传播误差分析-H

1、 中国地质大学测绘系中国地质大学测绘系 田玉刚田玉刚GPS原理及其应用原理及其应用 第第五章五章中国地质大学信息工程学院中国地质大学信息工程学院GPS原理及其应用原理及其应用第五章第五章 GPS GPS 定位的观测方程与误差分析定位的观测方程与误差分析GPS原理及其应用原理及其应用5.1 GPS信号传播误差信号传播误差GPS原理及其应用原理及其应用 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

2、 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GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 概述概述 GPS测量误差的来源测量误差的来源GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用一、一、 电离层延迟电离层延迟GPS原理及其应用原理及其应用3. 5 电离层延迟电离层延迟GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟电离层地球TEC柱体底面积为1m2GPS原理及其应用原理及其应用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测量定位的误差源测量定位的误差源

3、 电离层延迟电离层延迟 地球大气结构地球大气结构GPS原理及其应用原理及其应用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

4、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GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟 大气折射效应大气折射效应GPS原理及其应用原理及其应用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phphfvvf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一2ddfvgrddvvvphphgrphphgrphphdndnnnnf

5、ddfGPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟 相速与群速相速与群速GPS原理及其应用原理及其应用相速与群速相速与群速GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟 相速与群速相速与群速222,1111phgrphgrphphphgrphphphphphgrphphgrphphphphphphphphphphcccnnnvvvvddvdvdfvvvddddcvnnccndvdvvdnccvddvdnvndvdndnnd 1111;phphphphphphphdndndnnnnfndddfddff 注：GPS原理及其应用原理及其应用电离层折射电离层折射32423

6、42342223222232222;1.,.1221140.3(),phgrphgrphphphgreegrphgrphccvvnncccnfffc c ccnfcdndffcccnffffccNHzNnnvv 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。GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟 电离层折射电离层折射GPS原理及其应用原理及其应用电离层折射电离层折射称为总电子含量，则令为成的距离延迟电离层折射对相位所造为成的距离延迟电离层折射对相位所造TECTECcfcTTECfTECc

7、fcTTECfdsNTECdsNfdsfcdsdsfcdsdsndsNfdsfcdsdsfcdsdsnionogrphionogrionophphionopheegrionogrionogrephionophionoph;3 .403 .40;3 .403 .403 .40)1 (3 .40)1 (2222220220220220GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟 电离层折射电离层折射GPS原理及其应用原理及其应用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。

8、 总电子含量（总电子含量（TEC Total Electron Content）：底）：底面积为一个单位面积时沿面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的离层的一个柱体内所含的电子总数。电子总数。电离层地球TEC柱体底面积为1m2GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟 电子密度与总电子含量电子密度与总电子含量GPS原理及其应用原理及其应用电子密度与大气高度的关系电子密度与大气高度的关系GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟 电子密度与大气高度的关系电子密度与大气高度的关系GPS原理及其应用原理及其应用电子

9、含量与地方时的关系电子含量与地方时的关系GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟 电子含量与地方时的关系电子含量与地方时的关系GPS原理及其应用原理及其应用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GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟 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GPS原理及其应用原理及其应用电子含量与地理位置的关系电子含量与

10、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GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 电离层延迟电离层延迟 电子含量与地理位置的关系电子含量与地理位置的关系GPS原理及其应用原理及其应用3.6 对流层延迟对流层延迟GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟GPS原理及其应用原理及其应用对流层（对流层（Troposphere）GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 对流层对流层GPS原理及其应用原理及其应用对流层延迟对流层延迟00( 1) (1)1 (1)1 (1)(1)(1)1(1( 1)1Kkttttk

11、tttskkkcvnnrefractiveindex of atmosphereccvdtdtdtcn dtnncndtcdtc ndtctndsxxx 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) 10ssndsndsNnatmospheric refractivity：为对流层延迟，对流层改正。通常令：，称其为大气折射率（）GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 对流层延迟对流层延迟GPS原理及其应用原理及其应用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

12、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，对流层不具有色散效应卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应4260136. 06288. 1604.28710N波长N*10e6红光0.72290.7966紫光0.40298.3153L11902936.728287.6040L22442102.134287.6040GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 对流层的色散效应对流层的色散效应GPS原理及其应用原理及其应用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、气压和湿度的关

13、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：mbareKTmbarPNNTeTPNNNwdwd248106 .776 .77swsdsdsNdsNNdss161616101010GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 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GPS原理及其应用原理及其应用霍普菲尔德（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

14、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迟通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟1100016.27372.14840136)()()()(44wsdswwswsddsdwddhThshhhhNhhhhNNNNMRCRTPVgdhdPdhdT）（；的量表示为测站上的值含下标其中：；GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型 对流层折射模型

15、对流层折射模型为水气压）（swsdswsswsdssdwdwdehThhheTKhhTPKEKEKsss1100016.27372.14840136)(4810102 .155)(102 .155)25. 2sin()25. 6sin(277212212GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型 投影函数的修正投影函数的修正高度等有关的量。是与测站气压、温度、其中321321,sinsin1aaaaEatgEaEmGPS测量定

16、位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型 原始模型原始模型有关，可查表获得。和与有关，可查表获得；与其中：sssssssshERhBhhWRhWEtgBeTPEs00028. 02cos0026. 01),(),()05. 01255(sin002277. 02GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用萨斯塔莫宁

17、（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型 拟合后的公式拟合后的公式283210716. 01015. 016. 1)4810(16)05. 01255(sin002277. 0sssssssshhactgEeTPTEEEEEtgaeTPEs其中：GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用勃兰克（勃兰克（Black）改正模型）改正模型20. 0)69. 3(002312. 013000)96. 3(98.148)6 . 0(92. 1)273(00015. 00

18、76. 0833. 0)()1 (1cos(1)()1 (1cos(1123 . 002020wsssdwsdEswwsddKTPTKhThEbTlEbhhlEKEbhhlEKs其中：GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 勃兰克（勃兰克（Black）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用对流层改正模型综述对流层改正模型综述 不同模型所算出的高度角不同模型所算出的高度角30 以上方向的延以上方向的延迟差异不大迟差异不大 Black模型可以看作是模型可以看作是Hopfield模型的修正形模型的修正形式式 Saastamoinen模型与模型与Hopfield模型的差

19、异要模型的差异要大于大于Black模型与模型与Hopfield模型的差异模型的差异GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 对流层改正模型综述对流层改正模型综述GPS原理及其应用原理及其应用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GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 气象元素的测定气象元素的测定GPS原理及其应用原理及其应用气象元素的测定气象元素

20、的测定 水气压水气压es的计算方法的计算方法 由相对湿度由相对湿度RH计算计算 由干温、湿温和气压计算由干温、湿温和气压计算)000256908. 0213166. 02465.37(2sTsTeRHessPwTsTwTweseWTgWTgWTgwTgwTgeTeww)()31068. 11 (4105 . 4)(3)(2)(1)()(02808. 5)16.373(246.1013GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 气象元素的测定气象元素的测定1)16.3731 (1205.26) 116.373(03945. 87321101813. 3)()1 (0187265

21、. 0)() 116.373(19728.18)(wTwTeTgeTgTTgwwwwGPS原理及其应用原理及其应用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GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 对流层模型改正的误差分析对流层模型改正的误差分析GPS原理及其应用原理及其应用5.2 多路径误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用

22、3.7 多路径误差多路径误差GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用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

23、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。GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 多路径误差与多路径效应多路径误差与多路径效应GPS原理及其应用原理及其应用反射波反射波 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zHzHzzHzzHzGAzGAGAOAGAsin42sin2)sin21 (1 (sin)2cos1 (sin)2cos1 (2cos2为：号的相位差反射信号相对于直接信为：号多经过的路径长度反射信号相对于

24、直接信HAOGSSSzz2zGPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 反射波反射波GPS原理及其应用原理及其应用多路径误差多路径误差 受多路径效应影响的情况下的接收信号受多路径效应影响的情况下的接收信号tUtUtUtUtUStUatUatUatUatUtUatUSSStUaStUSrdrdsin)sin(cos)cos(sinsincoscos)cos(sin)sin(cos)cos1 (sinsincoscoscos)cos(cos)cos(cos为：因为接收信号也可表示实际接收信号：反射信号：直接信号：GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 多路径

25、误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用)cos1sin(cos1sincos21)sin()cos()cos21 (sin)cos(cos21 (sincos1sinsincoscos1222222222aaarctgaatgaaaaaaaaaaa得：除以第二式，有将上面两式中的第一式得：）（）（）（有对上面两式求平方和，则有：多路径误差多路径误差GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 多路径误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用多路径误差多路径误差 多路径的数值特性多路径的数值特性 受多个反射信号影响的情况受多个反射信号影响的情况aaaaaaaaaaaaad

26、darcsin;)arccos(0)sincos1)(cos1 (cos)cos1 (sincos)cos1 ()cos1sin(11max2222取得极值时，则，当)cos1sin(11niiiniiiaaarctgGPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 多路径误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用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GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 多路径误差的特点多路径误差的特点GPS原理及其应用原理及其应用应对

27、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GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法易发生多路径的环境易发生多路径的环境GPS原理及其应用原理及其应用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 Esti

28、mating Delay Lock Loop)等等GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法抗多路径效应的天线抗多路径效应的天线GPS原理及其应用原理及其应用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GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法GPS原理及其应用原理及其应用5.3 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

29、位置误差 天线相位中心偏差天线相位中心偏差GPS原理及其应用原理及其应用地球自转改正地球自转改正GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 其他误差改正其他误差改正 地球自转改正地球自转改正GPS原理及其应用原理及其应用GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 其他误差改正其他误差改正 地球自转改正地球自转改正GPS原理及其应用原理及其应用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心接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。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）GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 其他误差改正其他误差改正 接收机的位置误差接收机的位置误差GPS原理及其应用原理及其应用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