第四部分GPS的误差源及系统增强
Download
Report
Transcript 第四部分GPS的误差源及系统增强
GPS导航应用
1
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
第6章 GPS的误差源
2
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
第1节 GPS测量的环节及影
响因素
3
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
GPS测量的环节
单点定位
GPS测量的环节
4
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
5
第2节 时钟误差
6
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
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
t a0 a1 t t0 a2 t t0
2
钟差
钟的老化率/频漂率
钟偏
钟速/钟漂
• 单点定位中接收机钟差的处理方法
– 作为未知数进行估计
7
第3节 相对论效应
8
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
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
9
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
10
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
11
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钟相对于其在地面时加
快
12
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
在地面上调低将要搭载到卫星上去的钟的频率，调低后的频率为
10.23MHz (1 4.4491010 ) 10.2299999954
5MHz
– 第二步：改正
在时刻t时，在卫星钟读数上加上改正数tr ,
tr (t ) F e A sin E (t )
2 1 2
10
12
F
4.442807633
10
s
m
c2
13
第5节 卫星星历误差
14
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
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。
15
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、生产的一种高精度的事后
星历。
16
不同卫星星历的误差
IGS跟踪站网
17
第6节 大气折射
18
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
地球大气结构
在卫星导航定位中，
将这一部分大气对
信号的影响称为电
离层延迟
在卫星导航定位中，
将这一部分大气对
信号的影响统称为
对流层延迟
地球大气层的结构
19
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
20
电离层延迟
21
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
电离层延迟
• 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）
电 离层
TEC
柱 体底 面积 为1m
地球
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个
电离层的一个柱体内所含的电子总数。
22
2
电子密度与大气高度的关系
23
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
24
太阳活动情况与电子含量
• 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
1700年 – 1995年太阳黑子数
25
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
26
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参数进行改正
27
对流层延迟
28
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
对流层（Troposphere）
在卫星导航定位中，
将这一部分大气对
信号的影响称为电
离层延迟
在卫星导航定位中，
将这一部分大气对
信号的影响统称为
对流层延迟
29
对流层延迟
•
对流层延迟的一般特性
–
通常分为两部分：
1. 流体静力学延迟（干延迟）和
2. 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
30
对流层延迟的模型改正
• 简化模型
对流层延迟 2.47 / sin E
卫星高度角
• 霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁
（Saastamoinen）模型等
31
第7节 多路径效应
32
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
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。
33
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
34
应对多路径误差的方法①
• 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
35
应对多路径误差的方法②
• 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：窄相关技术MEDLL(Multipath
Estimating Delay Lock Loop)等
36
抗多路径效应的天线
应对多路径误差的方法③
• 数据处理上
–
–
–
–
–
–
加权
参数法
滤波法
信号分析法
模板法
…
37
第8节 其他误差
38
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
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
…
上述影响通常仅在高精度
的测量应用才需考虑。
39
第9节 误差评估
40
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
GPS测量误差的大小①
• SPS
误差来源
1-sigma 误差，单位 m
偏差
随机误差
总误差
星历数据
2 .1
0.0
2.1
卫星钟
2.0
0.7
2.1
电离层
4.0
0.5
4.0
对流层
0.5
0.5
0.7
多路径
1.0
1.0
1.4
接收机观测
0.5
0.2
0.5
用户等效距离误差(UERE), rms
5.1
1.4
5.3
滤波后的 UERE，rms
5.1
0.4
5.1
1-sigma 垂直误差–VDOP = 2.5
12.8
1-sigma 水平误差–HDOP = 2.0
10.2
41
GPS测量误差的大小②
• PPS，双频，P/Y-码
误差来源
1-sigma 误差，单位 m
偏差
随机误差
总误差
星历数据
2 .1
0.0
2.1
卫星钟
2.0
0.7
2.1
电离层
1.0
0.7
1.2
对流层
0.5
0.5
0.7
多路径
1.0
1.0
1.4
接收机观测
0.5
0.2
0.5
用户等效距离误差(UERE), rms
3.3
1.5
3.6
滤波后的 UERE，rms
3.3
0.4
3.3
1-sigma 垂直误差–VDOP = 2.5
8.3
1-sigma 水平误差–HDOP = 2.0
6.6
42
第7章 GPS定位模式
与
系统增强
43
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
第1节 概述
44
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
GPS测量定位方法分类①
• 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－天线相对于地固坐标系静止
– 动态定位－天线相对于地固坐标系运动
45
GPS测量定位方法分类②
• 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
46
第2节 单点定位
47
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
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
48
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...
49
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
• 定位精度
– 亚分米级
• 用途
– 全球高精度测量
– 卫星定轨
50
第3节 相对定位
51
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
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
52
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
53
第4节 差分定位
54
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
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
55
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
56
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。
57
位置差分与距离差分
坐
标
改
正
位置差分
距
离
改
正
距离差分
58
位置差分和距离差分的特点
• 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
59
局域差分与广域差分
60
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
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
dV
t
dt
dV
V为距离改正数； 为距离改正数 的变率。
dt
V (ti t ) V (ti )
• 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
61
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
• 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
62
第4节 增强系统
63
© 2009~2012. 黄劲松，武汉大学测绘学院.
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
64
地基增强系统（GBAS）①
• 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 Augmentation System）
65
地基增强系统（GBAS）②
LAAS
66
星基增强型系统①
• 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）
67
星基增强型系统②
WAAS
68