GPS误差来源及影响12分解.pptx

第第十讲十讲 GPS测量的误差测量的误差来源及其影响来源及其影响（一）（一）1.GPS测量主要误差测量主要误差分类分类2.与与信号传播信号传播有关的误差有关的误差误差误差与偏差与偏差偏差（偏差（bias）误差（误差（error）-偶然误差偶然误差偶然误差偶然误差 -系统误差系统误差系统误差系统误差 -随机误差随机误差随机误差随机误差例子例子1卫星时钟偏差卫星时钟偏差例子例子1卫星时钟偏差（续）卫星时钟偏差（续）ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2钟差：每颗钟差：每颗钟差：每颗钟差：每颗GPSGPS卫星的时钟相对于卫星的时钟相对于卫星的时钟相对于卫星的时钟相对于GPSGPS时时时时间系统的差值间系统的差值间系统的差值间系统的差值a a0 0 相对于相对于相对于相对于GPSGPS时系的时间偏差（钟差）时系的时间偏差（钟差）时系的时间偏差（钟差）时系的时间偏差（钟差）a a1 1 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）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）a a2 2 时钟的频率漂移系数（钟速变化率，即钟漂）时钟的频率漂移系数（钟速变化率，即钟漂）时钟的频率漂移系数（钟速变化率，即钟漂）时钟的频率漂移系数（钟速变化率，即钟漂）t tococ 导航电文第一数据块的参考时元导航电文第一数据块的参考时元导航电文第一数据块的参考时元导航电文第一数据块的参考时元t t 导航定位的观测时元导航定位的观测时元导航定位的观测时元导航定位的观测时元 例子例子2电离层电离层/对流层偏差：对流层偏差：电离层电离层电离层电离层/对流层效应导致的附加延时改正（其值为对流层效应导致的附加延时改正（其值为对流层效应导致的附加延时改正（其值为对流层效应导致的附加延时改正（其值为几米至几米至几米至几米至100100余米，视卫星高度角大小而定）余米，视卫星高度角大小而定）余米，视卫星高度角大小而定）余米，视卫星高度角大小而定）电离层电离层/对流层误差：对流层误差：附加延时改正的非真实性和非实径性而引起附加延时改正的非真实性和非实径性而引起附加延时改正的非真实性和非实径性而引起附加延时改正的非真实性和非实径性而引起1.GPS测量误差分类及测量误差分类及对距离测量的影响对距离测量的影响 系统误差（主要）：红色下划线系统误差（主要）：红色下划线系统误差（主要）：红色下划线系统误差（主要）：红色下划线 偶然误差：蓝色下划线偶然误差：蓝色下划线偶然误差：蓝色下划线偶然误差：蓝色下划线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 对流层折射对流层折射 多路径误差多路径误差电离层折射电离层折射电离层：电离层：-地球上空距地面高度地球上空距地面高度地球上空距地面高度地球上空距地面高度501000km501000km之间的大气层。之间的大气层。之间的大气层。之间的大气层。-电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子电离层折射电离层折射GPSGPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯信号通过电离层时，信号的路径会发生弯信号通过电离层时，信号的路径会发生弯信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度会发生变化曲，传播速度会发生变化曲，传播速度会发生变化曲，传播速度会发生变化电离层折射误差：电离层折射误差：电离层折射误差：电离层折射误差：GPSGPS信号的传播时间乘以真空中光速得到的信号的传播时间乘以真空中光速得到的信号的传播时间乘以真空中光速得到的信号的传播时间乘以真空中光速得到的距离与站星间的几何距离的偏差。距离与站星间的几何距离的偏差。距离与站星间的几何距离的偏差。距离与站星间的几何距离的偏差。S=Ct+dion站星之间的站星之间的站星之间的站星之间的真实距离真实距离真实距离真实距离信号传信号传信号传信号传播时间播时间播时间播时间电离层改正项电离层改正项电子密度：沿着信号传播路径电子密度：沿着信号传播路径电子密度：沿着信号传播路径电子密度：沿着信号传播路径S S 对电子对电子对电子对电子密度密度密度密度N Ne e 进行积分进行积分进行积分进行积分载波相位测量时的电离层折射改正和伪载波相位测量时的电离层折射改正和伪载波相位测量时的电离层折射改正和伪载波相位测量时的电离层折射改正和伪距测量时的改正数距测量时的改正数距测量时的改正数距测量时的改正数大小相同，符号相反大小相同，符号相反大小相同，符号相反大小相同，符号相反减弱电离层影响的措施减弱电离层影响的措施（1）利用双频观测）利用双频观测（2）利用电离层改正模型）利用电离层改正模型（3）利用同步观测求差）利用同步观测求差（1）利用双频观测）利用双频观测则电离层改正数：则电离层改正数：两个载波频率：两个载波频率：两个载波频率：两个载波频率：f f1 1=1575.42MHz,=1575.42MHz,f f2 2=1227.60MHz=1227.60MHz。将调制在两个载波上的。将调制在两个载波上的。将调制在两个载波上的。将调制在两个载波上的P P 码分码分码分码分别称为别称为别称为别称为P P1 1和和和和P P2 2，对应的，对应的，对应的，对应的伪距值伪距值伪距值伪距值分别为分别为分别为分别为P P1 1和和和和P P2 2 P P=P=P1 1-P-P2 2 =d dionion1 1(f f1 1/f f2 2)2 2-1-1=0.6469 =0.6469 d dionion1 1 （1）利用双频观测（续）利用双频观测（续）d dionion1 1 =1.54573=1.54573（P P1 1-P-P2 2 ）因此，因此，（1）利用双频观测（续）利用双频观测（续）只考虑电离层效应距离偏差改正时，只考虑电离层效应距离偏差改正时，GPS双频载波相位观测的真实站星距离：双频载波相位观测的真实站星距离：上式表明，载波相位观测成果的改正残差来源上式表明，载波相位观测成果的改正残差来源上式表明，载波相位观测成果的改正残差来源上式表明，载波相位观测成果的改正残差来源于整周模糊度解算的不确切性和载波相位观测于整周模糊度解算的不确切性和载波相位观测于整周模糊度解算的不确切性和载波相位观测于整周模糊度解算的不确切性和载波相位观测误差误差误差误差双频载波相位观测的电离层效应距离偏差改正双频载波相位观测的电离层效应距离偏差改正双频载波相位观测的电离层效应距离偏差改正双频载波相位观测的电离层效应距离偏差改正的与伪距法的与伪距法的与伪距法的与伪距法大小相等、符号的相反大小相等、符号的相反大小相等、符号的相反大小相等、符号的相反（1）利用双频观测（续）利用双频观测（续）（1）利用双频观测（续）利用双频观测（续）采用双频技术，可有效地减弱电离层折采用双频技术，可有效地减弱电离层折射的影响射的影响未顾及信号传播路径的弯曲和地磁场的未顾及信号传播路径的弯曲和地磁场的影响影响在电子含量很大，卫星高度角较小时，在电子含量很大，卫星高度角较小时，求得的电离层折射改正中的误差可能较求得的电离层折射改正中的误差可能较大（达几厘米）大（达几厘米）（2）利用电离层改正模型加以修正）利用电离层改正模型加以修正FritzkFritzk、BrunnerBrunner等人提出。该模型考虑等人提出。该模型考虑等人提出。该模型考虑等人提出。该模型考虑了折射率的高阶项和地磁场的影响，并了折射率的高阶项和地磁场的影响，并了折射率的高阶项和地磁场的影响，并了折射率的高阶项和地磁场的影响，并沿信号传播路径积分。沿信号传播路径积分。沿信号传播路径积分。沿信号传播路径积分。计算结果表明，精度优于计算结果表明，精度优于计算结果表明，精度优于计算结果表明，精度优于2mm2mm对于单频对于单频对于单频对于单频GPSGPS接收机用户，一般采用由接收机用户，一般采用由接收机用户，一般采用由接收机用户，一般采用由导航电文提供的电离层模型加以改正。导航电文提供的电离层模型加以改正。导航电文提供的电离层模型加以改正。导航电文提供的电离层模型加以改正。（2）利用电离层改正模型）利用电离层改正模型加以修正（续）加以修正（续）把黑夜的电离层效应距离偏差看成一个常把黑夜的电离层效应距离偏差看成一个常把黑夜的电离层效应距离偏差看成一个常把黑夜的电离层效应距离偏差看成一个常数，白天的是随时间变化的余弦函数数，白天的是随时间变化的余弦函数数，白天的是随时间变化的余弦函数数，白天的是随时间变化的余弦函数电离层改正模型电离层改正模型任一时刻任一时刻t 的电离层延迟为：的电离层延迟为：余弦波的振幅余弦波的振幅余弦波的振幅余弦波的振幅余弦波的周期余弦波的周期余弦波的周期余弦波的周期 n n和和和和 n n：由导航：由导航：由导航：由导航电文给出电文给出电文给出电文给出DC DC=5ns=5nsT TP P=14h=14h（2）利用电离层改正模型）利用电离层改正模型加以修正（续）加以修正（续）和和和和 为为为为 的地心经纬度的地心经纬度的地心经纬度的地心经纬度（2）利用电离层改正模型）利用电离层改正模型加以修正（续）加以修正（续）（度）（度）（小时）（小时）:观测时刻的世界时观测时刻的世界时（2）利用电离层改正模型）利用电离层改正模型加以修正（续）加以修正（续）基本上是一种经验估算公式，加之全球基本上是一种经验估算公式，加之全球统一采用一组系数，因而只能大体反映统一采用一组系数，因而只能大体反映全球的平均状况，与各地的实际情况有全球的平均状况，与各地的实际情况有一定的差异一定的差异实测资料表明，该模型大体上可消除电实测资料表明，该模型大体上可消除电离层折射误差的离层折射误差的75%（3）利用同步观测值求差）利用同步观测值求差利用两台或多台接收机，对同一组卫星利用两台或多台接收机，对同一组卫星的同步观测值求差，以减弱电离层折射的同步观测值求差，以减弱电离层折射的影响。的影响。对于短基线（如小于对于短基线（如小于20km）的效果尤）的效果尤为明显为明显对流层对流层离地面高度离地面高度40km以下的大气层，是以下的大气层，是一种非电离大气层。温度随高度的上一种非电离大气层。温度随高度的上升而降低升而降低包括对流层和平流层包括对流层和平流层地球大气层结构地球大气层结构对流层（续）对流层（续）对流层折射对流层折射GPS信号通过对流层时，传播路径发生弯信号通过对流层时，传播路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差。曲，从而使测量距离产生偏差。与信号的高度角有关，当在天顶方向（高与信号的高度角有关，当在天顶方向（高度角为度角为90），影响达），影响达2.3m；当在地面方；当在地面方向（高度角为向（高度角为10），影响可达），影响可达20m对流层折射（续）对流层折射（续）大气折射系数：大气折射系数：n电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：电磁波的对流层中的真实传播距离为：电磁波的对流层中的真实传播距离为：略去一次小项有：略去一次小项有：对流层折射（续）对流层折射（续）对流层延迟的改正数为：对流层延迟的改正数为：记大气折射指数记大气折射指数N为：为：大气折射指数大气折射指数N与气温、气压及湿度等因素有关，与气温、气压及湿度等因素有关，模型如下：模型如下：干空气折射指数干空气折射指数干空气折射指数干空气折射指数湿空气折射指数湿空气折射指数湿空气折射指数湿空气折射指数大气压大气压大气压大气压气温气温气温气温水气压水气压水气压水气压对流层折射的改正模型对流层折射的改正模型霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）公式）公式萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）公式）公式勃兰克（勃兰克（Black）公式）公式霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）公式）公式萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）公式）公式勃兰克（勃兰克（Black）公式）公式减弱对流层折射影响的措施减弱对流层折射影响的措施采用对流层模型加以改正：采用对流层模型加以改正：气象参数在测站直接测定气象参数在测站直接测定气象参数在测站直接测定气象参数在测站直接测定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利用同步观测量求差利用同步观测量求差利用水汽辐射计（较昂贵）直接测定利用水汽辐射计（较昂贵）直接测定信号传播的影响信号传播的影响GPS接收机天线接收到的信号接收机天线接收到的信号直接波：直接波：由卫星发射天线相位中心直接到达接收天由卫星发射天线相位中心直接到达接收天由卫星发射天线相位中心直接到达接收天由卫星发射天线相位中心直接到达接收天线相位中心线相位中心线相位中心线相位中心地面反射波地面反射波星体反射波星体反射波介质散射波介质散射波间接波间接波多路径误差多路径误差GPS信号接收机所观测的信号接收机所观测的GPS信号，是信号，是直接波和间接波合成的直接波和间接波合成的合成波合成波多路径误差多路径误差：间接波对直接波的破坏性：间接波对直接波的破坏性干涉而引起的站星距离误差干涉而引起的站星距离误差多路径误差的大小取决于间接波的强弱多路径误差的大小取决于间接波的强弱和用户接收天线抗御间接波的能力和用户接收天线抗御间接波的能力地面反射波地面反射波n n为影响多路径误差的主要因素为影响多路径误差的主要因素n n强弱取决于地面或地物的反射系数强弱取决于地面或地物的反射系数水面水面水面水面稻田稻田稻田稻田野地野地野地野地森林山地森林山地森林山地森林山地反射反射反射反射系数系数系数系数损耗损耗损耗损耗（分贝）（分贝）（分贝）（分贝）反射反射反射反射系数系数系数系数损耗损耗损耗损耗（分贝）（分贝）（分贝）（分贝）反射反射反射反射系数系数系数系数损耗损耗损耗损耗（分贝）（分贝）（分贝）（分贝）反射反射反射反射系数系数系数系数损耗损耗损耗损耗（分贝）（分贝）（分贝）（分贝）1.01.00 00.80.82 20.60.64 40.30.31010不同地物对不同地物对不同地物对不同地物对2GHz2GHz的微波信号的反射系数的微波信号的反射系数的微波信号的反射系数的微波信号的反射系数地面反射波（续）地面反射波（续）反射信号经过的多路径长度称为反射信号经过的多路径长度称为反射信号经过的多路径长度称为反射信号经过的多路径长度称为“程差程差程差程差”，值为：，值为：，值为：，值为：反射波和直接波之间的相位延迟：反射波和直接波之间的相位延迟：反射波和直接波之间的相位延迟：反射波和直接波之间的相位延迟：注：到达接收天线的反射波，是来自反射面某一注：到达接收天线的反射波，是来自反射面某一注：到达接收天线的反射波，是来自反射面某一注：到达接收天线的反射波，是来自反射面某一区域中各个反射波之和区域中各个反射波之和区域中各个反射波之和区域中各个反射波之和载波相位测量中的多路径误差载波相位测量中的多路径误差n n直接波信号：直接波信号：直接波信号：直接波信号：U U：信号电压；：信号电压；：信号电压；：信号电压；：载波的角速率。：载波的角速率。：载波的角速率。：载波的角速率。n n反射信号：反射信号：反射信号：反射信号：n n反射信号与直接信号反射信号与直接信号反射信号与直接信号反射信号与直接信号“叠加叠加叠加叠加”后被天线接受，所后被天线接受，所后被天线接受，所后被天线接受，所以天线的实际信号为：以天线的实际信号为：以天线的实际信号为：以天线的实际信号为：式中：式中：式中：式中：减弱多路径误差的措施（续）减弱多路径误差的措施（续）（1）选择合适的站址）选择合适的站址 测站应远离大面积平静的水面测站应远离大面积平静的水面测站应远离大面积平静的水面测站应远离大面积平静的水面测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中测站应离开高层建筑物测站应离开高层建筑物测站应离开高层建筑物测站应离开高层建筑物减弱多路径误差的措施（续）减弱多路径误差的措施（续）（2）对接收机天线的要求）对接收机天线的要求在天线中设置在天线中设置在天线中设置在天线中设置抑径板抑径板抑径板抑径板或或或或抑径圈抑径圈抑径圈抑径圈振子天线振子天线抑径圈抑径圈减弱多路径误差的措施（续）减弱多路径误差的措施（续）（2）对接收机天线的要求（续）对接收机天线的要求（续）接收天线对于极化特性不同的反射信号应接收天线对于极化特性不同的反射信号应接收天线对于极化特性不同的反射信号应接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用该有较强的抑制作用该有较强的抑制作用该有较强的抑制作用减弱多路径误差的措施（续）减弱多路径误差的措施（续）（3）适当延长观测时间，削弱多路径）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响效应的周期性影响（4）改善）改善GPS接收机的电路设计接收机的电路设计