GNSS导航定位误差分析.pptx

GNSS导航定位误差分析授课教师：刘志强授课教师：刘志强单单 位：河海大学位：河海大学主要内容n（一）（一）GNSS定位主要误差源分类定位主要误差源分类 n（二）与卫星有关的误差（二）与卫星有关的误差n（三）与传播路径有关的误差（三）与传播路径有关的误差n（四）与测站有关的误差（四）与测站有关的误差n（五）其他误差（五）其他误差一 GNSS定位主要误差源分类 卫星轨道误差卫星轨道误差卫星钟差卫星钟差卫星相关电离层误差电离层误差对流层误差对流层误差多路径效应多路径效应传播路径相关接收机钟差接收机钟差天线相位中心偏差天线相位中心偏差测站相关相对论效应相对论效应潮汐效应潮汐效应其他测量噪声测量噪声二 与卫星有关的误差n2.1 卫星轨道误差卫星轨道误差n2.2 卫星钟差卫星钟差2.1 卫星轨道误差(I)伪距观测方程载波相位观测方程卫星轨道的确定给出的给出的卫星位置及运动速度卫星位置及运动速度广播星历广播星历精密星历精密星历卫星星历卫星星历实际的实际的卫星位置及运动速度卫星位置及运动速度卫星星历误差跟踪站、观跟踪站、观测值、定轨测值、定轨模型与软件模型与软件n广播星历广播星历 1）由）由GPS系统的地面控制部分所确定和提供，经系统的地面控制部分所确定和提供，经GPS卫卫星向全球用户星向全球用户公开播发公开播发的一种预报星历；的一种预报星历；2）用参考时刻）用参考时刻 的的卫星轨道根数及其变化率卫星轨道根数及其变化率来描述卫星来描述卫星轨道；轨道；3）通过）通过GPS导航电文以一组参数的形式发送给用户，一导航电文以一组参数的形式发送给用户，一般每般每2小时更新一次，一般小时更新一次，一般按照与观测时刻最近的按照与观测时刻最近的一组广一组广播星历数据来计算卫星位置；播星历数据来计算卫星位置；4）提供的卫星轨道）提供的卫星轨道精度较差精度较差，目前约为，目前约为 1 m。2.1 卫星轨道误差(II)brdc2090.07nn精密星历精密星历 1）主要由）主要由IGS（International GNSS Service）提供；）提供；2）以一定的时间间隔给出卫星在空间的三维坐标及其运动）以一定的时间间隔给出卫星在空间的三维坐标及其运动速度，由用户进行内插后求得观测时刻速度，由用户进行内插后求得观测时刻 卫星在空间的位卫星在空间的位置及运动速度；置及运动速度；2.1 卫星轨道误差(III)精密星历类型精度延迟更新间隔超快（预报）超快（预报）5 cm实时实时03,09,15,21 UTC15 min超快（观测）超快（观测）3 cm3 9 hours 03,09,15,21 UTC15 min快速快速 2.5cm17 41 hours17 UTC daily15 min最终最终 2.5cm12 18 daysevery Thursday15 minIGS精密星历产品update 07/10/2011 IGS International GNSS Serviceigs15063.sp3n卫星钟误差卫星钟误差 1）信号卫星离开卫星时，卫星钟相对于标准信号卫星离开卫星时，卫星钟相对于标准GPS时的钟时的钟差差 ；2）卫星上尽管采用的是高精度的原子钟（铯钟、铷钟），）卫星上尽管采用的是高精度的原子钟（铯钟、铷钟），但这些钟与但这些钟与GPS标准时之间仍会有偏差和漂移。随着时间标准时之间仍会有偏差和漂移。随着时间的推移，这些偏差和漂移还会发生变化；的推移，这些偏差和漂移还会发生变化；3）导航电文）导航电文:精度精度 5 ns，IGS最终精密钟差最终精密钟差:75 ps2.2 卫星钟差-偏差偏差-漂移漂移-漂移速度漂移速度随机项导航电文IGS精密钟差类型精度延迟更新间隔超快（预报）超快（预报）3 ns实时实时03,09,15,21 UTC15 min超快（观测）超快（观测）150 ps3 9 hours 03,09,15,21 UTC15 min快速快速 75 ps17 41 hours17 UTC daily15 min最终最终 75 ps12 18 daysevery Thursday15 minupdate 07/10/2011三 与传播路径有关的误差n3.1 电离层误差电离层误差n3.2 对流层误差对流层误差n3.3 多路径效应多路径效应n 电离层概述电离层概述1）电离层定义）电离层定义 高度在高度在601000km的大气层；的大气层；【在太阳紫外线、在太阳紫外线、X射线、射线、射线和高能粒子等的作用下，电离层中射线和高能粒子等的作用下，电离层中的中性气体分子被电离，产生大量的电子和正离子，从而形成了一个电的中性气体分子被电离，产生大量的电子和正离子，从而形成了一个电离区域。离区域。】2）对电磁波信号传播的影响）对电磁波信号传播的影响传播速度传播速度会发生变化会发生变化 【主要取决于电离层中的主要取决于电离层中的电子密度电子密度和和信号频率信号频率】传播路径传播路径会略微弯曲会略微弯曲 【对测距结果影响不大，一般情况下对测距结果影响不大，一般情况下可不予考虑可不予考虑】3.1 电离层误差(I)n电离层延迟特点电离层延迟特点3.1 电离层误差(II)1）电离层效应是）电离层效应是GPS测量中的重要误差源。电离层对测量中的重要误差源。电离层对GPS信号信号的延迟或提前，在一天内的变化可以从的延迟或提前，在一天内的变化可以从几米几米到到二十几米二十几米。2）由于）由于地磁场和太阳活动地磁场和太阳活动的复杂相互物理作用，通常很难对电的复杂相互物理作用，通常很难对电离层效应进行建模。离层效应进行建模。3）电离层是色散介质，即）电离层是色散介质，即电离层效应与信号频率有关电离层效应与信号频率有关。考虑到。考虑到电离层的该性质，电离层的该性质，GPS系统被设计成几种工作频率，因而可以对系统被设计成几种工作频率，因而可以对电离层效应测定或改正。电离层效应测定或改正。n 码延迟和相位提前码延迟和相位提前1）相速度和群速度）相速度和群速度 相速度-单一频率单一频率的电磁波在空中的传播速度的电磁波在空中的传播速度 【L1载波相位、载波相位、L2载波相位载波相位】群速度-调制信号的在空中的传播速度调制信号的在空中的传播速度 【GPS测距码测距码】2）非色散介质和色散介质）非色散介质和色散介质 如果电磁波在真空中传播，则相速度与群速度是相等的，且等如果电磁波在真空中传播，则相速度与群速度是相等的，且等于真空中的光速。此时，称为于真空中的光速。此时，称为非色散介质，否则就称为，否则就称为色散介质。3.1 电离层误差(III)3）信号延迟量的计算）信号延迟量的计算 电离层对相位和码伪距观测值的影响大小（近似）相等，符号相反。电离层对相位和码伪距观测值的影响大小（近似）相等，符号相反。为电子密度为电子密度(electrons/m3)且为正值，因此对码伪距的延迟量且为正值，因此对码伪距的延迟量 为正为正（延迟）、对相位观测值的延迟（延迟）、对相位观测值的延迟 为负（提前）。为负（提前）。3.1 电离层误差(III)（续）（续）测距码载波相位n 电离层延迟与总电子含量电离层延迟与总电子含量（TEC）1）TEC总电子含量总电子含量（Total Elctron Content）【表示沿信号传播路径表示沿信号传播路径1平方米截面的柱体所包含的自由电子总平方米截面的柱体所包含的自由电子总数。数。TEC的单位为的单位为(el/m2)。1TECU=11016 el/m2】【电离层延迟与传播路径上的总电子含量电离层延迟与传播路径上的总电子含量TEC成正比。成正比。】3.1 电离层误差(IV)n2）VTEC天顶方向总电子含量天顶方向总电子含量（Vertical TEC）【将天顶方向的将天顶方向的VTEC转化到信号传播路径上，可以通过所谓的转化到信号传播路径上，可以通过所谓的斜因子斜因子(Slant Factor)或映射函数（或映射函数（Mapping Function）实现。）实现。】3.1 电离层误差(IV)（续）（续）单电离层映射单电离层映射几何映射几何映射椭球映射椭球映射n电离层改正模型电离层改正模型3.1 电离层误差(V)本特（本特（Bent）模型）模型国际参考电离层（国际参考电离层（IRI）模型）模型Klobuchar 模型模型GIM 模型模型双频改正模型双频改正模型1）Klobuchar 模型模型 GPS导航电文中包含导航电文中包含预报电离层模型的参数（预报电离层模型的参数（Klobuchar）。）。输入参数分别为输入参数分别为8个模型系数个模型系数 、，GPS天线的天线的大地纬大地纬度度 和和大地经度大地经度 ，GPS观测时间观测时间 ，以及观测卫星的，以及观测卫星的方位角方位角 和和高高度角度角 。可将电离层延迟影响可将电离层延迟影响改正改正60%，为，为GPS单频用户所广泛采用。单频用户所广泛采用。3.1 电离层误差(V)（续）（续）brdc1190.11n2）GIM模型模型（Global Ionosphere Maps）每天的每天的IONEX文件提供文件提供13个个电离层图，从电离层图，从0h UT开始到开始到24h UT结结束。可以提供空间上（经纬度）束。可以提供空间上（经纬度）、时间上、时间上2h分辨率的电离分辨率的电离层层TEC，以及，以及GPS卫星和接收机的硬件卫星和接收机的硬件DCB值。值。最终最终GIM产品的时间延迟约为产品的时间延迟约为11天天，并且以，并且以IONEX格式存储，格式存储，可从各可从各IGS数据中心下载。数据中心下载。快速快速GIM产品，其时延小于产品，其时延小于24小时小时。该产品具有与最终。该产品具有与最终GIM产产品相同的分辨率品相同的分辨率，其，其精度与最终精度与最终GIM相比大约相比大约差差510%，二者，二者之间差值的之间差值的RMS值仅为值仅为0.11 TECU。可将电离层延迟影响改正可将电离层延迟影响改正80%。3.1 电离层误差(V)（续）（续）igsg3250.08i3.1电离层误差(V)（续）（续）通过对通过对周围格点周围格点的数据进行的数据进行插值插值计算计算电离层穿刺点的电离层穿刺点的VTEC，一般采用双线性插值计算得到。，一般采用双线性插值计算得到。再对再对VTEC值进行值进行时间插值时间插值，一般采用线性或三次插值。，一般采用线性或三次插值。通过通过映射函数映射函数由由VTEC值计算得到值计算得到STEC（Slant TEC）。）。如何利用如何利用GIM计算计算STEC3）无电离层双频改正模型）无电离层双频改正模型（ionosphere-free）3.1 电离层误差(V)（续）（续）n 对流层概述对流层概述1）对流层定义）对流层定义 高度在高度在50km以下以下未被电离的中性大气层；未被电离的中性大气层；2）对流层延迟特点）对流层延迟特点 与电离层不同，对频率与电离层不同，对频率30 GHz以下的电磁波信号，对流层基本上时以下的电磁波信号，对流层基本上时非非色散介质色散介质，即信号折射与信号频率无关。，即信号折射与信号频率无关。无法用双频改正的方法来消除对流层延迟，只能通过求出信号传播路无法用双频改正的方法来消除对流层延迟，只能通过求出信号传播路径上各处的径上各处的大气折射系数大气折射系数，然后进行积分来计算对流层延迟改正。，然后进行积分来计算对流层延迟改正。在天顶方向上的延迟量约为在天顶方向上的延迟量约为2m，并且随着站星视线天顶距的增加而增，并且随着站星视线天顶距的增加而增大。对于卫星高度角仅有几度的卫星，大。对于卫星高度角仅有几度的卫星，GPS信号的电离层延迟可以达到信号的电离层延迟可以达到数数m。一般来讲，对流层延迟与一般来讲，对流层延迟与温度、气压、湿度温度、气压、湿度以及以及GPS天线的位置天线的位置有关。有关。3.2 对流层误差(I)n 对流层延迟与大气折射对流层延迟与大气折射1）折射指数与折射率）折射指数与折射率 折射指数折射指数 （refractive index）【信号传播实际路径的函数，该路径从接收机天线开始至有效对流层末端结束。信号传播实际路径的函数，该路径从接收机天线开始至有效对流层末端结束。】折射率折射率 （refractivity）【由于折射指数由于折射指数 在数值上非常接近在数值上非常接近1，因此可以引进一个量表示其与，因此可以引进一个量表示其与1的差异的差异 。该量为干大气压、水汽压和温度的函数。该量为干大气压、水汽压和温度的函数。3.2 对流层误差(II)2）干分量与湿分量）干分量与湿分量 对流层延迟通常分成两部分处理：对流层延迟通常分成两部分处理：一部分为遵循理想气体定律的一部分为遵循理想气体定律的干分量干分量 【在海平面位置，它所引起的天顶延迟约为在海平面位置，它所引起的天顶延迟约为2.4 m。静力延迟分量可以。静力延迟分量可以由在接收机天线处测定的气压由在接收机天线处测定的气压精确计算精确计算出来。出来。】另一部分为变化复杂的另一部分为变化复杂的湿分量湿分量。【它所引起的天顶延迟约为它所引起的天顶延迟约为0.4 m。由于水汽时空变化的复杂性，这使。由于水汽时空变化的复杂性，这使得得难以精确计算难以精确计算湿延迟分量。湿延迟分量。】3.2 对流层误差(II)（续）（续）n对流层改正模型对流层改正模型3.2 对流层误差(III)Saastamoinen模型模型Hopfield模型模型UNB3模型模型Black模型模型Niellis模型模型Yionoulis模型模型1）Saastamoinen模型模型3.2 对流层误差(III)（续）（续）-卫星天顶距卫星天顶距-测站高测站高-大气压大气压-测站温度测站温度-水汽压水汽压-改正项改正项 测站高测站高 的列表函数，可通过插值得到。的列表函数，可通过插值得到。-改正项改正项测站高测站高 和卫星天顶距和卫星天顶距 的列表函数，可通过插值得到。的列表函数，可通过插值得到。在模型中，可以使用气压、温度、湿度的在模型中，可以使用气压、温度、湿度的实测值，或者使用由，或者使用由标准大气模型得到的值，公式如下：得到的值，公式如下：3.2 对流层误差(III)（续）（续）-线性内插-双线性内插2）Hopfield模型模型3.2 对流层误差(III)（续）（续）3）其他模型）其他模型还有其他许多模型可以用于对流层延迟的计算，如还有其他许多模型可以用于对流层延迟的计算，如UNB3模型、模型、Black模型、模型、Niellis模型、模型、Yionoulis模型、模型、UNB3m等。等。当天顶距小于当天顶距小于 时，这些模型计算的对流层延迟值差异通常很小。时，这些模型计算的对流层延迟值差异通常很小。n映射函数映射函数3.2 对流层误差(IV)单电离层映射单电离层映射Niell映射函数映射函数 GMF映射映射Vienna映射映射n 多路径误差多路径误差 在在GPS测量中，经测站周围各种介质如地表、建筑物等测量中，经测站周围各种介质如地表、建筑物等一次或多次反射的卫星信号，如果进入接收机天线，将与，如果进入接收机天线，将与直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值，产生的误差称为产生干涉，从而使观测值偏离真值，产生的误差称为多路径误差。多路径误差。3.3 多路径效应(I)n 削弱多路径效应的方法削弱多路径效应的方法1）选择合适的站址）选择合适的站址 天线安置尽量避开强反射物（如水面、山坡、高层建筑物等）天线安置尽量避开强反射物（如水面、山坡、高层建筑物等）2）选择合适的）选择合适的GPS接收机及天线接收机及天线选用防多路径效应的天线（如扼流圈天线等）选用防多路径效应的天线（如扼流圈天线等）改进接收机的软、硬件（如改进接收机的软、硬件（如MET 60%、MEDLL 90%等等）3）适当延长观测时间）适当延长观测时间 可视为一种周期性误差，其周期一般为数分钟至数十分钟。可视为一种周期性误差，其周期一般为数分钟至数十分钟。3.3 多路径效应(II)四 与测站有关的误差n4.1 接收机钟差接收机钟差n4.2 天线相位中心偏差天线相位中心偏差n接收机钟差接收机钟差 1）信号到达接收机时，接收机钟信号到达接收机时，接收机钟相对于标准相对于标准GPS时时的钟差的钟差 ；2）GPS接收机一般内置高精度的接收机一般内置高精度的石英钟石英钟，其质量稳定性较原子，其质量稳定性较原子钟要差。石英钟不但钟差的数值大、变化快，且变化的规律性也钟要差。石英钟不但钟差的数值大、变化快，且变化的规律性也更差。更差。3）在）在单点定位单点定位时，可以将钟差作为时，可以将钟差作为未知参数未知参数在方程中求解；在在方程中求解；在载波相位载波相位相对定位相对定位中，可采用对中，可采用对观测值求差观测值求差的方法有效消除接的方法有效消除接收机钟差；在收机钟差；在高精度定位高精度定位中，可采用中，可采用外接频标外接频标（如铷、铯原子（如铷、铯原子钟），为接收机提供高精度的时间标准。钟），为接收机提供高精度的时间标准。4.1 接收机钟差 在在GPS测量中，伪距和载波相位观测值都是以接收机天线的测量中，伪距和载波相位观测值都是以接收机天线的相位相位中心中心为准的，而天线对中是以天线的为准的，而天线对中是以天线的几何中心几何中心为准的。为准的。理论上，接收机天线的相位中心应与其几何中心完全一致，但实理论上，接收机天线的相位中心应与其几何中心完全一致，但实际上天线的际上天线的瞬时相位中心瞬时相位中心随信号输入的强度和方位不同而有所变化随信号输入的强度和方位不同而有所变化，往往偏离天线的几何中心，这项误差称为往往偏离天线的几何中心，这项误差称为天线相位中心偏移误差天线相位中心偏移误差。4.2 天线相位中心偏差ANTEX:The Antenna Exchange Formatigs05.atxigs08.atx03/07/2011 4.3 天线相位中心偏差（续）（续）igs08.atx五 其他误差n5.1 相对论效应相对论效应n5.2 潮汐效应潮汐效应n 相对论效应相对论效应 根据相对论理论，由于卫星在地心惯性参照系的运动状态和根据相对论理论，由于卫星在地心惯性参照系的运动状态和高度，高度，卫星钟卫星钟将受到其将受到其运动速度运动速度以及以及引力位引力位的影响。的影响。1）调低卫星钟频率）调低卫星钟频率2）进行数学改正）进行数学改正5.1 相对论效应广义相对论狭义相对论GPS卫星轨道高度卫星轨道高度快快 45.9GPS卫星运行速度卫星运行速度慢慢 7.2 快快 38.710.22999999543 MHz10.23 MHz-卫星的瞬时位置向量卫星的瞬时位置向量-卫星的瞬时速度向量卫星的瞬时速度向量 -光速光速n 地球固体潮地球固体潮 地球沿轨道运动会引起日月引力的变化（潮汐），由此所地球沿轨道运动会引起日月引力的变化（潮汐），由此所形成的地球弹性形变，称为形成的地球弹性形变，称为地球固体潮地球固体潮。1）固体地球潮汐引起的测站周期性位移）固体地球潮汐引起的测站周期性位移与测站所处的纬度有关与测站所处的纬度有关，在高，在高程方向可达程方向可达30cm、在水平方向可达、在水平方向可达5cm。2）固体地球潮则能通过相对简单的地球模型）固体地球潮则能通过相对简单的地球模型精确计算精确计算出来。出来。IERS Conventions(McCarthy,2003)给出固体地球潮引起的测站位移改正表达式给出固体地球潮引起的测站位移改正表达式可精确至可精确至5mm。5.2 潮汐效应(I)n 海洋负荷潮海洋负荷潮 海洋负荷是指在海潮期间由于海水质量重新分布所引起的海洋负荷是指在海潮期间由于海水质量重新分布所引起的海床和海岸形变。在海水重量作用下，地壳会发生弹性形变，海床和海岸形变。在海水重量作用下，地壳会发生弹性形变，称为称为海洋负荷潮海洋负荷潮。1）可以用不同频率波的改正之和来表示。相应）可以用不同频率波的改正之和来表示。相应波的振幅和相位波的振幅和相位的大小，的大小，取决于计算点的位置。取决于计算点的位置。2）改正的计算取决于使用哪个）改正的计算取决于使用哪个海潮模型海潮模型，如，如GOT00.2、NAO.99b等。等。3）在一些特定的海岸区域，海潮负荷改正能达到）在一些特定的海岸区域，海潮负荷改正能达到10cm。海潮负荷。海潮负荷主要主要影响近海岸影响近海岸的的GPS测站。对于大多数内陆的测站而言，该项改正测站。对于大多数内陆的测站而言，该项改正一般小于一般小于1cm。4）一个测站在）一个测站在24小时内的海潮负荷改正的平均值一般较小。也就是说，小时内的海潮负荷改正的平均值一般较小。也就是说，海潮负荷改正可以通过海潮负荷改正可以通过全天取平均全天取平均进行消除。进行消除。5.2 潮汐效应(II)5.2 潮汐效应(II)（续）（续）谢谢！Thanks for your attention