《静态GNSS测量技能》课件-04-卫星定位原理及误差

GNSS测量GlobalNavigationSatelliteSystems04--卫星定位原理及误差GNSS定位需解决的两个关键问题如何确定卫星的位置？（已解决）如何测量出站星距离？（已解决）？定位方法的类型根据使用的观测值

伪距测量、载波相位测量根据观测方式

绝对定位、相对定位、差分定位根据测站的运动状态

静态、动态导航电文测距码载波卫星坐标伪距观测值载波相位观测值1、利用测距码测距——伪距观测值——伪随机码测距码：C/A码，P码2、利用载波相位测距——载波相位观测值——载波L1(1575.42MHZ)，L2(1227.60MHZ)，L5(1176.45MHZ)

C/A码伪距，P码伪距L1载波相位，L2载波相位，L5载波相位伪距观测值(理想状况)伪距观测值(钟差的影响)伪距观测值(大气折射的影响)电离层对流层50KM200KM卫星轨道20200KM电离层折射对流层折射伪距观测值综合钟差的影响和大气折射的影响伪距观测值卫星和接收机的真实距离卫星和接收机的钟差电离层折射对流层折射伪距观测值伪距观测值特点：测定的是卫星到接收机之间的距离；同时获得四个伪距观测值即可以确定接收机的实时位置。测距精度较低。载波相位观测值载波相位测距原理接收到信号时刻的载波相位φ(R)ρφ(S)用户到卫星的距离ρ=λ(φ(S)-φ(R))？问题：卫星端载波信号的相位φ(S)不能直接测定。接收到信号时刻，卫星端的载波相位理想情况实际情况Time(1)整周模糊度Time(i)整周模糊度整周计数相位测量值相位测量值接收机的相位观测值包括:一周以内的相位（差）t1至ti时刻的整周计数整周模糊度（未知）载波相位观测值实际观测方法：信号接收时刻，接收机模拟（复制）的卫星端卫星载波信号的相位(

S)与接收机端卫星载波信号的相位(

R)之差，即实际观测值：因此，在任意时刻ti，一个完整的载波相位观测量可以表示成：载波相位伪距测量的特点：优点精度高，测距精度可达0.2mm量级难点整周未知数问题整周跳变问题L1载波L2载波C/A码P-码

ρ=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m卫星发射的载波及伪随机码由于信号量测精度一般优于波长的1/100，所以载波的测量精度远远高于伪随机码。伪随机码测距与载波相位测距比较测距方法测距精度实现的难易程度分辨率

C/A码一般(10~15米)容易

4.5-3米

P码较高(3~5米)较难0.45-0.3米

载波相位非常高(3~50毫米)难

5°~10°利用载波相位观测值来进行导航定位，不仅要处理载波相位观测值中存在的各种误差，而且还要解决整周模糊度和整周跳变问题，数据处理复杂程度要远大于测码伪距观测值。但由于载波相位观测值的精度要高于测码伪距观测值，载波相位观测值仍是高精度定位中主要采用的观测值。绝对定位（单点定位）：一台接收机独立确定待定点在坐标系中的绝对位置。相对定位：两台（或多台）接收机同步观测卫星，确定它们之间的相对位置的方法。差分定位：相对定位增加实时数据通讯伪距单点定位模式（单频接收机）：精密单点定位PPP模式（双/三频接收机）：相对定位：差分定位：静态定位：在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。(这种静止状态是相对的)动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。广泛应用于动态目标的监测，导航。静态定位：动态定位：几点说明：单点定位主要是采用伪距定位；载波相位测量一般都是采用相对定位；单点定位和相对定位均可以动态，也可以静态；由相对定位引申出来了差分定位；与卫星有关的误差与传播途径有关的误差与接收设备有关的误差测量误差处理方法定义：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。卫星星历误差：与卫星有关的误差广播星历由GPS的地面控制部分所确定和提供的，经GPS卫星向全球所有用户公开播发的一种预报星历。精密星历为满足大地测量、地球动力学研究等精密应用领域的需要而研制、生产的一种高精度的事后星历。星历类型：与卫星有关的误差国际GNSS中心(IGS)的部分GPS台站在全球的分布与卫星有关的误差精密星历观测站：与卫星有关的误差卫星星历精度：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，星历起算误差传递给测站坐标，估计为几十到上百米。星历误差对相对定位的影响GPS卫星星历误差对定位的影响：与卫星有关的误差其中|

r|为卫星轨道的误差，r为卫星至测站的相对位置矢量，|

b|为基线矢量的误差，b为两站之间基线矢量。如令GPS点位之间最大距离为10km左右，取r=22000km,轨道的误差为50米，根据上其对基线的最大影响为5mm。可见，用广播星历解算对较长基线结果有显著影响。因而在有条件的情况下，最好还是采用精密星历（精度在0.05米左右）或预报精密星历（精度在0.5米左右），从而可以保证星历误差对于基线解算没有影响。GPS星历误差对相对定位的影响：与卫星有关的误差

钟读数与真实系统时间之间的差异，有卫星钟差和接收机钟差两类。时钟误差：与卫星有关的误差GPS卫星时钟误差：

GPS测量精度与时钟误差密切相关。高精度原子钟（铷钟和铯钟）由地面主控站控制，其钟面时与GPS时偏差仍在1ms以内（300km）。与卫星有关的误差定义 卫星钟时间同步误差应对方法模型改正（钟差改正多项式）

相对定位或差分定位GPS卫星时钟误差：卫星钟差经二阶多项式改正后约为20ns（1ns=0.3m）,约6m，但可满足导航用户的精度需求。与卫星有关的误差狭义相对论效应广义相对论效应相对论效应：与卫星有关的误差狭义相对论1905年提出，运动将使时间、空间和物质的质量发生变化。广义相对论1915年提出，将相对论与引力论进行了统一。相对论效应：与卫星有关的误差相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟差的现象。

狭义相对论观点：一个频率为f0的振荡器安装飞行速度为v的载体上，由于载体的运动，对地面观测者来说将产生频率变化。

广义相对论观点：处于不同等位面的振荡器，其频率将由于引力位不同而发生变化。相对论效应的影响并非常数，经改正后仍有残差，它对GPS时的影响最大可达70ns，对精密定位不可忽略。卫星有关的误差相对论效应：大气结构分布：与传播途径有关的误差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。在卫星测量定位中，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卫星信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质。大气折射效应：与传播途径有关的误差电子密度：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。电子密度与总电子含量：与传播途径有关的误差

电离层对GPS信号影响在天顶方向可达50m，在接近地面则可达150m。

与高度有关与地方时有关与太阳活动有关与季节有关与位置有关影响电子密度因素：与传播途径有关的误差

电子密度时空分布：电离层影响与地理位置、温度和卫星高度角等有关。白天为晚间的5倍，夏季为冬季的4倍。天顶方向最大可达50m，地平方向可达150m。因此仪器要设置卫星高度角。与传播途径有关的误差武汉大学于2016年成为IGS电离层分析中心与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差BDS与GPS电离层改正精度：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建立模型效果：改正效果较好电离层延迟改正方法：与传播途径有关的误差大气结构分布：对流层对卫星信号影响在天顶方向可达2.5m，在高度角为10°时约为20m（中纬度地区）。与传播途径有关的误差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。对流层的非色散效应：与传播途径有关的误差大气折射率N与温度、气压和湿度的关系对流层延迟与大气折射率N大气折射率与气象元素的关系：与传播途径有关的误差ZenithSlant与传播途径有关的误差Hopfield对流层改正模型:Saastamoinen对流层改正模型:Black对流层改正模型：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、空盒气压计自动化的电子仪器气象元素的测定：与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差对流层误差的有效利用（GNSS气象学）：对流层误差的有效利用：与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差对流层误差的有效利用：在卫星测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。多路径误差与多路径效应：与传播途径有关的误差测站周围环境周围反射体性质GNSS接收机天线性能引起多路径效应的因素：与传播途径有关的误差选择合适的测站，避开易产生多路径的环境消弱多路径效应的方法：外业观测与传播途径有关的误差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、极化天线。抗多路径的接收机：窄相关技术等。与传播途径有关的误差消弱多路径效应的方法：观测仪器加权参数法滤波法信号分析法与传播途径有关的误差消弱多路径效应的方法：内业处理多路径效应的有效利用：GNSS-R、GNSS-MR与传播途径有关的误差多路径效应的有效利用：GNSS-MR技术与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差GNSS-MR实时监测潮位变化与传播途径有关的误差GNSS-MR监测降雪厚度GNSS-MR监测地表环境网络与传播途径有关的误差接收机分辨率误差主要是指仪器硬、软件对卫星信号的分辨率误差。依据经验，一般认为接收机分辨率误差约为信号波长的1%。接收机分辨率误差：信号波长观测误差P码29.3m0.3mC/A码293m2.9m载波L119.05cm2.0mm载波L224.45cm2.5mm与接收机有关的误差接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的卫星时之间存在的偏差和漂移。接收机钟差：与接收机有关的误差

接收机钟差：与接收机有关的误差定义 接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。应对方法对中整平采用强制对中装置（高精度GNSS测量）接收机的位置误差：与接收机有关的误差天线相位中心PCV改正：与接收机有关的误差使用相同类型的天线并进行天线定向（相对定位）模型改正天线相位中心PCV改正：与接收机有关的误差GPS其余测量误差：卫星硬件延迟偏差接收机硬件延迟偏差

地球自转

固体潮

海洋潮汐

大气负荷

磁场……测量误差处理方法误差来源误差分类对距离测量的影响/m卫星①卫星星历误差；②卫星钟误差；③相对论效应1.5～15信号传播①电离层折射误差；②对流层折射误差；

③多路径效应1.5～15接收设备①接收机钟误差；②接收机位置误差；③天线相位中心变化1.5～15其他影响①地球潮汐;②负荷潮1.0测量误差的影响量级：测量误差处理方法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–毫米级偶然误差及特点：测量误差处理方法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，最大可达数百米系统误差及特点：测量误差处理方法模型法

求差法

参数法

回避法消弱GPS测量系统误差的方法：测量误差处理方法IGS服务中心：

国际GNSS服务组织（IGS）成立于1993年，是一个得到多国政府机构支持的国际学术性合作与信息服务机构，其数据和分析中心成员均为全球卫星导航领域一流研究机构，包括美国喷气动力实验室JPL、欧洲定轨中心CODE、德国地学研究中心GFZ、欧洲空间局ESA等。20多年来，为卫星导航科技进步发挥了巨大的推动作用。/

测量误差处理方法IGS工作小组测量误差处理方法载波相位引起大地测量变革：相对定位原理顶级私立研究大学，85位诺贝尔奖。MIT研发的开源高精度GNSS数据处理软件Gamit/globk在全球广泛应用。

静态伪距绝对定位，由于受到卫星轨道误差、接收机钟差，以及信号传播误差等多种因素的干扰，其定位精度较低，远不能满足大地测量精密定位的要求。而静态相对定位，由于采用载波相位观测量以及相位观测量的线性组合技术，极大地削弱了上述各类定位误差的影响，其定位相对精度高达10-8～10-9，是目前定位测量中精度最高的一种方法，广泛应用于大地测量、精密工程测量以及地球动力学研究。载波相位用于大地测量：概念：用两台或多台接收机分别安置在基线的两端，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两端的相对位置，该定位模式称为静态相对定位。在实际工作中，通常将接收机数目扩展到3台以上，同时测定若干条基线。这样做不仅提高了工作效率，而且增加了观测量，提高了观测成果的可靠性。静态相对定位的概念：静态相对定位（2台）相对定位作业图：静态相对定位（4台）非差单差双差三差其它线性组合载波相位观测量的组合：相对定位原理站间差分–

同步观测值在接收机间求差，可消除卫星钟差。星间差分–

同步观测值在卫星间求差，可消除接收机钟差。历元间差分–同步观测值在历元间求差，可消除整周未知数。差分观测值类型相对定位原理（1）消除了卫星钟误差的影响。（2）大大削弱了卫星星历误差的影响。（3）大大削弱了小区域内大气折射的影响。相对定位原理测站间求单差的优点：测站间求差减弱星历误差影响：利用在两个或多个观测站上，对同一卫星的同步观测值求差，以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差，对不同观测站同步观测量的影响具有系统性质，所以通过上述求差的方法，可以明显地减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其有效性甚为明显。这种方法，对精密相对定位具有极其重要的意义。结果表明：在测站间求差后星历误差对测距的影响只有原来的1/1000。相对定位原理

对测站间或卫星间或历元间求过一次差后的虚拟观测方程，仍可再次求差，获得双差模型。由于求差与先后顺序无关，因此，观测量之间的双差模型仍可有如下3种构成方法：(1)在测站间求单差，卫星间求双差。(2)在卫星间求单差，历元间求双差。(3)在历元间求单差，测站间求双差。相对定位原理双差观测值：

在建立载波相位观测量之间的双差模型后，还可进一步建立观测量之间的三差模型。由于求差与求差(相减)次序无关，所以建立三差模型只有一种方法，即在测站、卫星和观测历元之间求三次差。相对定位原理三差观测模型：

三差法相对定位的优点在于它可以在方程中消掉整周未知数，因此对于相对定位来说是很有用的。由于三差法对不同观测历元的观测量求差，当卫星位置变化很小时，导致方程对卫星误差过于敏感，又造成此方法不能在几个历元内解出精度合格的结果。如卫星运行20秒（约78公里），即使卫星误差只有10cm，对解算的影响也达到几厘米，因此三差法主要用于获取初值。相对定位原理三差观测模型：动态定位（测量）：是利用卫星信号，测定相对于地球运动的用户天线的状态参数，这些状态参数包括三维坐标、三维速度和时间七个参数。导航：是测得运动载体的状态参数，并导引运动载体准确地运动到预定的后续位置。动态定位应用动态定位的概念：导航–探险、车辆、船舶、航空器等。监控–车辆、船舶、航空器等。制导–武器制导、自动驾驶等。定轨–卫星、火箭、航天器等。姿态–卫星、航天器、航空器等。测量–数字测图、放样、监测等……动态定位应用GPS动态定位的应用领域：车辆导航与测量航空导航与测量卫星侦察与测绘舰船导航与测绘高精度动态定位和导航动态定位应用动态定位的应用领域：动态定位应用动态定位的应用领域：动态定位应用动态定位的应用领域：动态定位应用动态定位的应用领域：

动态相对定位的作业方法实际上是用两台接收机，将一台接收机安置在坐标已知的基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的位置实现的，这种定位方法也叫差分。动态相对定位与差分动态相对定位原理：动态相对定位与差分动态相对定位工作原理：动态相对定位分为以测距码伪距为观测量的动态相对定位和以载波相位伪距为观测量的动态相对定位。动态相对定位与差分动态相对定位工作原理：差分（DGPS–DifferentialGPS）利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法。RTCM相对定位改正格式动态相对定位与差分差分原理：

测距码差分GPS能以米级精度实时给出运动载体的位置，满足诸多导航用户的要求，但是测距码由于自身结构及精度限制，很难达到更高的精度。载波相位的静态相对定位精度极高，但模糊度求解需较长时间，且数据需后处理限制了其应用范围。

由于快速逼近模糊度技术的出现，模糊度可以被迅速确定，而差分GPS的出现，使利用载波相位差分实时求解载体的位置成为可能，这一具有快速高精度定位功能的载波相位差分测量技术，通常简称为RTK技术（RealTimekinematic）。载波相位差分技术的出现：载波相位差分原理RTK系统组成：载波相位差分原理

RTK测量系统中，至少包含二台接收机，分别安置在基准站和用户站上。基准站应设在测区内地势较高，视野开阔，且坐标已知的点上。作业期间，基准站的接收机应将观测数据通过数据传输系统，实时地发送给用户站。当基准站为多用户服务时，应采用双频接收机，且其采样率应与用户站接收机采样率最高的相一致。RTK系统组成（GPS接收机设备）：载波相位差分原理数据传输系统（或简称数据链），由基准站的发射台与用户站的接收台组成，它是实现实时动态测量的关键设备。数据传输由调制解调器和无线电台组成。数据传输设备，要充分保证传输数据的可靠性，其频率和功率的选择主要决定于用户站与基准站间的距离，环境质量，数据的传输速度。RTK系统组成（数据传输）：载波相位差分原理软件系统的质量与功能，对于保障实时动态测