《定位导航误差》PPT课件.ppt

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1、 哈尔滨工业大学通信技术研究所哈尔滨工业大学通信技术研究所韩帅韩帅卫星定位导航原理与应用卫星定位导航原理与应用12第六章第六章 定位导航误差定位导航误差内容提要内容提要6.1 6.1 卫星导航定位的精度、误差与偏差卫星导航定位的精度、误差与偏差6.2 6.2 卫星导航定位的误差卫星导航定位的误差6.3 GPS6.3 GPS卫星几何布局和精度因子卫星几何布局和精度因子3内容提要内容提要6.1 6.1 卫星导航定位的精度、误差与偏差卫星导航定位的精度、误差与偏差6.2 6.2 卫星导航定位的误差卫星导航定位的误差6.3 GPS6.3 GPS卫星几何布局和精度因子卫星几何布局和精度因子42022/1

2、0/2956.1 GPS卫星导航定位的误差卫星导航定位的误差简介简介GPS卫星导航定位误差卫星导航定位误差：(1)卫星误差卫星误差：信号自身误差及人为的信号自身误差及人为的SA误差；误差；(2)传播误差传播误差：信号从卫星传播到用户接收天线的传播误差；信号从卫星传播到用户接收天线的传播误差；(3)接收误差接收误差：信号接收机所产生的测量误信号接收机所产生的测量误差差。被动式测距原理被动式测距原理：测量测量来自来自GPS卫星的导航定位信号的传播时延，测卫星的导航定位信号的传播时延，测得得接收天线接收天线相位中心和卫星发射天线相位中心间的相位中心和卫星发射天线相位中心间的距离距离（站星距离），将它

3、和站星距离），将它和GPS卫星在轨位置联合解算卫星在轨位置联合解算出出用户用户的三维坐标。的三维坐标。精度精度(accuracy)表示表示一个量观测值与其真值接近或一致的程度，一个量观测值与其真值接近或一致的程度，常以误差常以误差(error)予以表述予以表述。GNSS系统系统精度精度为用为用GNSS信号所测定信号所测定的载体在航点位与载体实际点位之差的载体在航点位与载体实际点位之差。6.1.1 均方根差（均方根差（1/2）2022/10/296p置信椭圆置信椭圆置信置信椭圆的长短半轴，分别表示二维位置坐标分量的标准差（如经度的椭圆的长短半轴，分别表示二维位置坐标分量的标准差（如经度的和纬度的

4、和纬度的）。）。p一倍标准差一倍标准差（l）的概率值的概率值：68.3%；p二倍标准差（二倍标准差（2）的概率值）的概率值：95.5%；p三倍标准差三倍标准差（3）的概率值的概率值：99.796。均方根差的探测概率均方根差的探测概率：置信置信椭圆椭圆(confidence ellipse，二维定位，二维定位)；置信椭球置信椭球(confidence ellipsoid，三维定位），三维定位）；6.1.1 均方根差（均方根差（2/2）2022/10/297注意：注意：许多中外文献所述许多中外文献所述“精度精度”多为一倍标准差多为一倍标准差(l)，且用，且用“距离距离均方根差均方根差(DRMS)”

5、表示二维定位精度，即表示二维定位精度，即距离均方根差距离均方根差(DRMS)，也称，也称：圆径向误差圆径向误差(circular radial error)或或均方位置误差均方位置误差(MSPE，mean squared position error)注意：注意：也可也可采用采用“双倍距离均方根差双倍距离均方根差”(2DRMS，twice distance root mean square error)，即，即6.1.2 圆概率误差圆概率误差（1/2）2022/10/298在导航在导航领域领域，圆概率误差，圆概率误差(CEP，circular error probable)被被广泛应广泛应用用

6、。p 当概率为当概率为50%时，圆概率误差定义为时，圆概率误差定义为：p 当概率为当概率为95%时，则有时，则有：(CEP)95，也记，也记“R95，表示概率为，表示概率为95%的二维点位精度。的二维点位精度。p 当概率为当概率为99%时，则时，则有：有：6.1.2 圆概率误差圆概率误差（2/2）2022/10/299小结：小结：球概率误差球概率误差(SEP)是在以天线真实位置为球心的球内，偏离球心是在以天线真实位置为球心的球内，偏离球心概率为概率为50%的三维点位精度分布度量。的三维点位精度分布度量。（1）圆概率误差圆概率误差(CEP)是在以天线真实位置为圆心的圆内，偏离是在以天线真实位置为

7、圆心的圆内，偏离圆心概率为圆心概率为50%的二维点位离散分布度量。的二维点位离散分布度量。（2）95%概率的二维点位精度概率的二维点位精度(R95)，是在以天线真实位置为圆，是在以天线真实位置为圆心的圆内，偏离圆心概率为心的圆内，偏离圆心概率为95%的二维点位精度分布度量。的二维点位精度分布度量。（3）三维位置，以三维位置，以球概率误差球概率误差(SEP=spherical error probable)表示表示，且知，且知6.1.3 RMS与与CEP关系关系(1/2)2022/10/29106.1.3 RMS与与CEP关系关系(2/2)2022/10/2911GPS卫星定位误差卫星定位误差可

8、可互换计算互换计算。【例如例如】某某DGPS设备够获得设备够获得RMS(三维三维)=6m的定位精度，则其的定位精度，则其相相 应的圆概率误差应的圆概率误差(CEP)=RMS(三维三维（从表查得）。（从表查得）。6.1.4 偏差偏差(1/2)2022/10/2912在在GPS卫星导航定位测量中，不仅存在卫星导航定位测量中，不仅存在测量误差（测量误差（error），而，而且存在且存在偏差（偏差（bias）。例如例如：GPS卫星时钟导致两个不同而相关的概念：卫星时钟偏差卫星时钟导致两个不同而相关的概念：卫星时钟偏差和卫星时钟误差。和卫星时钟误差。星钟偏差星钟偏差：每一颗：每一颗GPS卫星时钟相对于卫

9、星时钟相对于GPS时间系统的差值，时间系统的差值，表示为表示为a0-相对于相对于GSP时系的时间偏差（钟差）；时系的时间偏差（钟差）；a1 -相对于实际频率的偏差系数（钟速）；相对于实际频率的偏差系数（钟速）；a2-卫星时钟的频率漂移系数（钟速变化率，即钟漂）；卫星时钟的频率漂移系数（钟速变化率，即钟漂）；toc-GPS卫星导航电文第一数据块的参考时元；卫星导航电文第一数据块的参考时元；t -GPS导航定位的观测时元。导航定位的观测时元。6.1.4 偏差偏差(2/2)2022/10/2913GPS数据处理时，依据数据处理时，依据GPS卫星导航电文第一数据块提供的时卫星导航电文第一数据块提供的时

10、钟多项式的钟多项式的A系数，按上列公式计算出系数，按上列公式计算出时钟偏差时钟偏差(对于对于Block II/IIA卫星为卫星为1ms左右，其相应距离为左右，其相应距离为300km)，以此将每颗卫星，以此将每颗卫星的时间的时间(ts)换算成统一的换算成统一的GPS时间。时间。GPS卫星导航电文提供计算时钟偏差的卫星导航电文提供计算时钟偏差的A系数，不能真实地代系数，不能真实地代表表GPS导航导航定位测量时的时钟多项式系数定位测量时的时钟多项式系数（1ns时间误差相应于时间误差相应于30cm距离误差）；距离误差）；星钟误差是星钟误差是A系数代表性误差的综合影响系数代表性误差的综合影响。注意：注意

11、：电离层对流层效应对电离层对流层效应对GPS卫星测量的影响，也存在着卫星测量的影响，也存在着“偏差偏差”和和“误差误差”两个不同而相关的概念。两个不同而相关的概念。“偏差偏差”为电离层对流层效应导致的附加时延改正（几米至为电离层对流层效应导致的附加时延改正（几米至100余米，视余米，视GPS卫星高度角大小而定）；卫星高度角大小而定）；“误差误差”是附加时延改正的非真实性和非实径性而引起的。是附加时延改正的非真实性和非实径性而引起的。6.1.5 GPS定位的精度定位的精度(1/2)2022/10/2914 GPS导航定位精度，用伪噪声码测量时分为：导航定位精度，用伪噪声码测量时分为：标准定位服务

12、标准定位服务(SPS)精度（民用精度）；精度（民用精度）；精密定位服务精密定位服务(PPS)精度（军用精度）；精度（军用精度）；6.1.5 GPS定位的精度定位的精度(2/2)2022/10/2915注意注意：随着随着GPS导航定位测量模式不同，精度也随之变化。导航定位测量模式不同，精度也随之变化。内容提要内容提要6.1 6.1 卫星导航定位的精度、误差与偏差卫星导航定位的精度、误差与偏差6.2 6.2 卫星导航定位的误差卫星导航定位的误差6.3 GPS6.3 GPS卫星几何布局和精度因子卫星几何布局和精度因子16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

13、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的偏移和变化接收机天线相位中心的偏移和变化接收机钟差接收机钟差接收机内部噪声接收机内部噪声GPS测量误差的来源测量误差的来源GPS测量误差的性质测量误差的性质偶然误差偶然误差内容内容卫星信号发生部分的随机噪声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其它外部某些具有随机特征的影响特点特点随机随机量级小量级小 毫米级毫米级GPS测量误差的性质测量误差的

14、性质系统误差（偏差系统误差（偏差-Bias）内容内容其它具有某种系统性特征的误差其它具有某种系统性特征的误差特点特点具有某种系统性特征具有某种系统性特征量级大量级大 最大可达数百米最大可达数百米GPS测量误差的大小测量误差的大小SPS（无（无SA）消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法模型改正法模型改正法原理：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解，能建立理论或经验公式所针对的误差源所针对

15、的误差源相对论效应相对论效应电离层延迟电离层延迟对流层延迟对流层延迟卫星钟差卫星钟差限制：有些误差难以模型化限制：有些误差难以模型化消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法求差法求差法原理：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适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。关性。所针对的误差源所针对的误差源电离层延迟电离层延迟对流层延迟对流层延迟卫星轨道误差卫星轨道误差限制：空间相关性将随着测

16、站间距离的增加而减弱限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱钟误差钟误差接收机钟差接收机钟差定义定义GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的想的GPS时之间存在的偏差和漂移。时之间存在的偏差和漂移。应对方法应对方法作为未知数处理作为未知数处理卫星钟差卫星钟差应对方法应对方法模型改正模型改正钟差改正多项式钟差改正多项式 其中其中a0为为ts时刻的时钟偏差，时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，为钟的漂移，a2为老化为老化率。率。相对定位或差分定位相对定位或差分定位相对论效应相对论效应狭义相对论效应狭义相对论效应广义相对论效应广义相对论效应狭义相对论和广义相对论

17、狭义相对论和广义相对论狭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运动将使时间、空间和物质的质量发生变化广义相对论广义相对论1915将相对论与引力论进行了统一将相对论与引力论进行了统一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结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢慢相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响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

18、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相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响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狭义相对论广义相对论解决相对论效应对卫星钟影响的方法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圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。道的情况。第一步：第一步：第二步：第二步：卫星星历误差卫星星历误差卫

19、星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差定义定义由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星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。的实际位置之差称为卫星星历误差。广播星历（预报星历）的精度广播星历（预报星历）的精度(无无SA)2030米米(有有SA)100米米精密星历（后处理星历）的精度精密星历（后处理星历）的精度可达可达1厘米厘米应对方法应对方法精密定轨精密定轨(后处理后处理)相对定位或差分定位相对定位或差分定位电离层延迟电离层延迟电离层延迟电离层延迟地球大气结构地球大气结构地球大气层的结构地球大气层的结构大气折射效应大气折射效应大气折射大气折射信号在穿过大气时，速度

20、将发生变化，传播路径也将发信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称生弯曲。也称大气延迟大气延迟。在。在GPS测量定位中，通常仅考测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。虑信号传播速度的变化。色散介质与非色散介质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色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同同非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同同对对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质介质电离层折射电离层折射(1/2)电离层折射电离层

21、折射(2/2)电子密度与总电子含量电子密度与总电子含量电子密度与总电子含量电子密度与总电子含量电子密度：单位体积中所电子密度：单位体积中所包含的电子数。包含的电子数。总电子含量（总电子含量（TEC Total Electron Content）：底）：底面积为一个单位面积时沿面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的离层的一个柱体内所含的电子总数。电子总数。常用电离层延迟改正方法分类常用电离层延迟改正方法分类双频改正双频改正方法：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离层延迟的

22、组合观测量效果：改正效果最好效果：改正效果最好经验模型改正经验模型改正方法：根据以往观测结果所建立的模型方法：根据以往观测结果所建立的模型改正效果：差改正效果：差实测模型改正实测模型改正方法：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）子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好效果：改正效果较好电离层延迟的双频改正电离层延迟的双频改正电子密度与大气高度的关系电子密度与大气高度的关系电子含量与地方时的关系电子含量与地方时的关系电子含量与太阳活动情况的关系电子含量与太阳活动情况的关系与太阳活动密切相关，太与太阳活动密切相

23、关，太阳活动剧烈时，电子含量阳活动剧烈时，电子含量增加增加太阳活动周期约为太阳活动周期约为11年年1700年年 1995年太阳黑子数年太阳黑子数电子含量与地理位置的关系电子含量与地理位置的关系2002.5.15 1:00 23:00 2小时间隔全球小时间隔全球TEC分布分布电离层改正的经验模型简介电离层改正的经验模型简介 Bent模型模型由美国的提出由美国的提出描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

24、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、的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等电离层温度、电离层的成分等以地点、时间、日期等为参数以地点、时间、日期等为参数电离层改正的经验模型简介电离层改正的经验模型简介Klobuchar模型模型由美国的提出由美国的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

25、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卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用用Klobuchar模型模型中心电离层中心电离层中心电离层中心电离层电离层地球约350km中心电离层电离层穿刺点 IP天顶方向ZKlobuchar模型模型模型算法模型算法电离层地球约 350km中心电离层电离层穿刺点IP天顶方向ZKlobuchar模型模型模型算法（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

26、的利用所得到的电离层延迟量建立局部或全球的的的TEC实测模型实测模型类型类型局部模型局部模型适用于局部区域适用于局部区域全球模型全球模型适用于全球区域适用于全球区域电离层延迟的实测模型改正电离层延迟的实测模型改正局部（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：局部地区的电离层延迟改正适用范围：局部地区的电离层延迟改正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对流层延

27、迟对流层延迟对流层延迟对流层延迟对流层（对流层（Troposphere）对流层的色散效应对流层的色散效应对流层的色散效应对流层的色散效应折射率与信号波长的关系折射率与信号波长的关系对流层对不同波长的波的折射效应对流层对不同波长的波的折射效应结论结论对于对于GPS卫星所发送的电磁波信号，卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应对流层不具有色散效应对流层延迟对流层延迟大气折射率大气折射率N与气象元素的关系与气象元素的关系大气折射率大气折射率N与温度、气压和湿度的关系与温度、气压和湿度的关系Smith和和Weintranb，1954对流层延迟与大气折射率对流层延迟与大气折射率N气象元素的测定气象

28、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、气压测定方法测定方法普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计自动化的电子仪器自动化的电子仪器多路径误差多路径误差3.7 多路径误差多路径误差多路径误差与多路径效应多路径误差与多路径效应多路径（多路径（Multipath）误差）误差在在GPS测量中，被测站附近的测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离产生干涉

29、，从而使观测值偏离真值产生所谓的真值产生所谓的“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由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效的干涉时延效应称为多路径效应。应。多路径误差的多路径误差的特点特点与测站环境有关与测站环境有关与反射体性质有关与反射体性质有关与接收机结构、性能有关与接收机结构、性能有关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，避开易产生多路径的环境选择合适的测站，避开易产生多路径的环境易发生多路径的环境易发生多路径的环境应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法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

30、仪器设备抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线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)等等抗多路径效应的天线抗多路径效应的天线地球自转改正地球自转改正(1/2)地球自转地球自转改正改正(2/2)天线相位中心偏差改正天线相位中心偏差改正卫星天线相位中心偏差改正卫星天线相位中心偏差改正接收机天线相位中心变化的改正接收机天线相位中心变化的改正GPS测量和定位时是以接收机天线的相位中心位测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准的，天线的相位

31、中心与其几何中心理论置为准的，天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。可是接收机天线接收到的上应保持一致。可是接收机天线接收到的GPS信信号是来自四面八方，随着号是来自四面八方，随着GPS信号方位和高度角信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。生变化。天线相位中心偏差改正天线相位中心偏差改正应对方法应对方法使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相对定位）对定位）模型改正模型改正内容提要内容提要6.1 6.1 卫星导航定位的精度、误差与偏差卫星导航定位的精度、误差与偏差6.2 6.2 卫星

32、导航定位的误差卫星导航定位的误差6.3 GPS6.3 GPS卫星几何布局和精度因子卫星几何布局和精度因子75相对几何布局对定位的影响相对几何布局对定位的影响76精度因子的定义精度因子的定义(1/2)77精度因子的定义精度因子的定义(2/2)7879消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法参数法参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来定出来适用情况：几乎适用于任何的情况适用情况：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限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法回避法回避法原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；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。殊的设备。所针对的误差源所针对的误差源电磁波干扰电磁波干扰多路径效应多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性