卫星定位系统第六ppt课件

1、第六章第六章GPS系统偏向和误差分析系统偏向和误差分析GPS系统的定位误差直接影响着GES用于导航、定时和定位的精度，只需深化地了解产生这些误差和偏向的缘由，才干设计合理的GPS接纳机硬件和软件系统。本章将对GPS系统的误差源作系统、详细的分析。6.1 偏向和误差分析普通来讲，在GPS定位中，影响丈量的偏向可分为三类:与GPS卫星有关的偏向；与观测有关的偏向；与观测站有关的偏向。1与卫星有关的偏向主要是GPS卫星轨道描画和卫星钟模型的偏向。卫星轨道参数和钟模型是由GPS卫星广播的导航电文给出的，但实践上卫星并不确切位置于广播电文所预告的位置。卫星钟，即使用广播的钟模型校正，也并非完全与GPS系

2、统时间同步。这些偏向在卫星之间是不相关的，它们对码伪距丈量和载波相位丈量的影响一样，而且这些偏向与地面跟踪台站的位置和数目，描画卫星轨道的模型以及卫星在空间的几何构造有关。2)与观测有关的偏向包括与卫星信号传输途径和观测方法有关的偏向，如电离层和对流层延迟，载波相位周期模糊度等。3)与观测站有关的偏向主要是接纳机钟偏向和测站坐标不确定性引起的偏向，后一种偏向是针对非定位运用，如GPS时间传输和卫星轨道跟踪。在非定位运用情况下，接纳机位置，假设是完全知的或有某种确定性，实际上后者更适宜，由于地面站的位置不能够完全知，因此，通常都是把位置作为非定位参数待估计的。很明显，要想准确地预测轨道，地面站的

3、位置就应该更准确，例如，要获得卫星位置3m的精度，相应的地面站坐标必需到达0.510-6的精度，两个测站坐标的不确定性将导致3m的时间传输误差。在GPS导航运用中，用户处于运动形状，接纳机钟偏向是作为待估计参数之一解算的，用户位置的偏向是丈量的不确定性。 偏向通常与某些变量如时间、位置和温度等有函数关系，因此偏向的影响可以用对偏向源建模的方法消除或至少可以抑制。除了偏向之外，GPS自导航定位和定时的精度还与观测误差和卫星星座几何布置有关。卫星星座几何布置的影响用精度衰减因子DOP描画。误差反映了丈量本身和对偏向源建模后所产生残差的影响，因此，误差包括残差偏向、周期滑动、多途径影响、天线相位中心

4、挪动和随机的观测误差。由各种误差源产生的误差有相当复杂的频谱特性和其他特征，部分误差源之间能够还是相关的，这使得问题的分析更加复杂化。因此，为简单起见，我们在今后的分析中通常以为误差源是非相关的，并用它们各自的规范方差来描画其特性。在上面的讨论中，我们严厉区分偏向(Biases)和误差(Errors)，这主要是为了从概念上可以了解影响GPS精度的诸要素，从方法上为消除这些要素指出一种方向。在下面的讨论中，假设没有特殊的必要，将不再区分偏向和误差。上述误差的细节及其影响参见表下表。6.2 用户等效间隔误差上述讨论的各种偏向和误差最终都要反映在用户的丈量结果上。因此，在许多实践运用中，人们往往把各

5、种偏向投影到间隔上来进展分析，一切这些投影偏向的和称为间隔偏向，如图6-1所示。在消除这些偏向之前，所丈量到的间隔称为有偏间隔，也就是我们常说的伪距。图6-1中参数的意义如下：d一一卫星轨道偏向的等效间隔;cdt一一卫星钟偏向的等效间隔;ji，Ig (t)一一电离层延迟的等效间隔;ji，T(t)一一对流层延迟的等效间隔;cdT一一接纳机钟偏向的等效间隔; N-载波相位周期模糊度的等效间隔。下面给出主要的偏向源引起的最大间隔误差:dp:正常2Om SA翻开50150m；dt:300000m(运用广播电文校正降到1Om)；ji，Ig (t)：正常变化25Om,异常可达150m(在程度位组置)，50

6、m(在天顶位置)；ji，T(t) ：220m(在程度位置上10度仰角；cdT:10-1m(取决于接纳机频率源的类型；N:恣意的。此处，多途径误差0.23m；接纳机噪声0.13m。6.3 卫星的主要误差6.3.1 卫星时钟的误差GPS丈量定位本质上是一个测时-测距定位系统，所以，GPS丈量定位精度与时钟误差亲密相关。为此，GPS丈量均以GPS时间系统为一致规范，该时间系统由GPS地面监控系统确定和坚持。为了保证卫星时钟的高精度，各GPS卫星均安装高精度的原子钟，但它们与GPS规范时之间仍存在有偏向和偏移。其偏向总量在10.1ms以内，由此引起的等效间隔误差将达30030km。因此，必需予以准确修

7、正。经过以上钟差矫正后，各卫星钟时与GPS规范时之间的差别(同步误差)可坚持在20m以内。由此引起的等效间隔误差将不超越6m。但在美国实施SA技术后，卫星钟误差又引入了人为的信号随机抖动的误差。这在单点绝对定位中是无法消除的，只需采用相对定位或差分定位才干予以消除。6.3.2卫星星历误差 GPS卫星导航电文中的广播星历是一种外推的预告星历。由于卫星在实践运转中受多种摄动力的复杂影响，故预告星历必然有误差，普通估计由星历计算的卫星位置的误差为2040m。随着摄动力模型和定轨技术的改良，任务卫星的位置精度能够提高到510 m。但这种改良后的星历仅提供应美国军方和特许用户运用。在美国实施SA技术后，

8、所能获得的广播星历将具有更大误差。GPS丈量定位是以卫星位置作为知的基准值，来确定待定点的位置，因此，广播星历的误差严重地影响定位精度。如图6-2所示，轨道偏向将直接传给用户等价间隔误差。卫星坐标误差引起的间隔误差约等于卫星各坐标误差的平均值。如各坐标均方误差为20-40m，就会引起定位间隔误差2040m，因此，单点绝对定位精度受星历误差的严重影响。另外，星历误差是一种系统性误差，不能够经过多次反复观测来消除。所以，研讨消除星历误差的影响是GPS运用的一个重要课题。 目前，运用GPS卫星广播电文提供的轨道信息，轨道偏向典型的是20m,偶尔也会到达80m。当SA翻开时，轨道偏向能够到达50100

9、m。在未来的运转跟踪网OTN实现后，广播电文民供的轨道精度可到达510m。 在许多动态定位运用和导航中，普通以为卫星电文给出的参数精度已足够，因此不思索轨道误差。 在实践运用中，人们往往是根据对导航和定位精度的要求思索能否建立轨道偏向模型。通常有3种思索: 1)以为卫星电文误差表现为几何偏向，如电文给出的轨道孤相对真轨道平移、旋转，在这种情况下，可以估计短弧或长弧执道上的1-6个轨道偏向参数，如在大地丈量等运用中。 2)假设卫星动力学模型，即使用动力学模型和6个初始条件确定精细的卫星轨道运动。 3)假设“自在轨道，在每个观测时辰，估计独立的轨道偏向。 在相对定位中，差分方法(在后面的章节引见)

10、可以消除或大大减少轨道偏向的影响。这是至今所用的、能逃避费事的轨道模型的较好方法。当然，运用差分观测估计轨道偏向需求轨道偏向的某些信息坚持在差分观测中，这意味着GPS网扩展到更大的区域比在小区域更适宜。6.4 信号传播中的主要误差信号传播的主要误差有：电离层延迟误差对流层延迟误差多途径效应误差6.4.1 电离层延迟误差的特性电离层是高度位于501000km之间的大气层。由于太阳的强辐射，电离层中的部分气体分子将被电离而构成大量的自在电子和正离子。当电磁波信号穿过电离层时，传播速度和传播途径都会发生变化，所以信号传播时间乘以真空中的传播速度就不等于信号的实践传播间隔，从而引起测距误差，此误差称之

11、为电离层延迟误差。6.4.2 对流层延迟误差及矫正对流层是高度为40km以下的大气层。由于其离地面近，所以大气密度较电离层的密度大，且大气形状随地面的气候变化而变化。当电磁波经过对流层时，传播速度将发生变化，从而引起传播延迟。当天顶方向的对流层延迟约为2.3m，而仰角为10度时，传播延迟将增大到约13m。6.4.3 多途径效应误差 在实践的GPS丈量中，接纳机天线除接纳直接来自卫星方向的信号外，还接纳到其他物体反射回来的信号，因此，接纳的信号是直射波和反射波产生干涉后的混合信号。由于直接波和各反射波途径不同，从而使信号延迟，产生丈量误差，称为多途径效应误差。 多途径主要由接纳机附近的反射外表引

12、起，如高大建筑物、军舰高层构造、飞机、航天飞机或其他空间飞行器的外外表等，如图6-7所示。在图6-7中，卫星信号经过3个不同的途径到达接纳机天线，其中一个直接到达，两个间接到达。因此，接纳机天线所收到的信号有相对相位偏移，而且这些相位差与途径长度成正比例。由于反射信号的途径几何外形是恣意的，多途径作用没有通用的模型。 但是，多途径的影响可以经过L1 ，L2码和载波相位丈量差进展估计，其原理是基于如下现实：对流层，钟误差和相对论作用以一样的量影响码和载波相位丈量，电离层和多途径作用是频率相关的。因此，一旦得到与电离层无关的码伪距和载波相位(如用电离层模型)，并对它们进展差分处置，除多途径外，前面

13、所述的一切影响可以消除，余下的主要是多途径影响。 由于多途径影响主要与接纳机附近反射物的几何外形有关，也因这种几何外形在几天甚至更长时间是不变的，所以多途径特性具有周期性(大约1d)，又由于卫星每天提早4min出现，多途径的周期性也有4min的提早。多途径的每日反复特性实际上可以用来估计它的主要影响，但目前这方面的研讨报告并不多见。假设不对多途径影响进展校正，它能够会成为接纳机的主要误差源当然其量值取决于环境、天线设计和观测时间的长短。 从图6-7也可以看到，假设把接纳机天线直接放在反射外表，而不是用三角架，也能消除两个间接途径的影响。但是，垂直反射外表仍影响定位结果。因此，应把接纳机天线尽能

14、够放在远离反射外表的位置。 仅从几何特性上分析，很明显从低仰角卫星上收到的信号更易受多途径干扰，因此，选择卫星时应尽能够保证卫星仰角在10度20度之上。当设计接纳机天线时，应使低仰角信号有低的增益。 也应该留意到码伪距受多途径影响比载波相位更严重，在独立的单一丈量时辰，多途径对码伪距影响可达1020m，在极坏的情况下甚至会出现卫星信号失锁。但在载波相位丈量时，假设有好的卫星几何特性(DOP小)和长时间的观测，对短基线的相对定位，多途径产生的误差常小于1cm。但即使在这种情况下，接纳机天线高度的变化也会添加多途径影响并使丈量结果变差。当把GPS接纳机安装在航天飞机等空间飞行器上时为了得到高精度的

15、导航定位和定轨结果，除了从接纳机硬件方面思索外，还可在实验室环境下，对天线能够遭到的多途径影响进展分析和仿真，并用固化在接纳机中的软件进展消除。6.5与接纳设备有关的误差 6.5.1观测误差 与用户接纳设备有关的误差主要包括观测误差、接纳机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不确定性影响。 这类误差，除观测的分辨误差之外，尚包括接纳机天线相对测站点的安顿误差。根据阅历，普通以为观测的分辨误差约为信号波长的1%。由此，对GPS码信号和载波信号的观测精度，将如表6-3所示。观测误差属随机误差，适当地添加观丈量，将会明显地减弱其影响。6.5.2接纳机的钟差 GPS接纳机普通设有高精度的石英钟，

16、其日频率稳定度约为10-11。假设接纳机钟与卫星钟之间的同步差为11S，那么由此引起的等效间隔误差约为300m。处置接纳机钟差比较有效的方法，是在每个观测站上引人一个钟差参数作为未知数，在数据处置中与观测站的位置参数一并求解。这时，如假设在每一观测瞬间，钟差都是独立的，那么处置较为简单。所以，这一方法广泛地运用于实时动态绝对定位。在静态绝对定位中，也可像卫星钟那样，将接纳机钟差表示为多项式的方式，并在观丈量的平差计算中，求解多项式的系数。不过，这将涉及在构成钟差模型时，对钟差特性所作假设的正确性。当定位精度要求较高时，可以采用高精度的外接频标(即时间规范)，如伽原子钟或銫原子钟，以提高接纳机时

17、间规范的精度。在精细相对定位中，还可以利用观测值求差的方法，有效地减弱接纳机钟差的影响。6.5.3载波相位观测的整周未知数 前已指出，载波相位观测法，是当前普遍采用的最精细的观测方法，它可以准确地测定卫星至观测站的间隔(见表6-3)。但是，由于接纳机只能测定载波相位非整周的小数部分，以及从某一同始历元至观测历元间载波相位变化的整周数，而无法直接测定载波相位相应该起始历元在传播途径上变化的整周数，因此，在测相伪距观测值中，存在整周未知数的影响。这是载波相位观测法的主要缺陷。另外，载波相位观测，除了存在上述整周未知数之外，在观测过程中还能够发生整周变跳问题。在用户接纳机收到卫星信号并进展实时跟踪(

18、锁定)后，载波信号的整周数便可由接纳机自动计数。但是在中途，假设卫星的信号被阻挠或遭到干扰，那么接纳机的跟踪便能够中断(失锁)。 而在卫星信号被重新锁定后，被测载波相位的小数部分，将仍和未发生中断的情形一样，是延续的，可这时整周数却不再是延续的。这种情况称为整周变跳或周跳。周跳景象在载波相位丈量中是经常发生的，它对间隔观测的影响和整周未知数的影响类似，在精细定位的数据处置中，都是一个非常重要的问题。6.5.4天线的相位中心位置偏向 在GPS定位中，无论是测码伪距或测相伪距，观测值都是以接纳机天线的相位中心位置为准的，而天线的相位中心与其几何中心在实际上应坚持一致。可是，实践上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置(普通称视相