《高速铁路工程测量》课件-第五章 GNSS定位误差

第五章GNSS定位误差5.1概述5.2卫星相关误差5.3

传播路径相关误差5.1概述与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应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钟差接收机内部噪声一、GPS测量误差的来源1、偶然误差内容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其它外部某些具有随机特征的影响特点随机量级小–

毫米级二、GPS测量误差的性质二、GPS测量误差的性质2、系统误差（偏差-Bias）内容其它具有某种系统性特征的误差特点具有某种系统性特征量级大–

最大可达数百米三、GPS测量误差的大小①SPS（无SA）SPS（有SA）三、GPS测量误差的大小①四、消除或消弱各种误差影响的方法1、模型改正法原理：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所针对的误差源相对论效应电离层延迟对流层延迟卫星钟差限制：有些误差难以模型化2、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关性。所针对的误差源电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差…限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱四、消除或消弱各种误差影响的方法3、参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计四、消除或消弱各种误差影响的方法4、回避法原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。所针对的误差源电磁波干扰多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性四、消除或消弱各种误差影响的方法5.2卫星相关误差一、卫星钟差定义 物理同步误差 数学同步误差应对方法模型改正 钟差改正多项式

其中a0为ts时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，a2为老化率。相对定位或差分定位二、接收机钟差定义

GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。应对方法作为未知数处理相对定位或差分定位三、相对论效应1、狭义相对论和广义相对论狭义相对论1905运动将使时间、空间和物质的质量发生变化广义相对论1915将相对论与引力论进行了统一2、相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论原理：时间膨胀。钟的频率与其运动速度有关。对GPS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慢广义相对论原理：钟的频率与其所处的重力位有关对GPS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2、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＋广义相对论令：2、相对论效应对卫星钟的影响3、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圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。第一步：第二步：课本上为：因为：四、卫星星历（轨道）误差定义 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。广播星历（预报星历）的精度

(无SA)

20～30米

(有SA)

100米精密星历（后处理星历）的精度 可达1厘米应对方法精密定轨(后处理)相对定位或差分定位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接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形星历误差对相对定位的影响5.3

传播路径相关误差一、电离层延迟1、地球大气结构地球大气层的结构2、大气折射效应大气折射信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称大气延迟。在GPS测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。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同非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质3、相速与群速相速群速相速与群速的关系相折射率与群折射率的关系4、电离层折射5、电子密度与总电子含量电子密度与总电子含量电子密度：单位体积中所包含的电子数。总电子含量（TEC–TotalElectronContent）：底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。电子密度与大气高度的关系电子含量与地方时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，太阳活动剧烈时，电子含量增加太阳活动周期约为11年1700年–1995年太阳黑子数电子含量与地理位置的关系2002.5.151:00–23:002小时间隔全球TEC分布6、常用电离层延迟改正方法分类经验模型改正方法：根据以往观测结果所建立的模型改正效果：差双频改正方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量效果：改正效果最好实测模型改正方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好电离层改正的经验模型简介

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国际参考电离层模型（IRI–InternationalReferenceIonosphere）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、日期等为参数电离层改正的经验模型简介②Klobuchar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GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用Klobuchar模型①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>电离层延迟>Klobuchar模型Klobuchar模型②模型算法电离层地球约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>电离层延迟>Klobuchar模型Klobuchar模型③模型算法（续）改正效果：可改正60％左右GPS测量定位的误差源>电离层延迟>Klobuchar模型电离层延迟的双频改正GPS测量定位的误差源>电离层延迟>电离层延迟的双频改正电离层延迟的实测模型改正①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所得到的电离层延迟量建立局部或全球的的TEC实测模型类型局部模型适用于局部区域全球模型适用于全球区域GPS测量定位的误差源>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②局部（区域性）的实测模型改正方法适用范围：局部地区的电离层延迟改正GPS测量定位的误差源>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③全球（大范围）的实测模型改正方法适用范围：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GPS测量定位的误差源>电离层延迟>电离层延迟的实测模型改正3.6对流层延迟GPS测量定位的误差源>对流层延迟对流层（Troposphere）GPS测量定位的误差源>对流层延迟>对流层对流层延迟GPS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结论对于GPS卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应GPS测量定位的误差源>对流层延迟>对流层的色散效应大气折射率N与气象元素的关系大气折射率N与温度、气压和湿度的关系Smith和Weintranb，1954对流层延迟与大气折射率NGPS测量定位的误差源>对流层延迟>大气折射率N与气象元素的关系霍普菲尔德（Hopfield）改正模型①出发点导出折射率与高度的关系沿高度进行积分，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GPS测量定位的误差源>对流层延迟>霍普菲尔德（Hopfield）改正模型霍普菲尔德（Hopfield）改正模型②对流层折射模型GPS测量定位的误差源>对流层延迟>霍普菲尔德（Hopfield）改正模型霍普菲尔德（Hopfield）改正模型③投影函数的修正GPS测量定位的误差源>对流层延迟>霍普菲尔德（Hopfield）改正模型萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型①原始模型GPS测量定位的误差源>对流层延迟>萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型②拟合后的公式GPS测量定位的误差源>对流层延迟>萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型勃兰克（Black）改正模型GPS测量定位的误差源>对流层延迟>勃兰克（Black）改正模型对流层改正模型综述不同模型所算出的高度角30以上方向的延迟差异不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型与Hopfield模型的差异要大于Black模型与Hopfield模型的差异GPS测量定位的误差源>对流层延迟>对流层改正模型综述气象元素的测定①气象元素干温、湿温、气压干温、相对湿度、气压测定方法普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计自动化