GPS第4章 GPS定位的基本观测量及误差分析(4+2学时)

返回卫星定位技术与应用黄张裕

河海大学测绘科学与工程系*Chapter4GPS定位的基本观测量

及误差分析1GPS定位的基本观测量2GPS测量的误差来源和影响3GPS接收机使用3个球面相交成一个点3个距离可以确定纬度、经度、高程因此，点的空间位置被确定S1S2S3点位测定ρ=c.Δt接收机坐标（Xk、Yk、Zk）（Receivercoordinates）

卫星坐标（Xj、Yj、Zj）（satellitecoordinates）一、GPS定位基本原理:HowDoesGPSWork?Selectandacquirethebestgroupofsatellites1Measurerangestothesatellites23Addknowndatatorangemeasurementse.g.tropospheric,ionospheric,ephemerisNAVDATA,RTCM,etc.4Calculateyourposition二、GPS卫星工作原理三、GPS定位的基本观测值码相位观测伪距载波相位观测伪距卫星ri是已知值Pij是测量值Rj是未知值对于某颗卫星：码相位观测伪距载波相位观测值C/A码：码元宽293m，精度2.9mP码：码元宽29.3m，精度0.29mL1载波：波长19cm，精度0.19cmL2载波：波长24cm，精度0.24cm原始观测量载波相位观测值优点：观测值精度高，用于精密定位存在问题整周不确定（模糊度解算）整周跳变现象§4-1GPS定位的基本观测量GPS定位的基本观测值：码相位观测伪距载波相位观测伪距卫星MeasureRangestothesatellitescontdRangeisactuallyPSEUDORANGEbecauseofuserclockbias.0500Zfromsatellite0500Zfromuser1receivermeasuretimedifferencebetweensamepartofcode0500Zfromuser2receiverSignalreceived2将伪码发生器产生的与卫星信号结构完全相同的码经过延时器延时同本机复制码进行相关处理，得到卫星信号延迟传播时间Δt，从而获得伪距：ρ=c.Δt。一、码相位伪距测量受钟差（卫星钟、接收机钟）、大气延迟（电离层、对流层）等影响。基准信号：f0=10.23MHZC/A码：f1=0.1f0=1.023MHZ，码元宽=293.1mP码：f2=f0=10.23MHZ，码元宽=29.3m1、基本信息：2、测量原理：ρ=c.Δt3、测量精度（取码元宽1%~10%）C/A码：2.93~29.3mP码：0.29~2.93m测距码距离测定的基本思路C/A码（测距时有模糊度）P码微弱信号的捕获利用测距码测距的必要条件：必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点：采用的是CDMA（码分多址）技术易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度便于对系统进行控制和管理（如AS）二、载波相位测量载波：GPS的载波是L波段的微波，具有良好的穿透大气的能力，从卫星的发射天线发出后沿直线传播到达地球表面，发射信号强度为26.8dBw，接收最低信号强度为-160dBw。常规GPS接收机可以进行正常接收的最弱信号为-160dBw，而经过稠密介质时信号强度大为衰减，例如在室内，GPS信号强度会衰减为-188dBw（比-160dBw约弱1000倍），因而常规GPS接收机在室内因信号太弱而不能进行定位，在这种弱信号环境下，特殊的GPS接收机仍然可以工作，例如：IndoorGPS。载波的作用：作为传输工具，把搭载于其上的测距码和导航电文从卫星传播到地面，对于测量型接收机，载波又同时用作为测量信号，接收机对接收到的载波进行相位测量，获得高精度的载波相位观测值，从而实现厘米乃至毫米级的高精度基线测量。（1）基本信息：（2）测量原理：ρ=λ.Δφ基准信号：f0=10.23MHZL1载波：f1=154f0=1575.42MHZ，λ1=19.03cmL2载波：f2=120f0=1227.60MHZ，λ2=24.42cm1、载波相位测量基础载波相位观测值：小数部分精确可知整周（整数）不知ti时刻的相位差：整周模糊度整周不确定（模糊度）Ambiguity鉴相器载波相位观测值：小数部分精确可知整周（整数）不知整周模糊度tk时刻的相位差：计数器鉴相器---发生信号失锁，产生周跳现象整周不确定（模糊度）AmbiguityL1载波：1.9mmL2载波：2.4mm（3）测量精度：（取波长1%）（4）要解决的问题：载波重建技术整周未知数解算周跳判断、修复周跳问题：在跟踪卫星过程中，由于信号被障碍物挡住而暂时中断或受无线电信号干扰而造成信号失锁，发生周跳现象。2、重建载波技术载波调制了电文之后变成了非连续的波伪距测量与载波相位测量重建载波：将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。（1）码相关法卫星信号的生成接收机重建载波1）基本原理：将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。2）特点：需要了解码的结构可获得导航电文可获得全波长的载波信号质量好（信噪比高）（2）载波平方法1）基本原理：将接收的卫星信号（弱）通过自乘，去掉调制码，获得载波信号以进行载波相位测量。2）特点：不需要获取伪随机码结构，就能获得载波信号，也可以进行双频观测。必须用其他方法获得卫星星历，并进行作业时间对比，使接收机相互同步。没有进行码相关处理，信噪比较低。（3）载波互相关法1）基本原理：在L1信号通道中引进时延，使L1和L2信号进行互相关处理，在L1和L2信号之间达到最大相关时，记录时延值以求得观测值。2）特点：不需要获取伪随机码结构，就能获得载波相位观测值。可以得到L1和L2信号的伪距差。延时后L1和L2信号相关，信噪比要比平方法略高一些。（4）码相关平方法1）基本原理：在已有P码的基础上，将L2信号上的Y码信号和机内生成的P码相关，使频带变窄，然后再通过平方求解。2）特点：当美国执行AS技术时，可以通过已知P码结构，获得P码伪距。增益比平方法、互相关法要高，信噪比仍然比码相关法要低。（5）z跟踪技术法1）基本原理：将机内产生的伪随机P码分别与L1、L2信号进行相关处理，获得载波频率变低、频带宽度变窄且带有保密码ω的信号，然后将通过低通滤波的信号进行处理，利用保密码的估值来达到削弱保密码影响的目的。2）特点：采用P码相关技术，信噪比较高，高于码相关法。可以获得P1、P2码伪距值。可以获得全波长的L1、L2载波相位观测值。三、GPS观测值形式1、C/A码伪距（L1）2、P码伪距（L1、L2）3、载波相位（L1、L2）4、多普勒频移（L1、L2）多普勒频移：由于卫星和接收机之间的相对运动，接收到的载波频率发生变化。多普勒频移反映了卫星和接收机的相对运动速度，卫星的速度是已知的，再利用多普勒频移观测值可以求得接收机的瞬时运动速度。四、数据格式：1、本机格式定义：–接收机存储数据的格式

存储方式–二进制

内容–观测值、广播星历、电离层信息、气象元素

特点–不同厂家的接收机具有不同的本机格式–与接收机配套的数据处理软件（随机软件/商用软件）

–一般可以直接读取自身本机格式的数据，而不能读取其它厂家的本机格式的数据2、RINEX格式

定义–与接收机无关的数据交换格式

存储方式–ASCII

内容–观测值、星历（导航信息）、气象数据

特点–通用性强，已成为事实上的标准–利于多种型号的接收机联合作业–大多数软件能够处理---------RINEX格式（统一格式）：ReceiverIndependentExchangeFormat

RINEX文件的命名规则:–命名规则：8+3文件名–例：wh022931.02O，wh022293.02NRINEX观测值文件的内容:RINEX格式：ReceiverIndependentExchangeFormat

RINEX格式：ReceiverIndependentExchangeFormat

质量标记：0－观测数据正常1－相邻两历元之间停电2－开始天线移动3－新点重新开始观测4－下面出现新的头信息5－其他外部事件6－出现周跳指示接收机钟差：历元＝给出历元－钟差伪距＝测得伪距－钟差×光速相位＝测得相位－钟差×频率信噪比G--GPSR--GLONASST--TRANSITM--MIXEDRINEX星历文件的内容:RINEX格式：ReceiverIndependentExchangeFormat

RINEX气象数据文件的内容:3、SP3格式

定义–一种精密星历格式，IGS精密星历采用此格式

存储方式–ASCII

内容–精密星历（每隔15分钟给出1个卫星的位置，有时还给出卫星的速度）

特点–提供精密星历SP3格式命名规则：–命名规则：8+3文件名–例：igs11065.sp3，igs11065.sp3SP3格式内容：4、天线高和天线的相位中心（1）天线高

定义–标志至平均相位中心所在平面的垂直距离量取方法–斜高或到某一平面的直高

天线高的改化–手工改化（见右图）–自动改化

需提供天线类型及量高方法（2）天线的相位中心

问题–天线相位中心的偏差–天线相位中心的变化（PhaseCenterVariations-PCV）

解决天线相位中心偏差和变化的方法–天线定向–模型改正

天线相位中心偏差和变化的测定

PCV的定义

相位中心偏差及变化的模型改正–IGS_01.PCV–PCV的应用§4-2GPS测量的误差来源和影响与GPS卫星有关的误差与信号传播有关的误差观测误差和接收设备误差GPS观测误差来源卫星钟差卫星轨道误差相对论效应电离层对流层多路经效应测站点选择和安置（相位中心）GPS接收机钟差载波相位整周未知数误差来源对距离测量影响（m）卫星部分星历误差、钟误差、相对论效应1.5～15信号传播电离层、对流层、多路径效应1.5～15信号接收钟的误差、位置误差、天线相位中心变化1.5～5其它影响地球潮汐、负荷潮1.0卫星轨道误差卫星相位中心误差电离层误差对流层误差多路径误差天线相位中心误差接收机钟差误差GPS绝对定位中的误差卫星轨道误差电离层误差对流层误差多路径误差GPS相对定位中的误差一、与GPS卫星有关的误差1、卫星钟差：卫星时钟频率不稳定偏差、漂移和漂移速率：总量可达1ms钟差为1ms---等效距离为300km氢原子钟铯原子钟通过钟差改正后可达到：偏差≤20ns（nano，10-9）

---等效距离为6m卫星钟残差部分通过观测值差分技术来消除广播星历：短基线相对定位，对距离不太远的两个测站定位影响大致相同（同步观测求差）。精密星历：长基线、高精度定位，通过在：wuhn(武汉)、bjfs(北京)、shao(上海)、xian(西安)、lhas(拉萨2)、kumn(昆明)、urum(乌鲁木齐2)、chan（长春）、xinzu（新竹2）、twtf（桃园）基准站跟踪监测解算精密星历，或通过有偿服务提供，或通过相关网站下载事后精密星历。2、卫星星历误差：卫星位置误差（卫星轨道误差）3、地球自转影响：采用WGS-84协议地球坐标系旋转角度影响：Δα=n.Δtn---地球自转的速度

Δt--地球自转引起的时间延迟引起的卫星位置变化：对高精度定位需要考虑影响4、相对论效应影响：（1）相对论:由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对误差的现象。（2）相对论效应影响：狭义相对论：处在不同运动速度的载体上（在卫星上时钟变慢），产生频率偏移广义相对论：处在不同等位面（引力位不同），产生引力偏移总偏移：结论：卫星钟比地面钟快，差值为0.45ns/s（nano，10-9）（3）相对论残差：受地球运动、卫星轨道高度变化、地球重力场变化影响，卫星钟偏差也有微小变化。对于高精度定位，结论：相对论残差对卫星钟影响可达0.01ns/s（nano，10-9）二、与信号传播有关的误差1、大气结构：（1）对流层0~40km（2）平流层40~70km（3）电离层70~10万km电离层70km以上平流层对流层地球自然体地球大气结构2、电离层折射的影响电离层含有较高密度的电子，当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。（1）群速度（多种频率）与相速度（单一频率）的关系电磁场理论（折射率）：推导得：电子密度电磁波频率电子密度相折射率群折射率大气物理学理论结论：电离层折射率变化与大气中的电子密度、电磁波频率有关；大气中的相折射率和群折射率是不同的；GPS载波为单一频率，伪随机码为多种频率（波）的叠加。推导得：电子密度电磁波频率电子密度相折射率群折射率电子总量（2）路径延迟δρ、相位延迟δφ、时间延迟δt延迟影响因素：与传播路径上的电子总量有关、与传播到GPS天线的方位有关。对于相折射率：GPS载波测量对于群折射率：GPS码伪距测量不同方向上的电子总数电离层中的电子密度是变化的，与太阳黑子活动状况、地球上地理位置不同、季节变化和不同时间有关。不同方向上的电子总数：水平方向比天顶方向延迟最大可达3倍水平方向延迟可达150m，天顶方向延迟可达50m电离层活动高峰期影响情况电离层活动高峰期电离层活动直接取决于太阳黑子的数量，周期为11年。较小的全球平均值并不是表示没有电离层扰动。电离层活动出现与太阳周期有关。电离层电子密度（3）解决方法利用电离层模型改正：减少75%的影响利用双频接收机减少延迟：下面介绍利用两个观测站同步观测求差改正：传播路径相似（4）双频接收机减少延迟方法伪距改正：载波相位改正：（5）常用的电离层改正模型1）本特（Bent）模型由美国的R.B.Bent提出，描述电子密度，是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数。2）国际参考电离层（IRI–InternationalReferenceIonosphere）模型由国际无线电科学联盟（URSI–InternationalUnionofRadioScience）和空间研究委员会（COSPAR–CommitteeonSpaceResearch）提出，描述高度为50km~2000km的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等，以地点、时间、日期等为参数。3）克罗布歇（Klobuchar）模型由美国的J.A.Klobuchar提出，描述电离层的时延，广泛地用于GPS导航定位中，在GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用。3、对流层折射的影响对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低，GPS信号通过对流层时，使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差。电磁波在对流层中的传播速度与频率无关，与大气折射率有关，也与电磁波传播方向有关。对流层大气折射率与大气压力、温度和密度有关，通常分成两部分讨论：干分量、湿分量（2）距离影响的干分量和湿分量（3）方向影响的干分量和湿分量（1）折射率的干分量和湿分量折射率的干分量与大气温度和压力有关，湿分量与大气温度和湿度有关（4）解决方法利用对流层模型改正，能校正达90~95%利用两个观测站同步观测求差改正（5）常用的对流层改正模型2）萨斯塔莫宁（Sastamoinen）模型：3）勃兰克（Black）模型：1）霍普菲尔德（Hopfield）模型：4、多路径影响:Multi-pathconception（1）多路径效应：由于接收机周围高大建筑物或水面对电磁波产生的反射作用而引起的定位误差。其中金属材料、水面等反射较强。Multi

pathDirectSignalReflectedSignal多路径效应影响SV8SV8SV8SV8（2）减小多路径效应的方法天线安置尽量避开强反射物（如水面、平坦光滑地面、平整的建筑物等）选用防多路径效应的天线（如扼流圈天线等）现象：多路径效应对GPS定位的影响可以达到分米级三、观测误差和接收设备误差1、观测误差（1）与观测分辨率有关（如P码、C/A码、L1载波、L2载波的分辨率不同）（2）与天线安置精度有关（如天线对中误差、天线整平误差、天线高量取误差等）2、接收机钟差：采用石英晶体振荡器石英晶体振荡器，稳定度为：10~50μs（micro，10-6）温补电路晶体振荡器，稳定度为：0.5~1μs（micro，10-6）恒温晶体振荡器，稳定度为：0.5~1ns（nano，10-9）3、接收机钟差解决方法：4、天线相位中心位置偏差：天线相位中心的瞬时位置与几何中心的偏差（对中、整平、指北向）（1）单点定位：钟差作为未知数在观测方程中求解（2）载波相位定位：对观测值求差有效地消除接收机钟差（3）高精度定位：使用外接频标，为接收机提供高精度时间标准§4-3GPS接收机使用说明一、AshtechZ12型精密GPS接收机1、AshtechZ12型精密GPS天线单/双频精密微带天线双频扼流圈环状接收天线2、AshtechZ12型精密GPS接收机使用（1）（1）GPS接收机前面：2、AshtechZ12型精密GPS接收机使用（2）（2）GPS接收机后面：2、AshtechZ12型精密GPS接收机使用（3）（3）GPS接收机显示/编辑菜单和操作1）显示：display↑﹤2s，在同一级菜单中滚动；↑﹥2s，显示返回上一级菜单；↓﹤2s，把显示模式改为编辑模式；↓﹥2s，显示进入下一级菜单；同时按↓↑﹤2s，没有动作；同时按↓↑﹥2s，没有动作；2、AshtechZ12型精密GPS接收机使用（4）（3）GPS接收机显示/编辑菜单和操作2）编辑：edit↑﹤2s，选择合适的内容向上滚动；↑﹥2s，快速向上；↓﹤2s，选择合适的内容向下滚动；↓﹥2s，快速向下；同时按↓↑﹤2s，接受该参数；同时按↓↑﹥2s，消除该参数；2、AshtechZ12型精密GPS接收机使用（5）VER:***S/N:***OPTIONS:**BAT:**min电池容量选项存储卡容量MEM:**%仪器号接收机版本CNT:***SITE:***ANTHT:***STATUS状态天线高测站号LAT:***LON:***ALT:***PDOP:**几何因子大地高实际利用的卫星数#USED:**经度纬度格林尼治平太阳时RECINT:***MODE模式高度截止角采样间隔KINEMATIC实时动态动态静态ELEVMASK:***RTKBASESTATICSTOPSESSION设置新时段删除开始时段设置停止时段LISTSESSIONSSTARTSESSIONNEWSESSIONDELETEALL故障报警语言确定本目录设置的参数清除内部存储，回归缺省值MEMORYRESETBAUDRATELANGUAGEBEEP:ON/OFFSAVE波特率列表显示记录时段SYSINFOSURVEY:STATICSURVCONFSESSIONSSETTINGS系统信息测量模式:静态测量时的参数时段参数设置

3、AshtechZ12型精密GPS接收机实验要求（1）观测仪器：采用2台美国AshtechZ12型GPS双频接收机进行观测，其标称精度为5mm+1ppm×D，配备有可抑制多路径效应的扼流圈天线。（2）作业模式：采用静态相对定位模式。（3）观测前的准备工作：利用AshtechGPS随机软件(Winprism软件&Solution软件)，编制测区卫星可见性预报表、卫星出现的方位等，合理选择最佳观测时段。（4）观测要求：卫星高度切割角15°，有效观测卫星个数4，采样间隔为20s，时段观测时间90min，PDOP4。二、ThalesZ-MAX型精密GPS接收机1、ThalesZ-MAX型精密GPS天线单/双频精密微带天线2、ThalesZ-MAX型精密GPS接收机使用（1）Z-MAX状态显示卫星/电源LED数据记录LED通讯LEDRTK状态LED绿色=RTK固定解橙色=RTK浮点解红色=无RTK2、ThalesZ-MAX型精密GPS接收机使用（2）MAX-TracGPS双频天线GSM手机通讯天线兰牙天线LED指示灯八字符LED显示窗下翻页按键回车键上翻页按键取消键电源开关键数据存储/下载空间2、ThalesZ-MAX型精密GPS接收机使用（3）SysInfo（系统信息）Survey：mode（测量模式）Survconf（测量配置）Session（时段）Settings（设置）Comoptn(端口属性)RcvrVersionVER：****(接收机版本)RcvrS/N*****接收机序列号Option：****（选配项）BAT：**min（电池电量）MEM：***%(内存容量)Survey：Static(测量：静态)ANTH：**.****m（天线高）SITE：****(站点号：)STATUS(状态)Survey：Static(测量：静态)ELEVMASK**°(截止高度角)RECINT：***.*s（记录间隔：秒）MODE：********（模式）StopSession（停止时段）ListSession（时段列表）StartSession（开始时段）NewSession（新时段）DeleteAll（删除时段）MemoryReset（内存复位）ResettofactoryDefault(恢复出厂设置)BaudRate（波特率）Language：（语言）Beep：On（蜂鸣器：打开）Save（记盘）Thalesradoi(泰雷兹电台)GSMbase(GSM基站)GSMROVR(GSM流动站)PDL(PDL电台)2、ThalesZ-MAX型精密GPS接收机使用（4）SysInfo（系统信息）Survey：mode（测量模式）Survconf（测量配置）Session（时段）Settings（设置）Comoptn(端口属性)RcvrVersionVER：****(接收机版本)RcvrS/N*****接收机序列号Option：****（选配项）BAT：**min（电池电量）MEM：***%(内存容量)Survey：Kinematic(测量：动态)SITE：****（站点号：）ANTH：**.****m（天线高）ANTRA：*.****(天线盘半径)BASEPOS(基准站坐标)STATUS(状态)Survey：Kinematic(测量：动态)EPOCHCOUNTER：***（历元计数）MINSV：*(最少卫星数)RECINT：***.*s（记录间隔：秒）ELEVMASK**°(截止高度角)MODE：********（模式）StopSession（停止时段）ListSession（时段列表）StartSession（开始时段）NewSession（新时段）DeleteAll（删除时段）MemoryReset（内存复位）ResettofactoryDefault(恢复出厂设置)BaudRate（波特率）Language：（语言）Beep：On（蜂鸣器：打开）Save（记盘）PDL(PDL电台)PORT:D(电台端口)PWROFF/ON(开通状态)PROGRAM(确认)FRQ:0.00000(灵敏度