定位导航误差PPT课件

1、1 第六章第六章 定位导航误差定位导航误差 第第1页页/共共80页页 内容提要内容提要 6.1 6.1 卫星导航定位的精度、误差与偏差卫星导航定位的精度、误差与偏差 6.2 6.2 卫星导航定位的误差卫星导航定位的误差 6.3 GPS6.3 GPS卫星几何布局和精度因子卫星几何布局和精度因子 2 第第2页页/共共80页页 内容提要内容提要 6.1 6.1 卫星导航定位的精度、误差与偏差卫星导航定位的精度、误差与偏差 6.2 6.2 卫星导航定位的误差卫星导航定位的误差 6.3 GPS6.3 GPS卫星几何布局和精度因子卫星几何布局和精度因子 3 第第3页页/共共80页页 2021-4-304

2、6.1 GPS卫星导航定位的误差卫星导航定位的误差简介简介 GPS卫星导航定位误差卫星导航定位误差： (1)卫星误差卫星误差：信号自身误差及人为的信号自身误差及人为的SA误差；误差； (2)传播误差传播误差：信号从卫星传播到用户接收天线的传播误差；信号从卫星传播到用户接收天线的传播误差； (3)接收误差接收误差：信号接收机所产生的测量误信号接收机所产生的测量误差差。 被动式测距原理被动式测距原理： 测量测量来自来自GPS卫星的导航定位信号的传播时延，测卫星的导航定位信号的传播时延，测得得 接收天线接收天线相位中心和卫星发射天线相位中心间的相位中心和卫星发射天线相位中心间的距离距离 （站星距离）

3、，将它和站星距离），将它和GPS卫星在轨位置联合解算卫星在轨位置联合解算出出 用户用户的三维坐标。的三维坐标。 精度精度( accuracy)表示表示一个量观测值与其真值接近或一致的程度，一个量观测值与其真值接近或一致的程度， 常以误差常以误差( error)予以表述予以表述。GNSS系统系统精度精度为用为用GNSS信号所测定信号所测定 的载体在航点位与载体实际点位之差的载体在航点位与载体实际点位之差。 第第4页页/共共80页页 6.1.1 均方根差（均方根差（1/2） 2021-4-30 5 p 置信椭圆置信椭圆 置信置信椭圆的长短半轴，分别表示二维位置坐标分量的标准差（如经度的椭圆的长短半

4、轴，分别表示二维位置坐标分量的标准差（如经度的 和纬度的和纬度的）。）。 p 一倍标准差一倍标准差（l）的概率值的概率值：68.3%； p 二倍标准差（二倍标准差（2）的概率值）的概率值：95.5%； p 三倍标准差三倍标准差（3）的概率值的概率值：99. 796。 均方根差的探测概率均方根差的探测概率： 置信置信椭圆椭圆(confidence ellipse，二维定位，二维定位)； 置信椭球置信椭球(confidence ellipsoid，三维定位），三维定位）； 第第5页页/共共80页页 6.1.1 均方根差（均方根差（2/2） 2021-4-306 注意：注意：许多中外文献所述许多中外

5、文献所述“精度精度”多为一倍标准差多为一倍标准差(l)，且用，且用“距离距离 均方根差均方根差 (DRMS) ”表示二维定位精度，即表示二维定位精度，即 距离均方根差距离均方根差( DRMS)，也称，也称：圆径向误差圆径向误差(circular radial error) 或或均方位置误差均方位置误差(MSPE，mean squared position error) 1/2 22 DRMS 注意：注意：也可也可采用采用“双倍距离均方根差双倍距离均方根差”(2DRMS，twice distance root mean square error)，即，即 1/2 22 222DRMSDRMS 第

6、第6页页/共共80页页 6.1.2 圆概率误差圆概率误差（1/2） 2021-4-307 在导航在导航领域领域，圆概率误差，圆概率误差(CEP，circular error probable)被被广泛应广泛应 用用。 p 当概率为当概率为50%时，圆概率误差定义为时，圆概率误差定义为： p 当概率为当概率为95%时，则有时，则有： (CEP)95，也记，也记“R95，表示概率为，表示概率为95%的二维点位精度。的二维点位精度。 0.59CEP 95 2.081.2272CEPCEP p 当概率为当概率为99%时，则时，则有：有： 99 2.581.5222CEPCEP 第第7页页/共共80页页

7、 6.1.2 圆概率误差圆概率误差（2/2） 2021-4-308 小结：小结： 球概率误差球概率误差(SEP)是在以天线真实位置为球心的球内，偏离球心是在以天线真实位置为球心的球内，偏离球心 概率为概率为50%的三维点位精度分布度量。的三维点位精度分布度量。 0.51 h SEP （1）圆概率误差圆概率误差(CEP)是在以天线真实位置为圆心的圆内，偏是在以天线真实位置为圆心的圆内，偏 离圆心概率为离圆心概率为50%的二维点位离散分布度量。的二维点位离散分布度量。 （2）95%概率的二维点位精度概率的二维点位精度(R95)，是在以天线真实位置为圆，是在以天线真实位置为圆 心的圆内，偏离圆心概率

8、为心的圆内，偏离圆心概率为95%的二维点位精度分布度量。的二维点位精度分布度量。 （3）三维位置，以三维位置，以球概率误差球概率误差(SEP= spherical error probable) 表示表示，且知，且知 第第8页页/共共80页页 6.1.3 RMS与与CEP关系关系(1/2) 2021-4-309 第第9页页/共共80页页 6.1.3 RMS与与CEP关系关系(2/2) 2021-4-3010 GPS卫星定位误差卫星定位误差可可互换计算互换计算。 【例如例如】某某DGPS设备够获得设备够获得RMS(三维三维)=6m的定位精度，则其的定位精度，则其 相相 应的圆概率误差应的圆概率误

9、差(CEP)= RMS(三维三维)/2.5（从表查得）（从表查得） =2.4m。 第第10页页/共共80页页 6.1.4 偏差偏差 (1/2) 2021-4-3011 在在GPS卫星导航定位测量中，不仅存在卫星导航定位测量中，不仅存在测量误差（测量误差（error），而，而 且存在且存在偏差（偏差（bias）。 例如例如：GPS卫星时钟导致两个不同而相关的概念：卫星时钟偏差卫星时钟导致两个不同而相关的概念：卫星时钟偏差 和卫星时钟误差。和卫星时钟误差。 星钟偏差星钟偏差：每一颗：每一颗GPS卫星时钟相对于卫星时钟相对于GPS时间系统的差值，时间系统的差值， 表示为表示为 2 012sococ

10、taa ttatt a0 -相对于相对于GSP时系的时间偏差（钟差）；时系的时间偏差（钟差）； a1 -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）； a2 -卫星时钟的频率漂移系数（钟速变化率，即钟漂）；卫星时钟的频率漂移系数（钟速变化率，即钟漂）； toc - GPS卫星导航电文第一数据块的参考时元；卫星导航电文第一数据块的参考时元； t - GPS导航定位的观测时元。导航定位的观测时元。 第第11页页/共共80页页 6.1.4 偏差偏差 (2/2) 2021-4-3012 GPS数据处理时，依据数据处理时，依据GPS卫星导航电文第一数据块提供的时卫星导航电文第一数据

11、块提供的时 钟多项式的钟多项式的A系数，按上列公式计算出系数，按上列公式计算出时钟偏差时钟偏差(对于对于Block II/IIA卫星为卫星为1ms左右，其相应距离为左右，其相应距离为300km)，以此将每颗卫，以此将每颗卫 星的时间星的时间(ts)换算成统一的换算成统一的GPS时间。时间。 GPS卫星导航电文提供计算时钟偏差的卫星导航电文提供计算时钟偏差的A系数，不能真实地代系数，不能真实地代 表表GPS导航导航定位测量时的时钟多项式系数定位测量时的时钟多项式系数（1ns时间误差相应于时间误差相应于 30cm距离误差）；距离误差）；星钟误差是星钟误差是A系数代表性误差的综合影响系数代表性误差的

12、综合影响。 注意：注意：电离层对流层效应对电离层对流层效应对GPS卫星测量的影响，也存在着卫星测量的影响，也存在着 “偏差偏差”和和“误差误差”两个不同而相关的概念。两个不同而相关的概念。 “偏差偏差”为电离层对流层效应导致的附加时延改正（几米至为电离层对流层效应导致的附加时延改正（几米至 100余米，视余米，视GPS卫星高度角大小而定）；卫星高度角大小而定）； “误差误差”是附加时延改正的非真实性和非实径性而引起的。是附加时延改正的非真实性和非实径性而引起的。 第第12页页/共共80页页 6.1.5 GPS定位的精度定位的精度(1/2) 2021-4-3013 GPS导航定位精度，用伪噪声码

13、测量时分为：导航定位精度，用伪噪声码测量时分为： 标准定位服务标准定位服务(SPS)精度（民用精度）；精度（民用精度）； 精密定位服务精密定位服务(PPS)精度（军用精度）；精度（军用精度）； 第第13页页/共共80页页 6.1.5 GPS定位的精度定位的精度(2/2) 2021-4-3014 注意注意：随着随着GPS导航定位测量模式不同，精度也随之变化。导航定位测量模式不同，精度也随之变化。 第第14页页/共共80页页 内容提要内容提要 6.1 6.1 卫星导航定位的精度、误差与偏差卫星导航定位的精度、误差与偏差 6.2 6.2 卫星导航定位的误差卫星导航定位的误差 6.3 GPS6.3 G

14、PS卫星几何布局和精度因子卫星几何布局和精度因子 15 第第15页页/共共80页页 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 第第16页页/共共80页页 GPS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

15、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 第第17页页/共共80页页 GPS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 第第18页页/共共80页页 GPS测量误差的大小测量误差的大小 SPS（无（无SA） 1-sigma 误差，单位 m 误差来

16、源 偏差 随机误差 总误差 星历数据 2 .1 0.0 2.1 卫星钟 2.0 0.7 2.1 电离层 4.0 0.5 4.0 对流层 0.5 0.5 0.7 多路径 1.0 1.0 1.4 接收机观测 0.5 0.2 0.5 用户等效距离误差(UERE), rms 5.1 1.4 5.3 滤波后的 UERE，rms 5.1 0.4 5.1 1-sigma 垂直误差VDOP = 2.5 12.8 1-sigma 水平误差HDOP = 2.0 10.2 第第19页页/共共80页页 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，

17、直接对观测值原理：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 改正后的观测值=原始观测值+模型改正 第第20页页/共共80页页 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，消去或消弱原理：通过观测值间一定

18、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适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相 关性。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 第第21页页/共共80页页 钟误差钟误差 第第22页页/共共80页页 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，接收机钟与理接收机一般采用石英钟，接收机钟与理 想的想的G

19、PS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 第第23页页/共共80页页 卫星钟差卫星钟差 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 2 210ocsocst ttattaa s 第第24页页/共共80页页 相对论效应相对论效应 狭义相对论效应狭义相对论效应 广义相对论效应广义相对论效应 第第25页页/共共80页页 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

20、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 第第26页页/共共80页页 相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响 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，卫星上钟的频率将变结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变 慢慢 2 2 1 2 2 2 2 10 1 () (1) 2 2 387429979245

21、8 0.835 10 s s ss s s s ss s s Vf f VV fff cc f V ffff c GPSVm scm s ff 若卫星在地心惯性坐标系中的运动速度为 ，则在地面频率为 的钟 若安置到卫星上，其频率 将变为： 即两者的频率差为 考虑到卫星的平均运动速度和真空中的光速，则 第第27页页/共共80页页 相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响 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，卫星上钟的频率将变快结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟

22、的频率将变快 ff km kmRsm rR f c f c WW f f WW Ts Ts 10 2 2314 22 2 2 10284. 5 26560 637810986005. 3 ) 11 ( ，则卫星的地心距近似取 ，近似取，若地面处的地心距其中 为：将的差异与放在地面上时钟频率则同一台钟放在卫星上 ，为，地面测站处的重力位为若卫星所在处的重力位 第第28页页/共共80页页 相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响 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 ffff f 10 21 10449. 4 :为上时总的变化量钟频率相

23、对于其在地面 用下，卫星上义相对论效应的共同作在狭义相对论效应和广 第第29页页/共共80页页 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 方法（分两步）：首先考虑假定卫星轨道为方法（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圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨 道的情况。道的情况。 第一步：第一步： 第二步：第二步： MHzMHz52299999954.10)10449. 41 (23.10 10 ，调低后的频率为到卫星上去的钟的频率在地面上调低将要搭载 2 0 2 sin Ein e a tE C 第第30页页/共共80页页 卫星星历误

24、差卫星星历误差 第第31页页/共共80页页 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卫星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。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 第第32页页/共共80页页 电离层延迟电离层延迟 第第33页页/共共80页页 电离层

25、延迟电离层延迟 电离层 地球 TEC 柱体底面积为1m 2 第第34页页/共共80页页 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 第第35页页/共共80页页 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，传播路径也将发信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发 生弯曲。也称生弯曲。也称大气延迟大气延迟。在。在GPS测量定位中，通常仅考测量定位中，通常仅考 虑信号传播速度的变化。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，所产生的折射效应也不色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不

26、同同 非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相 同同 对对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散 介质介质 第第36页页/共共80页页 相速与群速相速与群速(1/2) 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 phph f vvf 假设有一电磁波在空间传播，其波长为 ，频率为 该电磁波相位的速度，有=其中相位的速度又简称为相速。 。“群速”表示，群速 的传播可以用群波来说，其最终能量对于频率略微不同的一 2 d df vgr

27、d dv vv ph phgr phph grphph dndn nnnf ddf 第第37页页/共共80页页 相速与群速相速与群速(2/2) 22 2 , 1 1 1 1 phgr phgr ph phph grphph phphph gr phph gr ph ph ph phphph ph ph ph ph ccc nnn vvv v d dvdv df vvv dddd c vnn cc n dvdv vdn cc v d dvd nvnd vd n dn nd 1 1 11; phphph phphph ph dndndn nnnf ndddf ddf f 注： 第第38页页/共共8

28、0页页 电离层折射电离层折射(1/2) 324 234 234 2 2 2 3 222 232 2 22 ; 1. ,. 1 2 2 11 40.3() , phgr phgr ph ph ph gr e e grphgrph cc vv nn ccc n fff c c c c n f c dndf f ccc nf fff ccNHz N nnvv 其中等与电子密度、电子质量、电子所带电荷等有关系。 近似地可取 则： 有： 一般， 可取近似值； 因为电子密度 恒为正值。 故，或，即相位超前。 第第39页页/共共80页页 22 00 222 22 00 222 2 40.3 (1) 40.3

29、 (1) 40.3 ; iono ph iono phphe iono gr iono grgre e iono ph g cc Sn dsdsdsdsdsN ds fff cc Sn dsdsdsdsdsN ds fff TECN ds STEC f S 电离层折射对相位所造成的距离延迟为 电离层折射对相位所造成的距离延迟为 令，则 2 40.3 ; iono r TEC f TEC 称为总电子含量 电离层折射电离层折射(2/2) 第第40页页/共共80页页 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

30、的电子数。包含的电子数。 总电子含量（总电子含量（TEC Total Electron Content）：）： 底面积为一个单位面积时底面积为一个单位面积时 沿信号传播路径贯穿整个沿信号传播路径贯穿整个 电离层的一个柱体内所含电离层的一个柱体内所含 的电子总数。的电子总数。 电离层 地球 TEC 柱体底面积为1m 2 第第41页页/共共80页页 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 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无电方法：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 经

31、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 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（或电方法：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）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 第第42页页/共共80页页 电离层延迟的双频改正电离层延迟的双频改正 22 1 2 12 22 12 222222 121212 12 2222222 21121221 40.3 1 2 ionoionoiono grgrgr AA ATECSVS ff L

32、L l AA l ff ffffffAAAA A ffffffff 令，即有电离层延迟，或电离层延迟改正 设： 采用上的测距码所测定的站星距为 ， 采用上的测距码所测定的站星距为 实际的站星距为 则： 得： 2 22222222 1212 1212 2222 21 12 1 2 154120154120 120154 0.64690.3928 1.54573 2.54573 ionoionoionoiono grgrgrgr ionoiono grgr iono gr iono gr ffff VVVV ff VV V V 即： 故： 第第43页页/共共80页页 电子密度与大气高度的关系电子密

33、度与大气高度的关系 第第44页页/共共80页页 电子含量与地方时的关系电子含量与地方时的关系 第第45页页/共共80页页 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 第第46页页/共共80页页 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 第第47页页/共共80页页 电离层改正的经验模型简介电离层改正的经

34、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

35、内电子密度、电子温度、的区间内电子密度、电子温度、 电离层温度、电离层的成分等电离层温度、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 第第48页页/共共80页页 电离层改正的经验模型简介电离层改正的经验模型简介 Klobuchar模型模型 由美国的由美国的J.A.Klobuchar提出提出 描述电离层的时延描述电离层的时延 广泛地用于广泛地用于GPS导航定位中导航定位中 GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户卫星的导航电文中播发其模型参数供用户 使用使用 第第49页页/共共80页页 Klobuchar模型模型 中心电离层中心电离层 中心电离层中心电离层 电离层 地

36、球 约350km 中心电离层 电离层穿刺点 IP 天顶方向 Z 第第50页页/共共80页页 Klobuchar模型模型 模型算法模型算法 9 3 0 3 0 2 sec5 10cos(14 ) ; (0,1,2,3)(0,1,2,3) h g i im i i im i ii m TZAt P A P ii IP 信号的电离层穿刺点处天顶方向的电离层时延 其中： ； ；由卫星所发送的导航电文提供； 为信号的电离层穿刺点处的地磁纬度，可采用下面步骤计算 电离层 地球 约 350km 中心电离层 电离层穿刺点IP 天顶方向 Z 第第51页页/共共80页页 Klobuchar模型模型 模型算法（续）

37、模型算法（续） 改正效果：可改正改正效果：可改正60左右左右 445 ()4 , 20 , cos sin cos 291.078.4 11.6 cos(291.0 ) 15 sec IPIP IPS IPS S mIPIP IP SIPEAel el IP EAa a EA a tIPtUT ZIP 计算测站 和在点心的夹角：为测站处卫星的高度角 计算点的地心经纬度： ； ； 为卫星的方位角 考虑到目前地磁北极位于东经，北纬 有 为处的地方时 为卫星信号在处的天顶距： 3 96 12 () 90 el Z 电离层 地球 约350km 中心电离层 电离层穿刺点I P 天顶方向 Z 地心 测站S

38、 EA 第第52页页/共共80页页 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 第第53页页/共共80页页 电离层延迟的实测模型改正电离层延迟的实测模型改正 局部（区域性）的实测模型改正局部（区域性）的实测模型改正 方法方法 适用范围：局部地区的电离层延迟改正适用范围：局部地区的电

39、离层延迟改正 为原点坐标。 ）；为展开式的系数（待求 展开式的最高阶数；为变量的二元泰勒级数和为以 ；点的太阳时，为点的地心纬度，为 其中： 00 maxmax 00 00 , , )()(),( maxmax s E smn UTLTsIPsIP ssEsTEC nm n n m m mn nm 第第54页页/共共80页页 电离层延迟的实测模型改正电离层延迟的实测模型改正 全球（大范围）的实测模型改正全球（大范围）的实测模型改正 方法方法 适用范围：用于大范围和全球的电离层延迟改正适用范围：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格网化的电离层延迟改正模型 为球谐系数（待

40、求）。 多项式；次正规化缔合勒让德阶 的多项式和勒让德为基于正规化函数 数；为球谐展开式的最高阶 ；点的太阳时，为点的地心纬度，为 其中： nmnm mnnmnm n n n m nmnmnm ba Legendremn PLegendremnPmnP n UTLTsIPsIP msbmsaPsTEC , )( )(),(),( )sincos(sin ),( , max 00 max 第第55页页/共共80页页 对流层延迟对流层延迟 第第56页页/共共80页页 对流层延迟对流层延迟 第第57页页/共共80页页 对流层（对流层（Troposphere） 第第58页页/共共80页页 对流层的色散

41、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，卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应对流层不具有色散效应 426 0136. 06288. 1604.28710 N 波长N*10e6 红光0.72290.7966 紫光0.40298.3153 L11902936.728287.6040 L22442102.134287.6040 第第59页页/共共80页页 对流层延迟对流层延迟 0 0 ( 1) (1) 1 (1) 1 (1

42、)(1)(1) 1 (1( 1) 1 Kk tttt k ttts kk k c v n nrefractiveindex of atmosphere cc vdtdtdtcn dt nn cndtcdtc ndtctnds xx x 称为大气折射系数（） 设为信号传播的真实距离，则 当时，有 故： 称 6 (1)(1) (1) 10 ss ndsnds Nnatmospheric refractivity ：为对流层延迟，对流层改正。 通常令：，称其为大气折射率（） 第第60页页/共共80页页 大气折射率大气折射率N与气象元素的关系与气象元素的关系 大气折射率大气折射率N与温度、气压和湿度的

43、关系与温度、气压和湿度的关系 Smith和和Weintranb，1954 对流层延迟与大气折射率对流层延迟与大气折射率N 。为水气压，单位 ；单位为气温，为绝对温度， ；为大气压，单位 称为湿气分量； 称为干气分量； 其中： mbare KT mbarP N N T e T P NNN w d wd 2 48106 .776 .77 666 101010 dw sss sNdsN dsN ds 第第61页页/共共80页页 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

44、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 第第62页页/共共80页页 多路径误差多路径误差 第第63页页/共共80页页 3.7 多路径误差多路径误差 第第64页页/共共80页页 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

45、所谓的“多路径误多路径误 差差”。 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。 第第65页页/共共80页页 多路径误差的多路径误差的特点特点 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 第第66页页/共共80页页 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 第第67页页/共共80页页 应对多路径误差的方法应对

46、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 第第68页页/共共80页页 地球自转改正地球自转改正(1/2) 第第69页页/共共80页页 地球自转地球自转改正改正(2/2) 第第70页页/共共80页页 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

47、中心位置接收机天线的相位中心相对测站中心位置 的偏差。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） 第第71页页/共共80页页 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

48、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。 第第72页页/共共80页页 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 第第73页页/共共80页页 内容提要内容提要 6.1 6.1 卫星导航定位的精度、误差与偏差卫星导航定位的精度、误差与偏差 6.2 6.2 卫星导航定位的误差卫星导航定位的误差 6.3 GPS6.3 GPS卫星几何布局和精度因子卫星几何布局和精度因子 74 第第74页页/共共80页页 相对几何布局对定位的影响相对几何布局对定位的影响 75 第第75页页/共共80页页 精度因子的定义精度因子的定义(1/2) 76 111 111 222 222 333 333 444 444 ()()() 1 ()()() 1 ()()() 1 ()()() 1 xxyyzz RRR xxyyzz RRR H xxyyzz RRR xxyyzz RRR 第第76页页/共共80页页 精