6.GPS测量误差及其影响.ppt
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1、GPS定位误差及其影响,GPS定位是通过地面接收设备接收卫星传送的信息确定地面点的位置 误差主要来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备 在高精度GPS测量中,地球潮汐及相对论效应等的影响也是导致误差的重要原因。,GPS测量误差的性质,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,GPS测量误差的性质,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,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
2、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,GPS测量误差的来源,GPS测量误差的大小,SPS(无SA),GPS测量误差的大小,SPS(有SA),GPS测量误差的大小,PPS,双频,P/Y-码,消除或消弱各种误差影响的方法,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,消除或消弱各种误差影响的方法,求差法 原理:通过观测值间一定方式的相互
3、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,消除或消弱各种误差影响的方法,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,消除或消弱各种误差影响的方法,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
4、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,与卫星有关的误差,与卫星有关的误差主要包括: 卫星星历误差 卫星钟的误差 地球自转的影响 相对论效应的影响,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) 2030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、,db为基线误差,b为基线长, ds为星历误差,为卫星到测站的距离。 适合短基线相对定位。,解决星历误差的方法 1)建立区域性卫星跟踪网 可提高单点定位精度,使相对长基线定位精度提高。 2)轨道松弛法 在平差模型中,把卫星星历提供的卫星轨道坐标作为初始值,视其改正数为未知数,通过平差求得测站和卫星轨道改正数。 半短弧法将轨道切向、径向、法向的三个改正作为未知数,计算较简单; 短弧法把六个轨道偏差改正数作为未知数,计算量大,精度与半短弧法相当。 3)同步观测值求差(也即相对定位) 在两个或多个测站上对同一颗卫星的同步观测值求差,减弱卫星星历误差的影响。,卫星钟差,定义 物理同步误差 数学同步误差
6、 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为钟速,a2为钟速变化率。 相对定位或差分定位,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,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,相对论效应对卫星钟的影响,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,相对论效应对卫星钟的影响,相对论效
7、应对卫星钟的影响 狭义相对论广义相对论,解决相对论效应对卫星钟影响的方法,制造卫星钟时预先把频率降低。,与信号传播有关的误差,电离层折射误差 对流层折射误差 多路径效应误差,电离层延迟,地球大气结构,地球大气层的结构,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,相速与群速,相速 群速 相速与群速的关系 相折射率与群
8、折射率的关系,相速与群速,电离层折射,电离层折射,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 Total Electron Content):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,2002.5.15 1:00 23:00 2小时间隔全球TEC分布,常用电离层延迟改正方法分类,经验模型改
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- GPS 测量误差 及其 影响
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