为为时间多项式时间多项式通过在

26、通过在卫星间求卫星间求差予以消除差予以消除G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信HHHHhR接收机位置误差接收机位置误差定义：接收机天线相位中心经天线高改正后与测点定义：接收机天线相位中心经天线高改正后与测点位置的偏差位置的偏差天线置平和对中误差，量取天线高误差天线置平和对中误差，量取天线高误差G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信L2的平均相位中心12L1的平均相位中心r1r2天线相位中心位置的偏差天线相位中心位置的偏差天线天线相位中心相位中心位置位置天线的平均相位中心与几何中心：

27、天线的平均相位中心与几何中心：理论上应一致理论上应一致天线平均相位中心的偏差天线平均相位中心的偏差：随信号输入的强度和方向而随信号输入的强度和方向而变化，与理论上的相位中心有差别变化，与理论上的相位中心有差别天线平均相位中心偏差的消除天线平均相位中心偏差的消除：归心改正、消去法归心改正、消去法G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信6.5 其他误差其他误差地球自转的影响地球自转的影响地球潮汐改正地球潮汐改正G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大

28、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6.6 小结小结消除或消弱各种误差影响的方法和措施消除或消弱各种误差影响的方法和措施 G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信消除或消弱各种误差影响的方法和措施消除或消弱各种误差影响的方法和措施求差法原理：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。所针对的误差源如对流层延迟对流层

29、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G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信消除或消弱各种误差影响的方法和措施消除或消弱各种误差影响的方法和措施参数法原理：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G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信消除或消弱各种误差影响的方法和措施消除或消弱各种误差影响的方法和措施回避法原理：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，

30、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G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信思考题思考题1 1：影响：影响TECTEC的因素有哪些？的因素有哪些？2 2：狭义相对论和广义相对论效应对卫星：狭义相对论和广义相对论效应对卫星钟分别产生怎样的影响？怎样解决？钟分别产生怎样的影响？怎样解决？3 3：应对多路径效应影响的方法有哪些：应对多路径效应影响的方法有哪些?G GP PS S原原理理与与应应用用城城市市与与环环境境科科学学学学院院王王宇宇明明05地信本章练习题 1在GPS测量定位中，其主要误差源是什么误差？系统误差主要包括哪几种？2GPS卫星星历误差的实质是什么？3广播星历与实测星历的优缺点？4星历误差对定位的影响有哪些？减弱星历误差影响的途径有几种？5相对论效应是怎样产生的？如何解决？6电离层折射及其影响有哪些？减弱电离层影响的有效措施有几种？7对流层折射及其影响有哪些？减弱对流层影响的有效措施有几种？8多路径效应是什么？怎样防止？9减弱接收机钟差比较有效的方法是什么？10接收机天线的相位中心与其几何中心的区别在哪里？