武汉大学《GPS测量原理及应用》006

1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPS原理及其应用原理及其应用 ( (六六) )GPS原理及其应用原理及其应用第三章第三章 GPS定位中的误差源定位中的误差源3.4 卫星星历误差卫星星历误差3.5 电离层延迟电离层延迟GPS原理及其应用原理及其应用3.4 卫星星历误差卫星星历误差GPS原理及其应用原理及其应用3. 4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

2、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GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差GPS原理及其应用原理及其应用dbdsb 星历误差对单点定位的影响星历误差对单点定位的影响 星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星卫星与接收机构成的几何图形与接收机构成的几何图形 星

3、历误差对相对定位的影响星历误差对相对定位的影响GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 卫星星历（轨道）误差卫星星历（轨道）误差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 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

4、，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

5、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一2ddfvgrddvvvphphgrphphgrphphdndnnnnfddfGPS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

6、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3242342342223222232222;1.,.1221140.3(),phgrphgrphphphgreegrphgrphccvvnnccc

7、nfffc 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TECTECcfcTTECfTECcfcTTECfdsNTECdsNfdsfcdsdsfcdsdsndsNfdsfcdsdsfcdsdsnionogrphionogriono

8、phphionopheegrionogrionogrephionophionoph;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。 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

9、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

10、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

11、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 经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 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 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），

12、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 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GPS原理及其应用原理及其应用电离层改正的经验模型简介电离层改正的经验模型简介 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

13、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 电离层改正的经验模型简介电离层改正的经验模型简介GPS原理及其应用原理及其应用电离层改正的经验模型简介电离层改正的经

14、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 电离层改正的经验模型简介电离层改正的经验模型简介GPS原理及其应用原理及其应用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球约350km中心电离层电离层穿刺点 IP天顶方向ZGPS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 Klobu

15、char模型模型GPS原理及其应用原理及其应用Klobuchar模型模型 模型算法模型算法930302sec5 10cos(14 );(0,1,2,3)(0,1,2,3)hgiimiiimiiimTZAtPAPiiIP 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ZGPS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 Klobuchar模型模型GPS原理及其应用原理及其应用Klobuchar模型模型 模型算法（续）模型算法（续） 改正效果：可改正

16、改正效果：可改正60左右左右445()4 ,20,cossincos291.078.411.6 cos(291.0 )15secIPIPIPSIPSSmIPIPIPSIPEAelelIPEAaaEAatIPtUTZIP 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：39612 ()90elZ 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 Klobuchar模型模型电离层地球约350km中心电离层电离层穿刺点I P天顶方向Z地心测站SEAGPS原理及其应用原理及其应用电离层延

17、迟的双频改正电离层延迟的双频改正54573. 254573. 13928. 06469. 0154120154120120154213 .40212122222221212221222222112122212222222121222122212122212222112122ionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrVVVVVVfffVfffVffffAffffAffffAfAfAfAfASSLLfAVfATECA故：即：得：则：实际的站星距为星距为上的测距码所测定的站采用，星距为上的测距码所测定的站采用设

18、：，或电离层延迟改正，即有电离层延迟令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 电离层延迟的双频改正电离层延迟的双频改正GPS原理及其应用原理及其应用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 电离层延迟的实测模型改正电离层延迟的实测模型改正GPS原理及其应用原理及其应用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