GPS概论-第七章-GPS误差来源及其影响ppt课件

全球定位系统概论全球定位系统概论资源与环境学院资源与环境学院林承达林承达 1全球定位系统概论资源与环境学院1第七章第七章 GPS误差来源及其影响误差来源及其影响7.1 概述概述7.2 钟误差钟误差7.3 相对论效应相对论效应7.4 卫星星历误差卫星星历误差7.5 电离层延迟电离层延迟7.6 对流层延迟对流层延迟7.7 多路径误差多路径误差7.8 其他误差改正其他误差改正2第七章 GPS误差来源及其影响7.1 概述27.1 GPS测量主要误差测量主要误差37.1 GPS测量主要误差3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4与卫星有关的误差GPS测量误差的来源4GPS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5GPS测量误差的性质偶然误差5GPS测量误差的性质测量误差的性质系统误差（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6GPS测量误差的性质系统误差（偏差-Bias）6GPS测量误差的大小测量误差的大小SPS（无（无SA）7GPS测量误差的大小SPS（无SA）7GPS测量误差的大小测量误差的大小SPS（有（有SA）8GPS测量误差的大小SPS（有SA）8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了解，能建立理论或经验公式所针对的误差源所针对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9消除或消弱各种误差影响的方法模型改正法9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、时间或其它类型的适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。相关性。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10消除或消弱各种误差影响的方法求差法10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11消除或消弱各种误差影响的方法参数法11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。特殊的设备。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12消除或消弱各种误差影响的方法回避法127.2 钟误差钟误差定义定义物理同步误差物理同步误差数学同步误差数学同步误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卫星钟差卫星钟差137.2 钟误差定义卫星钟差13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，接收机钟与接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的理想的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相对定位或差分定位相对定位或差分定位14接收机钟差定义147.3相对论效应相对论效应157.3相对论效应15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一16狭义相对论和广义相对论狭义相对论16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，卫星上钟的频率将结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢变慢17相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论17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，卫星上钟的频率将结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快变快18相对论效应对卫星钟的影响广义相对论18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令：令：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令：19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：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7.4卫星星历（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。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217.4卫星星历（轨道）误差定义广播星历（预报星历）的精度217.4卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差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取决于卫星到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接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星卫星与接收机构成的几何图形与接收机构成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227.4卫星星历（轨道）误差星历误差对单点定位的影响227.4卫星星历（轨道）误差卫星星历（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，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。此项误差成为影响定位精度的主要因素。解决办法：解决办法：忽略轨道误差。忽略轨道误差。采用轨道改进法处理观测数据。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）（其中包括两种方法：短弧法和半短弧法）同步观测求值同步观测求值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7.5 电离层延迟电离层延迟247.5 电离层延迟24电离层折射的影响电离层折射的影响起因：和其他电磁信号一样，起因：和其他电磁信号一样，GPS信号通信号通过电离层时，将受到一个介质弥散特性的过电离层时，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，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。影响主要取决于电子总量和信号的频率。解决办法：解决办法：利用双频观测利用双频观测 利用电离层模型加以修正。利用电离层模型加以修正。利用同步观测求值。利用同步观测求值。25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GPS信号在电离层中传播时，速度和传播路径都会发生变化。信号在电离层中传播时，速度和传播路径都会发生变化。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，速度将发生变化，传播路信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称径也将发生弯曲。也称大气延迟大气延迟。在。在GPS测量测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。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与非色散介质色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同效应也不同非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同射效应相同对对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质是非色散介质27大气折射效应大气折射27相速与群速相速与群速GPS信号由载波、测距码和导航电文三部信号由载波、测距码和导航电文三部分所组成。分所组成。用户可以利用载波和测距码测定卫星到接用户可以利用载波和测距码测定卫星到接收机的距离。收机的距离。载波在电离层中以载波在电离层中以相速相速传播，测距码在电传播，测距码在电离层中以离层中以群速群速传播。传播。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。2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29相速与群速相速29电离层折射电离层折射30电离层折射30电离层折射电离层折射31电离层折射31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）：底面积为一）：底面积为一个单位面积时沿信号传播个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。个柱体内所含的电子总数。32电子密度与总电子含量电子密度与总电子含量32电子密度与大气高度的关系电子密度与大气高度的关系33电子密度与大气高度的关系33电子含量与地方时的关系电子含量与地方时的关系34电子含量与地方时的关系34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36电子含量与地理位置的关系2002.5.15 1:00 2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无电离层延迟的组合观测量效果：改正效果最好效果：改正效果最好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）（或电子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好效果：改正效果较好37常用电离层延迟改正方法分类经验模型改正37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模型模型由美国的由美国的R.B.Bent提出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、电子温的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等度、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38电离层改正的经验模型简介Bent模型38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39电离层延迟的实测模型改正基本思想397.6对流层对流层（Troposphere）延迟延迟407.6对流层（Troposphere）延迟40对流层的影响对流层的影响起因：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磁波路径差达到2.3m，当高度角为，当高度角为10度的时候，度的时候，影响为影响为20m.解决办法：解决办法：定位精度要求不高时，可以简单忽略。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。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。引入描述对流层影响的附加待估参数。观测量求差。观测量求差。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对流层延迟对流层延迟42对流层延迟42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，对流层不具有色卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应散效应43对流层的色散效应对流层的色散效应43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导出折射率与高度的关系导出折射率与高度的关系沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟迟44霍普菲尔德（Hopfield）改正模型出发点44流层改正模型综述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30 以上方向的以上方向的延迟差异不大延迟差异不大Black模型可以看作是模型可以看作是Hopfield模型的修正模型的修正形式形式Saastamoinen模型与模型与Hopfield模型的差异模型的差异要大于要大于Black模型与模型与Hopfield模型的差异模型的差异45流层改正模型综述不同模型所算出的高度角30以上方向的延迟差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46气象元素的测定气象元素46对流层模型改正的误差分析对流层模型改正的误差分析模型误差模型误差模型本身的误差模型本身的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47对流层模型改正的误差分析模型误差47减弱对流层折射改正项残差影响的主减弱对流层折射改正项残差影响的主要措施要措施尽可能充分掌握观测站周围地区的实时气尽可能充分掌握观测站周围地区的实时气象资料象资料利用水汽辐射计利用水汽辐射计利用相对定位的差分法来减弱对流层大气利用相对定位的差分法来减弱对流层大气折射的影响折射的影响完善对流层大气折射改正模型完善对流层大气折射改正模型48减弱对流层折射改正项残差影响的主要措施尽可能充分掌握观测站周7.7 多路径误差多路径误差497.7 多路径误差49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，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。50多路径误差与多路径效应多路径（Multipath）误差50反射波反射波反射波的几何特性反射波的几何特性反射波的物理特性反射波的物理特性反射系数反射系数a极化特性极化特性GPS信号为右旋极化信号为右旋极化反射信号为左旋极化反射信号为左旋极化51反射波反射波的几何特性51多路径误差多路径误差52多路径误差52多路径误差的多路径误差的特点特点起因：地面反射物引起的叠加信号。起因：地面反射物引起的叠加信号。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53多路径误差的特点起因：地面反射物引起的叠加信号。53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54应对多路径误差的方法观测上易发生多路径的环境54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55应对多路径误差的方法硬件上抗多路径效应的天线55应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法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56应对多路径误差的方法数据处理上563.8 其他误差改正其他误差改正引力延迟引力延迟地球自转改正地球自转改正地球潮汐改正地球潮汐改正接收机的位置误差接收机的位置误差天线相位中心偏差天线相位中心偏差573.8 其他误差改正引力延迟57地球自转改正地球自转改正58地球自转改正58与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差接收机钟差接收机钟差天线相位中心的偏差与变化天线相位中心的偏差与变化天线的几何中心、平均相位中心天线的几何中心、平均相位中心天线相位中心的偏差天线相位中心的偏差天线相位中心的变化天线相位中心的变化应对方法应对方法天线定向（相对定位）天线定向（相对定位）模型改正模型改正接收机通道间的延迟误差接收机通道间的延迟误差59与接收设备有关的误差接收机钟差59接收机的位置误差接收机的位置误差定义定义接收机天线的相位中心相对测站标石中接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。心位置的偏差。应对方法应对方法正确的对中整平正确的对中整平采用强制对中装置（变形监测时）采用强制对中装置（变形监测时）60接收机的位置误差定义60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，天线的相位中心与其几何中心理位置为准的，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论上应保持一致。可是接收机天线接收到的GPS信号是来自四面八方，随着信号是来自四面八方，随着GPS信号方位信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。置也在发生变化。61天线相位中心偏差改正卫星天线相位中心偏差改正61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62天线相位中心偏差改正应对方法62