1、1,GPS导航应用,2,第6章 GPS的误差源,3,第1节 GPS测量的环节及影响因素,4,GPS测量的环节,单点定位,GPS测量的环节,5,影响GPS测量的因素,与卫星有关的因素卫星轨道误差，卫星钟差，相对论效应与传播途径有关的因素电离层（折射）延迟，对流层（折射）延迟，多路径效应与接收设备有关的因素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,6,第2节 时钟误差,7,时钟特性及其对卫星测距的影响,钟差钟读数与真实系统时间之间的差异，在GPS中有卫星钟差和接收机钟差两类单点定位中卫星钟差的处理方法利用导航电文中的钟差改正模型参数进行改正单点定位中接收机钟差的处理方法作为未知数
2、进行估计,钟差,钟偏,钟速/钟漂,钟的老化率/频漂率,8,第3节 相对论效应,9,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一,10,狭义相对论效应的影响,狭义相对论效应时钟在惯性空间中的运动速度不同所引起的时钟频率差异狭义相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论效应使卫星上钟的频率变慢,11,广义相对论效应的影响,广义相对论效应时钟所处位置的地球引力位不同所引起的时钟频率差异广义相对论效应对GPS卫星钟的影响广义相对论效应使卫星上钟的频率变快,12,相对论效应对卫星钟的综合影响,狭义相对论广义相对论总体上将使得卫星的时
3、钟相对于其在地面时加快,13,应对相对论效应的方法,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：地面调低钟频，入轨后由于相对论效应而大体接近标准频率第二步：改正,14,第5节 卫星星历误差,15,卫星星历误差,定义由星历所给出的卫星在空间中的位置与其实际位置之差。对单点定位的影响主要取决于用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形，但总体上量级与星历误差相当。,16,星历类型,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
4、产的一种高精度的事后星历。,17,不同卫星星历的误差,IGS跟踪站网,18,第6节 大气折射,19,地球大气结构,地球大气层的结构,20,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,21,电离层延迟,22,电离层延迟,总电子含量（TEC Total Electron Content）：底面积为一个单位面积沿信号传播路径贯穿整
5、个电离层的一个柱体内所含的电子总数。,电离层延迟与下列因素有关信号频率信号传播途径上的总电子含量（TEC）,23,电子密度与大气高度的关系,24,电子含量与地方时的关系,夏威夷太阳观测站实测垂直方向总电子含量（VTEC）数据,25,太阳活动情况与电子含量,1700年 1995年太阳黑子数,电子含量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，上一高峰为2001年,26,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VTEC分布,27,电离层延迟的应对（单点定位）,双频改正仅适用于双频接收机Klobuchar模型利用导航电文中的模型
6、参数进行改正,28,对流层延迟,29,对流层（Troposphere）,30,对流层延迟,对流层延迟的一般特性通常分为两部分：流体静力学延迟（干延迟）和湿延迟与信号传播途径上温度、湿度和气压有关与GPS信号的频率无关天顶方向上的延迟约为2.5m,31,对流层延迟的模型改正,简化模型霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型等,卫星高度角,32,第7节 多路径效应,33,多路径误差与多路径效应,多路径（Multipath）误差在GPS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
7、值产生所谓的“多路径误差”。多路径效应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。,34,多路径误差的特点,与测站环境有关测站环境的不同将使得到达接收机天线的反射信号的数量、方向和反射信号的多余路径长度不同与反射体性质有关反射体性质 不同将使得发射信号的强度不同与接收设备的性能有关不同接收天线抑制多路径的性能具有差异不同的信号处理方法抑制多路径的性能具有差异,35,应对多路径误差的方法,观测上选择合适的观测地点，避开易产生多路径的环境,易发生多路径的环境,36,应对多路径误差的方法,硬件上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
8、相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等,抗多路径效应的天线,37,应对多路径误差的方法,数据处理上加权参数法滤波法信号分析法模板法,38,第8节 其他误差,39,其他误差源,引力延迟地球自转改正地球固体潮改正天线相位中心偏差及变化改正相位回旋,40,第9节 误差评估,41,GPS测量误差的大小,SPS,42,GPS测量误差的大小,PPS，双频，P/Y-码,43,第7章 GPS定位模式与系统增强,44,第1节 概述,45,GPS测量定位方法分类,定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位定位时接收机天线的运动状态静态定位天线相对于地固坐
9、标系静止动态定位天线相对于地固坐标系运动,46,GPS测量定位方法分类,获得定位结果的时效事后定位实时定位观测值类型伪距测量载波相位测量,47,第2节 单点定位,48,单点定位的定义,根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法也被称为绝对定位,49,单点定位的特点及应用领域,特点优点：观测简单，实施方便，数据处理简单缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低应用领域低精度导航、资源普查、军事.,50,精密单点定位（PPP）,PPP Precise Point Positioning特点主要观测值为载波相位采用精密的卫星轨道和钟数据采用严密的数学模型
10、定位精度亚分米级用途全球高精度测量卫星定轨,51,第3节 相对定位,52,相对定位的定义及结果,相对定位是确定进行同步观测的接收机之间相对位置（坐标差）的定位方法相对定位的结果被称为基线向量,基线向量,53,相对定位的特点及其应用领域,特点优点：定位精度高缺点：多台接收共同作业，作业复杂数据处理复杂不能直接获取绝对坐标应用领域高精度测量定位及导航,54,第4节 差分定位,55,差分GPS产生的诱因,绝对定位精度不能满足要求GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，完全满足某些特殊应用的要求美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA）,SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化,56,
11、差分GPS的基本原理,误差的空间相关性以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。差分GPS的基本原理利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果,57,差分改正数的类型,距离改正数利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。位置（坐标改正数）改正数基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。,58,位置差分与距离差分,位置差分,距离差分,距离改正,坐标改正,59,位置差分和距离差
12、分的特点,位置差分差分改正计算的数学模型简单差分数据的数据量少基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星距离差分差分改正计算的数学模型较复杂差分数据的数据量较多基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星,60,局域差分与广域差分,61,局域差分,结构基准站（一个或多个）、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）流动站利用基准站所提供的距离改正和距离改正变率计算自身的差分改正数特点优点：结构、模型简单缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低,62,广域差分,结构基准站（多个）、数据通讯链和用户数学模型（差分改正数的计算方法）与局域差分的差异普通差分是考虑的是误差的综合影响
13、广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型用户根据自身的位置，利用差分系统所提供的改正模型对观测值进行改正特点优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大缺点：系统结构复杂、建设费用高,63,第4节 增强系统,64,增强型系统,目的提高GPS定位精度、可靠性、可用性方法提供差分改正信息增加可观测卫星数技术要点差分技术卫星通讯技术网络技术伪卫星技术,65,地基增强系统（GBAS）,特点地基增强系统（GBAS Ground-Based Augmentation System）采用地面通信网络采用地基伪卫星通常用于机场等特殊场合典型系统LAAS（美，Local Area Augmentati
14、on System）,66,地基增强系统（GBAS）,LAAS,67,星基增强型系统,特点空基增强系统（SBAS Satellite-Based Augmentation System）采用空基伪卫星，利通讯卫星发送GPS信号和差分改正数典型系统WAAS（ 美，Wide Area Augmentation System）MSAS（日，Japanese Multi-Functional Satellite Augmentation System） EGNOS （欧，Euro Geostationary Navigation Overlay Service ）GAGAN （印，GPS Aided Geo Augmented Navigation 或 GPS and Geo Augmented Navigation system）,68,星基增强型系统,WAAS,
