测量定位误差.pptx

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1、7.1 7.1 误差的分类误差的分类按性质分类按性质分类v 系统误差v 偶然误差v 其它误差第1页/共87页系统误差（影响）v系统误差（偏差-Bias）内容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 最大可达数百米第2页/共87页v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偶然误差（影响）偶然误差（影响）特点随机量级小 毫米级第3页/共87页偶然误差（观测噪声）-Noise一般优于波长/码元长度的1/100。C/A码伪距：0.3m 3mP(Y)码伪距：3cm 0.3m载波相位：0.2mm 2mm GPS定位中出现的各种误差，

2、按误差性质可分为系统误差（偏差）和偶然误差两大类。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性讲都比偶然误差要大得多，而且有规律可循，可以采取一定措施来加以消除，因而是本章的主要内容 第4页/共87页其它误差其它误差其它软件 模型误差GPS控制系统第5页/共87页按来源分类按来源分类v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v 与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应v与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏差和变化接收机钟差接收机内部噪声第6页/共87页各类误差对导航定位的影响各类误差对导航定位的影响单位：米单位：米第7页/共87页消除减弱上述系统误差的措施和方法消除

3、减弱上述系统误差的措施和方法建立误差改正模型求差法参数法回避法 上述各项误差对测距的影响可达数十米，有时甚至可超过百米，比观测噪声大几个数量级。因此必须加以消除和削弱。消除或削弱这些误差所造成的影响的方法主要有：第8页/共87页建立误差改正模型原理：采用模型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。如电离层延迟和对流层延迟改正模型等第9页/共87页 误差改正模型既可以是通过对误差特性、机制以及产生的原因进行研究分析、推导而建立起来的理论公式（如利用电离层折射的大小与信号频率有关这一特性（即所谓的“电离层色散效应”）而建立起来的双频电离层折射改正模

4、型基本上属于理论公式）。也可以是通过大量观测数据的分析、拟合而建立起来的经验公式。在多数情况下是同时采用两种方法建立的综合模型（各种对流层折射模型则大体上属于综合模型）第10页/共87页 由于改正模型本身的误差以及所获取的改正模型各参数的误差，仍会有一部分偏差残留在观测值中。这些残留的偏差通常仍比偶然误差要大得多。误差模型的精度好坏不等。有的误差改正模型效果较好，例如双频电离层折射改正模型的残余偏差约为总量的1%左右或更小；有的效果一般，如多数对流层折射改正公式的残余偏差约为总量的510%左右；有的改正模型则效果较差，如由广播星历所提供的单频电离层折射改正模型，残余误差高达3040%。第11页

5、/共87页原理：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。如对流层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差的影响等具有较强的空间相关性，就可以通过相距不远的不同地点的同步观测值相互求差，来消弱其影响求差法第12页/共87页 仔细分析误差对观测值或平差结果的影响，安排适当的观测纲要和数据处理方法（如同步观测，相对定位等），利用误差在观测值之间的相关性或在定位结果之间的相关性，通过求差来消除或削弱其影响的方法称为求差法。第13页/共87页 例如，当两站对同一卫星进行同步观测时，观测值中都包含了共同的卫星钟误差，将观

6、测值在接收机间求差即可消除此项误差。同样，一台接收机对多颗卫星进行同步观测时，将观测值在卫星间求差即可消除接收机钟误差的影响。又如，目前广播星历的误差可达数十米，这种误差属于起算数据的误差，并不影响观测值，不能通过观测值相减来消除。利用相距不太远的两个测站上的同步观测值进行相对定位时，由于两站至卫星的几何图形十分相似，因而星历误差对两站坐标的影响也很相似。利用这种相关性在求坐标差时就能把共同的坐标误差消除掉。其残余误差（即星历误差对相对定位的影响）一般可用下列经验公式估算：b=b*s/。当基准长度b=5km，测站至卫星的距离P=25000km时，即使卫星星历误差的绝对值较大(例如s=50m)，

7、但它对基线的影响b很小，只有1cm。第14页/共87页参数法参数法原理：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。如对于电磁波干扰、多 路径效应等的应对方法等。第15页/共87页7.2 7.2 与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差定义广播星历（预报星历）与精密星历（后处理星历）应对方法精密定轨轨道松驰相对定位卫星钟差定义应对方法钟差多项式-t=a0+a1(

8、t-t0)+a2(t-t0)2参数物理同步误差与数学同步误差第16页/共87页相对论效应相对论效应狭义相对论效应 与钟的运动速度有关，使星钟变慢广义相对论效应 与钟所处位置的重力位有关，使星钟变快应对方法 事先调整钟速，根据卫星轨道进行修正第17页/共87页卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差 什么是卫星星历（轨道）误差 由广播星历或其它轨道信息所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为星历误差。在一个观测时间段中（13小时）它主要呈现系统误差特性。第18页/共87页预报星历（广播星历）与实测星历（精密星历）预报星历（广播星历）与实测星历（精密星历）预报星历 由全球定位系统的地面控制部分提供

9、的经GPS卫星全球所有用户播发的广播星历是一种最典型的、使用最为广泛的预报星历。由于对作用在卫星上的各种摄动因素了解不够充分，因而预报会产生较大的误差。这种星历对实时应用的用户有着极其重要的作用，是导航和实时定位中必不可少的数据。在精密定位的事后处理中也得到广泛的应用。由广播星历提供的17个星历参数计算出来的卫星位置的精度约为2040m，有时可达80m左右。全球定位系统正式投入工作后，广播星历的精度提高到510m。但是只有特定的用户才能使用P码（Y码）和不经人工干预的原始广播星历，从这种“精密定位服务”（PPS）中获得精确的定位结果。向全球所有用户开放的标准定位服务（SPS）的精度被人为地大幅

10、度降低。有意识地降低调制在C/A码上的广播星历的精度就是其中的一个重要措施，非常时期可能变得根本不能用。第19页/共87页 目前，许多国家和组织都在建立自己的GPS卫星跟踪网开展独立的定轨工作。如由国际大地测量协会（IAG）第八委员会领导的国际GPS协作网（CIGNET），Aero Service的GPS跟踪网等。实测星历（精密星历）实测星历（精密星历）是根据实测资料进行事后处理而直接得出的星历，精度较高。这种星历用于进行精密定位的事后处理，对于提高精密定位精度，减少观测时间和作业费用等具有重要作用，还可以使数据处理较为简便。由于这种星历要在观测后一段时间（例如12个星期）才能得到，所以对导航

11、和实时定位无任何意义。第20页/共87页应对方法精密定轨轨道松驰相对定位 星历误差的大小主要取决于卫星跟踪系统的质量（如跟踪站的数量及空间分布；观测值的数量及精度，轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等）。此外和星历的预报间隔（实测星历的预报间隔可视为零）也有直接关系。由于美国政府的SA技术，星历误差中还引入了大量人为原因而造成的误差，它们主要也呈系统误差特性。卫星星历误差对相距不远的两个测站的定位结果产生的影响大体相同，各个卫星的星历误差一般看成是互相独立的。然而由于SA技术的实施，这一特性很可能破坏。第21页/共87页卫星钟差卫星钟差v什么是卫星钟差v物理同步误差与数学同步误差 卫

12、星上虽然使用了高精度的原子钟，但它们仍不可避免地存在着误差。这种误差既包含着系统性的误差（由钟差、频偏、频漂等产生的误差），也包含着随机误差。系统误差远比随机误差大，但前者可以通过模型加以改正，因而随机误差就成为衡量钟的重要标志。钟误差主要取决钟的质量。SA技术实施后，卫星钟误差中又引入了由于人为原因而造成的信号的随机抖动。两个测站对卫星进行同步观测时，卫星钟的误差对两站观测值的影响是相同的。各卫星钟的误差一般也被看成是互相独立的。第22页/共87页相对论效应相对论效应v 什么是相对论效应v 广义相对论效应与狭义相对论效应v 应对方法v 相对论效应对卫星钟的影响第23页/共87页狭义相对论和广

13、义相对论狭义相对论和广义相对论v 狭义相对论1905运动将使时间、空间和物质的质量发生变化v 广义相对论1915将相对论与引力论进行了统一第24页/共87页相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响(1/3)v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第25页/共87页相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响(2/3)v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第26页/共87页相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响

14、(3/3)v相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论广义相对论令：令：相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟和接收钟之间产生相对钟误差的现和重力位）不同而引起卫星钟和接收钟之间产生相对钟误差的现象。严格地说，将其归入与卫星有关的误差不完全准确。但由于象。严格地说，将其归入与卫星有关的误差不完全准确。但由于相对论效应主要取决于卫星的运动速度和重力位，并且是以卫星相对论效应主要取决于卫星的运动速度和重力位，并且是以卫星钟误差的形式出现的，因此将其归入此类误差。钟误差的形式出现的，因此将其归入此类误差。第27页/共

15、87页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v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：课本上为：课本上为：因为：因为：第二步：第28页/共87页与卫星有关的误差对伪距测量和载波相位测量所造成的影响相同。注意：注意：第29页/共87页7.3 7.3 与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差v 对流层延迟v 电离层延迟v 多路径效应第30页/共87页v 电离层延迟电离层延迟电离层电离层 自由电子自由电子与信号的频率有关与信号的频率有关 与信号频率的平方成反比（色与信号频率的平方成反比（色散效应）散效应）与信号传播途径上

16、的电子密度有关，而电子密度又与信号传播途径上的电子密度有关，而电子密度又与高度、时间、季节、地理位置、太阳活动等有关与高度、时间、季节、地理位置、太阳活动等有关电离层对载波和测距码的影响，大小相等，符号相电离层对载波和测距码的影响，大小相等，符号相反反应对方法应对方法模型改正模型改正 单层电离层模型单层电离层模型双频改正双频改正相对定位相对定位第31页/共87页v 多路径效应多路径效应多路径效应多路径效应应对方法应对方法 观测地点的选择、接收设备的观测地点的选择、接收设备的性能、长时间观测、数据处理方法性能、长时间观测、数据处理方法v 对流层延迟对流层对流层延迟的干分量与湿分量相对与GPS信号

17、，与信号的频率无关（非色散）应对方法相对定位模型改正 气象元素-干温、湿温、气压Hopefield模型、Saastamoinen模型等。第32页/共87页预备知识预备知识电磁波的传播特性v 基本特性第33页/共87页电磁波的传播特性（续）v传播速度与大气折射光速：折射率n与折射系（指）数N：相速与群速：第34页/共87页大气的结构v 电离层（50）70km以上带电粒子色（弥）散型介质v 对流层0km40km各种气体元素、水蒸气和尘埃等非色（弥）散型介质第35页/共87页对流层延迟对流层延迟 对流层是高度为40km以下的大气层，大气密度大，成分复杂，大气的状况随着地面的气候变化而变化。这就使得对

18、流层折射比电离层折射更为复杂。电磁波通过对流层时传播速度将发生变化，路径也将产生弯曲（只有在高度角很小时才能表现出来，一般不需考虑）。天顶方向的对流层延迟数约为2.3m。天顶距z=80时，对流层延迟将增加至约13m。目前采用的对流折射改正公式较多。霍普菲尔德（Hop field）公式被广泛采用。第36页/共87页v对流层延迟和对流层延迟改正定义第37页/共87页v对流层延迟和对流层延迟改正（续）对流层的色散效应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结论：对于GPS卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应第38页/共87页v对流层延迟和对流层延迟改正（续）大气折射率N与气象元素

19、（温度、气压和湿度）的关系Smith和Weintranb，1954对流层延迟与大气折射率N第39页/共87页v霍普菲尔德（Hopfield）改正模型出发点第40页/共87页投影函数的修正v霍普菲尔德（Hopfield）改正模型对流层折射模型第41页/共87页v萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型原始模型拟合后的公式第42页/共87页v勃兰克（Black）改正模型第43页/共87页v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 以上方向的延迟差异不大以上方向的延迟差异不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoi

20、nen模型与Hopfield模型的差异要大于Black模型与Hopfield模型的差异第44页/共87页v气象元素的测定气象元素干温、湿温、气压干温、相对湿度、气压水气压es的计算方法由相对湿度RH计算由干温、湿温和气压计算第45页/共87页第46页/共87页v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第47页/共87页结论：结论：卫星信号通过对流层时传播速度要发生变化，从而使测量结果产生系统误差。对流层折射的大小取决于外界条

21、件（气温、气压、温度等）。对流层折射对伪距测量和载波相位测量的影响相同。第48页/共87页电离层延迟电离层延迟地球大气层的结构地球大气层的结构地球大气层的结构第49页/共87页 电离层是高度位于50km至1000km之间的大气层。由于太阳的强烈辐射，电离层中的部分气体分子将被电离形成大量的自由电子和正离子。当电磁波信号穿过电离层时，信号的路径会产生弯曲（但对测距的影响很微小，一般可不顾及），传播速度会发生变化（其中自由电子起主要作用）。所以用信号的传播时间乘上真空中的光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离。对于GPS信号来讲，这种距离差在天顶方向最大可达50m（太阳黑子活动高峰年1

22、1月份的白天），在接近地平方向时（高度角为20时）则可达150m。第50页/共87页GPS信号在电离层中的传播特性信号在电离层中的传播特性v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第51页/共87页v电离层折射第52页/共87页v电离层折射（续）第53页/共87页v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：单位体积中所包含的电子数。总电子含量（TEC Total Electron Content）：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。第54页/共87页v 电子密度电子密度与高度有关与高度有关与地方时有关与地方时有关与

23、太阳活动有关与太阳活动有关与季节有关与季节有关与位置有关与位置有关第55页/共87页v大气高度与电子密度的关系第56页/共87页地方时与电子含量的关系第57页/共87页太阳活动情况与电子含量的关系与太阳活动密切相关太阳活动剧烈时，电子含量增加太阳的活动周期约为11年1700年年1995年太阳黑子数年太阳黑子数第58页/共87页地理位置与电子含量的关系小时间隔全球小时间隔全球TEC分布分布第59页/共87页v电离层延迟的改正方法概述经验模型改正双频改正实测模型改正第60页/共87页国际参考电离层模型（国际参考电离层模型（IRI IRI International Reference Intern

24、ational Reference IonosphereIonosphere）由国际无线电科学联盟（由国际无线电科学联盟（URSI URSI International Union of Radio International Union of Radio ScienceScience）和空间研究委员会（）和空间研究委员会（COSPAR-COSPAR-Committee on Space ResearchCommittee on Space Research）提出）提出描述高度为描述高度为50km-2000km50km-2000km的区间内电子密度、的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离

25、层的成分等电子温度、电离层温度、电离层的成分等以地点、时间、日期等为参数以地点、时间、日期等为参数v电离层改正的经验模型Bent模型由美国的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第61页/共87页Klobuchar模型特点由美国的提出描述电离层的时延广泛地用于GPS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第62页/共87页v Klobuchar模型（续）中心电离层中心电离层中心电离层第63页/共87页v Klobuchar模型（续）模型算法第64页/共87页vKlobuchar模型（续）模型算法改正效果：可改正60左右第65页/共87页电离层延迟的双频改正第6

26、6页/共87页电离层延迟的双频改正（续）第67页/共87页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实测模型局部（区域性）的实测模型改正方法适用范围：用于局部地区的电离层延迟改正第68页/共87页电离层延迟的实测模型改正全球（大范围）的实测模型改正方法适用范围：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第69页/共87页电磁波信号通过电离层时传播速度会产生变化，致使量测结果产生系统性的偏离，这种现象称为电离层折射。电离层折射的大小取决于外界条件（时间、太阳黑子数、地点等）和信号频率。在伪距测量和载波相位

27、测量中，电离层折射的大小相同，符号相反。结论：结论：第70页/共87页多路径效应多路径效应v多路径（Multipath）误差在GPS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，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。v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称为多路径效应。经某些物体表面反射后到达接收机经某些物体表面反射后到达接收机的信号，将和直接来自卫星的信号叠加的信号，将和直接来自卫星的信号叠加进入接收机，使测量值产生系统误差。进入接收机，使测量值产生系统误差。多路径误差对伪距测量的影响比载波相多路径误差对伪

28、距测量的影响比载波相位测量的影响严重。该项误差取决于测位测量的影响严重。该项误差取决于测站周围的环境和接收天线的性能。站周围的环境和接收天线的性能。第71页/共87页v 反射波反射波的几何特性反射波的物理特性反射系数a极化特性GPS信号为右旋极化反射信号为左旋极化第72页/共87页v多路径误差受多路径效应影响的情况下的接收信号第73页/共87页第74页/共87页多路径的数值特性受多个反射信号影响的情况第75页/共87页v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：选择合适的测站：避开易发生多路径的环境，如建构筑物、山坡、成片避开易发生多路径的环境，如建构筑物、山坡、成片

29、水域等。水域等。硬件上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，极化天线抗多路径的接收机：窄相关技术等数据处理上加权参数法滤波法信号分析法第76页/共87页载波相位测量中残留在观测值中的整周跳变（未被发现或错误地进行修复所造成的）以及整周未知数确定的不正确，都会使载波测量值中产生系统的偏差，它们通常也被归入与传播有关的误差中。注意：第77页/共87页7.4 7.4 与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差v 天线相位中心偏差和变化v 接收机钟差v 不同信号通道间的信号延迟偏差第78页/共87页接收机钟差接收机钟差什么是接收机钟差什么是接收机钟差接收机中一般使用精度较低的

30、石英钟，因而钟误差更为严重。该项误差的大小主要取决于钟的质量，和使用环境也有一定关系。它对伪距测量和载波相位测量的影响是相同的。同一台接收机对多颗卫星进行同步观测时，接收机钟差对各相应观测值的影响是相同的，且各接收机的钟差之间可视为相互独立。第79页/共87页v应对方法应对方法模型法模型法模型的有效性受限于接收机钟的稳定模型的有效性受限于接收机钟的稳定度度参数法参数法差分法差分法 星间差分星间差分第80页/共87页天线相位中心偏差和变化天线相位中心偏差和变化v天线相位中心偏差和变化天线相位中心偏差第81页/共87页主要随信号的高度角的变化而变化与信号的方位角关系角小天线相位中心的变化第82页/

31、共87页不同信号通道间的信号延迟偏差不同信号通道间的信号延迟偏差信号通道间的信号延迟偏差信号通道间的信号延迟偏差如果通道间的信号延迟偏差都相同时，可被钟差吸收。如果通道间的信号延迟偏差都不相同时，将影响定位精度，以及电离层折射影响的确定。应对方法应对方法参数法第83页/共87页7.5 7.5 其它误差（因素）其它误差（因素）v地球潮汐地球潮汐固体潮固体潮负荷潮负荷潮海洋负荷潮海洋负荷潮大气负荷潮大气负荷潮v软件软件第84页/共87页 地球并非是一个刚体，在太阳和月球的万有引力作用下，固体地球要产生周期性的弹性形变，这种现象称为固体潮。此外在日月引力的作用下，作用于地球上的负荷也将发生周期性的变动（如海潮），从而使地球产生周期性的形变，这种现象称为负荷潮汐。固体潮和负荷潮引起的测站位移可达80cm，从而使不同时间的测量结果互不一致，因而在高精度相对定位中必须考虑。地球潮汐地球潮汐第85页/共87页思考题思考题1、GPS测量主要误差有哪几类？2、如何减弱电离层、对流层的折射误差？3、什么叫多路径误差？如何减弱多路径误差？4、天线相位中心位置的偏差。5、求差法能消除哪些误差？第86页/共87页感谢您的观看。第87页/共87页