《高速鐵路工程測(cè)量》課件-第五章 GNSS定位誤差

第五章GNSS定位誤差5.1概述5.2衛(wèi)星相關(guān)誤差5.3

傳播路徑相關(guān)誤差5.1概述與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差相對(duì)論效應(yīng)與傳播途徑有關(guān)的誤差電離層延遲對(duì)流層延遲多路徑效應(yīng)與接收設(shè)備有關(guān)的誤差接收機(jī)天線相位中心的偏移和變化接收機(jī)鐘差接收機(jī)內(nèi)部噪聲一、GPS測(cè)量誤差的來源1、偶然誤差內(nèi)容衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生部分的隨機(jī)噪聲接收機(jī)信號(hào)接收處理部分的隨機(jī)噪聲其它外部某些具有隨機(jī)特征的影響特點(diǎn)隨機(jī)量級(jí)小–

毫米級(jí)二、GPS測(cè)量誤差的性質(zhì)二、GPS測(cè)量誤差的性質(zhì)2、系統(tǒng)誤差（偏差-Bias）內(nèi)容其它具有某種系統(tǒng)性特征的誤差特點(diǎn)具有某種系統(tǒng)性特征量級(jí)大–

最大可達(dá)數(shù)百米三、GPS測(cè)量誤差的大?、賁PS（無SA）SPS（有SA）三、GPS測(cè)量誤差的大?、偎?、消除或消弱各種誤差影響的方法1、模型改正法原理：利用模型計(jì)算出誤差影響的大小，直接對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正適用情況：對(duì)誤差的特性、機(jī)制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗(yàn)公式所針對(duì)的誤差源相對(duì)論效應(yīng)電離層延遲對(duì)流層延遲衛(wèi)星鐘差限制：有些誤差難以模型化2、求差法原理：通過觀測(cè)值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測(cè)值中所包含的相同或相似的誤差影響適用情況：誤差具有較強(qiáng)的空間、時(shí)間或其它類型的相關(guān)性。所針對(duì)的誤差源電離層延遲對(duì)流層延遲衛(wèi)星軌道誤差…限制：空間相關(guān)性將隨著測(cè)站間距離的增加而減弱四、消除或消弱各種誤差影響的方法3、參數(shù)法原理：采用參數(shù)估計(jì)的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來適用情況：幾乎適用于任何的情況限制：不能同時(shí)將所有影響均作為參數(shù)來估計(jì)四、消除或消弱各種誤差影響的方法4、回避法原理：選擇合適的觀測(cè)地點(diǎn)，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測(cè)方法；采用特殊的硬件設(shè)備，消除或減弱誤差的影響適用情況：對(duì)誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解；具有特殊的設(shè)備。所針對(duì)的誤差源電磁波干擾多路徑效應(yīng)限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性四、消除或消弱各種誤差影響的方法5.2衛(wèi)星相關(guān)誤差一、衛(wèi)星鐘差定義 物理同步誤差 數(shù)學(xué)同步誤差應(yīng)對(duì)方法模型改正 鐘差改正多項(xiàng)式

其中a0為ts時(shí)刻的時(shí)鐘偏差，a1為鐘的漂移，a2為老化率。相對(duì)定位或差分定位二、接收機(jī)鐘差定義

GPS接收機(jī)一般采用石英鐘，接收機(jī)鐘與理想的GPS時(shí)之間存在的偏差和漂移。應(yīng)對(duì)方法作為未知數(shù)處理相對(duì)定位或差分定位三、相對(duì)論效應(yīng)1、狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論狹義相對(duì)論1905運(yùn)動(dòng)將使時(shí)間、空間和物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化廣義相對(duì)論1915將相對(duì)論與引力論進(jìn)行了統(tǒng)一2、相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響?yīng)M義相對(duì)論原理：時(shí)間膨脹。鐘的頻率與其運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。對(duì)GPS衛(wèi)星鐘的影響：結(jié)論：在狹義相對(duì)論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢廣義相對(duì)論原理：鐘的頻率與其所處的重力位有關(guān)對(duì)GPS衛(wèi)星鐘的影響：結(jié)論：在廣義相對(duì)論效應(yīng)作用下，衛(wèi)星上鐘的頻率將變快2、相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響?yīng)M義相對(duì)論＋廣義相對(duì)論令：2、相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響3、解決相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘影響的方法方法（分兩步）：首先考慮假定衛(wèi)星軌道為圓軌道的情況；然后考慮衛(wèi)星軌道為橢圓軌道的情況。第一步：第二步：課本上為：因?yàn)椋核?、衛(wèi)星星歷（軌道）誤差定義 由衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星在空間的位置與衛(wèi)星的實(shí)際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。廣播星歷（預(yù)報(bào)星歷）的精度

(無SA)

20～30米

(有SA)

100米精密星歷（后處理星歷）的精度 可達(dá)1厘米應(yīng)對(duì)方法精密定軌(后處理)相對(duì)定位或差分定位星歷誤差對(duì)單點(diǎn)定位的影響星歷誤差對(duì)單點(diǎn)定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機(jī)的距離以及用于定位或?qū)Ш降腉PS衛(wèi)星與接收機(jī)構(gòu)成的幾何圖形星歷誤差對(duì)相對(duì)定位的影響5.3

傳播路徑相關(guān)誤差一、電離層延遲1、地球大氣結(jié)構(gòu)地球大氣層的結(jié)構(gòu)2、大氣折射效應(yīng)大氣折射信號(hào)在穿過大氣時(shí)，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。也稱大氣延遲。在GPS測(cè)量定位中，通常僅考慮信號(hào)傳播速度的變化。色散介質(zhì)與非色散介質(zhì)色散介質(zhì)：對(duì)不同頻率的信號(hào)，所產(chǎn)生的折射效應(yīng)也不同非色散介質(zhì)：對(duì)不同頻率的信號(hào)，所產(chǎn)生的折射效應(yīng)相同對(duì)GPS信號(hào)來說，電離層是色散介質(zhì)，對(duì)流層是非色散介質(zhì)3、相速與群速相速群速相速與群速的關(guān)系相折射率與群折射率的關(guān)系4、電離層折射5、電子密度與總電子含量電子密度與總電子含量電子密度：?jiǎn)挝惑w積中所包含的電子數(shù)。總電子含量（TEC–TotalElectronContent）：底面積為一個(gè)單位面積時(shí)沿信號(hào)傳播路徑貫穿整個(gè)電離層的一個(gè)柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。電子密度與大氣高度的關(guān)系電子含量與地方時(shí)的關(guān)系電子含量與太陽活動(dòng)情況的關(guān)系與太陽活動(dòng)密切相關(guān)，太陽活動(dòng)劇烈時(shí)，電子含量增加太陽活動(dòng)周期約為11年1700年–1995年太陽黑子數(shù)電子含量與地理位置的關(guān)系2002.5.151:00–23:002小時(shí)間隔全球TEC分布6、常用電離層延遲改正方法分類經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼椒ǎ焊鶕?jù)以往觀測(cè)結(jié)果所建立的模型改正效果：差雙頻改正方法：利用雙頻觀測(cè)值直接計(jì)算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測(cè)量效果：改正效果最好實(shí)測(cè)模型改正方法：利用實(shí)際觀測(cè)所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），建立模型（如內(nèi)插）效果：改正效果較好電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介

Bent模型由美國的R.B.Bent提出描述電子密度是經(jīng)緯度、時(shí)間、季節(jié)和太陽輻射流量的函數(shù)國際參考電離層模型（IRI–InternationalReferenceIonosphere）由國際無線電科學(xué)聯(lián)盟（URSI–InternationalUnionofRadioScience）和空間研究委員會(huì)（COSPAR-CommitteeonSpaceResearch）提出描述高度為50km-2000km的區(qū)間內(nèi)電子密度、電子溫度、電離層溫度、電離層的成分等以地點(diǎn)、時(shí)間、日期等為參數(shù)電離層改正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介②Klobuchar模型由美國的J.A.Klobuchar提出描述電離層的時(shí)延廣泛地用于GPS導(dǎo)航定位中GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中播發(fā)其模型參數(shù)供用戶使用Klobuchar模型①中心電離層中心電離層電離層地球約350km中心電離層電離層穿刺點(diǎn)IP天頂方向ZGPS測(cè)量定位的誤差源>電離層延遲>Klobuchar模型Klobuchar模型②模型算法電離層地球約350km中心電離層電離層穿刺點(diǎn)IP天頂方向ZGPS測(cè)量定位的誤差源>電離層延遲>Klobuchar模型Klobuchar模型③模型算法（續(xù)）改正效果：可改正60％左右GPS測(cè)量定位的誤差源>電離層延遲>Klobuchar模型電離層延遲的雙頻改正GPS測(cè)量定位的誤差源>電離層延遲>電離層延遲的雙頻改正電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正①基本思想利用基準(zhǔn)站的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算電離層延遲利用所得到的電離層延遲量建立局部或全球的的TEC實(shí)測(cè)模型類型局部模型適用于局部區(qū)域全球模型適用于全球區(qū)域GPS測(cè)量定位的誤差源>電離層延遲>電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正②局部（區(qū)域性）的實(shí)測(cè)模型改正方法適用范圍：局部地區(qū)的電離層延遲改正GPS測(cè)量定位的誤差源>電離層延遲>電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正③全球（大范圍）的實(shí)測(cè)模型改正方法適用范圍：用于大范圍和全球的電離層延遲改正格網(wǎng)化的電離層延遲改正模型GPS測(cè)量定位的誤差源>電離層延遲>電離層延遲的實(shí)測(cè)模型改正3.6對(duì)流層延遲GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲對(duì)流層（Troposphere）GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>對(duì)流層對(duì)流層延遲GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>對(duì)流層延遲對(duì)流層的色散效應(yīng)對(duì)流層的色散效應(yīng)折射率與信號(hào)波長的關(guān)系對(duì)流層對(duì)不同波長的波的折射效應(yīng)結(jié)論對(duì)于GPS衛(wèi)星所發(fā)送的電磁波信號(hào)，對(duì)流層不具有色散效應(yīng)GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>對(duì)流層的色散效應(yīng)大氣折射率N與氣象元素的關(guān)系大氣折射率N與溫度、氣壓和濕度的關(guān)系Smith和Weintranb，1954對(duì)流層延遲與大氣折射率NGPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>大氣折射率N與氣象元素的關(guān)系霍普菲爾德（Hopfield）改正模型①出發(fā)點(diǎn)導(dǎo)出折射率與高度的關(guān)系沿高度進(jìn)行積分，導(dǎo)出垂直方向上的延遲通過投影（映射）函數(shù)，得出信號(hào)方向上的延遲GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>霍普菲爾德（Hopfield）改正模型霍普菲爾德（Hopfield）改正模型②對(duì)流層折射模型GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>霍普菲爾德（Hopfield）改正模型霍普菲爾德（Hopfield）改正模型③投影函數(shù)的修正GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>霍普菲爾德（Hopfield）改正模型薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型①原始模型GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型②擬合后的公式GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>薩斯塔莫寧（Saastamoinen）改正模型勃蘭克（Black）改正模型GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>勃蘭克（Black）改正模型對(duì)流層改正模型綜述不同模型所算出的高度角30以上方向的延遲差異不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型與Hopfield模型的差異要大于Black模型與Hopfield模型的差異GPS測(cè)量定位的誤差源>對(duì)流層延遲>對(duì)流層改正模型綜述氣象元素的測(cè)定①氣象元素干溫、濕溫、氣壓干溫、相對(duì)濕度、氣壓測(cè)定方法普通儀器：通風(fēng)干濕溫度表、空盒氣壓計(jì)自動(dòng)化