1、Chapter 4 GPS 定位的基本观测量及误差分析1 GPS 定位的基本观测量2 GPS 测量的误差来源和影响3 GPS 接收机使用距离测定基本原理XllVlXl llll lllVVVllVlllXlX距离 = 传播时间 x 波速点 位 测 定S1S2S33 个球面相交成一个点3 个距离可以确定纬度、经度、高程因此，点 的 空 间 位 置 被 确 定一、GPS 定位基本原理 : = c. t接收机坐标 （ Xk、 Yk、 Zk）（Receiver coordinates ） 卫星坐标 （ Xj、 Yj、 Zj）（satellite coordinates） 222 )()()( jkjk
2、jk zyx tropionTtc)(0二、GPS 卫星工作原理How Does GPS Work?Select and acquire the best group of satellites1Measure ranges to the satellites23Add known data to range measurementse.g. tropospheric, ionospheric, ephemerisNAVDATA, RTCM, etc.4 Calculate your position三、GPS 定位的基本观测值码相位观测伪距载波相位观测伪距卫星ri 是已知值Pij 是测量值R
3、 j 是未知值对于某颗卫星：4-1 GPS 定位的基本观测量码相位观测伪距载波相位观测值C/A码：码元宽 293m，精度 2.9mP码：码元宽 29 . 3m，精度 0. 29mL1载波：波长 19cm，精度 0. 19cmL2载波：波长 24cm，精度 0. 24cm原始观测量载波相位观测值优点：观测值精度高，用于精密定位存在问题 整周不确定（模糊度解算）整周跳变现象GPS 定位的基本观测值：码相位观测伪距载波相位观测伪距卫星一、码相位伪距测量将伪码发生器产生的与卫星信号结构完全相同的码经过延时器延时同本机复制码进行相关处理，得到卫星信号延迟传播时间 t，从而获得伪距：=c. t 。 受钟差
4、（卫星钟、接收机钟） 、大气延迟（电离层、对流层）等影响。 1、基本信息：基准信号： F =10.23MHZ C/A 码： f1 = 0.1F=1.023MHZ，码元宽 =293.1mP 码： f2= F=10.23MHZ ，码元宽 =29.3m2、测量原理： =c. t3、测量精度（取码元宽 1%10%）C/A 码： 2.9329.3mP 码： 0.292.93m 测距码距离测定的基本思路dtTutRT)(1相 关 系 数 ：利用测距码测距的必要条件：必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点：采用的是CDMA（码分多址）技术易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度便于对系统进行控制和管理（如
5、AS）二、载波相位测量载 波：GPS 的载波是 L 波段的微波，具有良好的穿透大气的能力，从卫星的发射天线发出后沿直线传播到达地球表面，发射信号强度为 26.8dBw，接收最低信号强度为-160dBw。常规 GPS 接收机可以进行正常接收的最弱信号为-160dBw ，而经过稠密介质时信号强度大为衰减，例如在室内，GPS 信号强度会衰减为-188dBw（比 -160dBw 约弱 1000 倍） ，因而常规 GPS 接收机在室内因信号太弱而不能进行定位，在这种弱信号环境下，特殊的 GPS接收机仍然可以工作，例如：Indoor GPS。载波的作用：作为传输工具，把搭载于其上的测距码和导航电文从卫星传
6、播到地面，对于测量型接收机，载波又同时用作为测量信号，接收机对接收到的载波进行相位测量，获得高精度的载波相位观测值，从而实现厘米乃至毫米级的高精度基线测量。1、载波相位测量基础（1）基本信息：基准信号： F =10.23MHZ L1 载波： f1 = 154F=1575.42MHZ， 1=19.03cmL2 载波： f2= 120F=1227.60MHZ ， 2=24.42cm（2）测量原理： =.整周不确定（模糊度）Ambiguity载波相位观测值：小数部分精确可知整周（整数）不知t i 时刻的相位差： )(2)(0iijiji tNtt 整周不确定（模糊度）Ambiguity载波相位观测值
7、：小数部分精确可知整周（整数）不知t k时刻的相位差： )(2)int(20 kkjk tN 周跳问题：在跟踪卫星过程中，由于信号被障碍物挡住而暂时中断或受无线电信号干扰而造成信号失锁，发生周跳现象。（3）测量精度： （取波长 1%）L1 载波： 1.9mmL2 载波： 2.4mm（4）要解决的问题： 载波重建技术 整周未知数解算 周跳判断、修复2、重建载波技术重建载波：将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了电文之后变成了非连续的波 伪距测量与载波相位测量（1）码相关法1）基本原理：将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。卫星信号的生成接收机重建载波2）特点： 需
8、要了解码的结构 可获得导航电文 可获得全波长的载波 信号质量好（信噪比高）（2）载波平方法1）基本原理：将接收的卫星信号（弱）通过自乘，去掉调制码，获得载波信号以进行载波相位测量。2）特点： 不需要获取伪随机码结构，就能获得载波信号，也可以进行双频观测。必须用其他方法获得卫星星历，并进行作业时间对比，使接收机相互同步。 没有进行码相关处理，信噪比较低。（3）载波互相关法1）基本原理：在 L1 信号通道中引进时延，使 L1 和 L2 信号进行互相关处理，在 L1 和 L2信号之间达到最大相关时，记录时延值以求得观测值。2）特点： 不需要获取伪随机码结构，就能获得载波相位观测值。 可以得到 L1
9、和 L2 信号的伪距差。 延时后 L1 和 L2 信号相关，信噪比要比平方法略高一些。（4）码相关平方法1）基本原理：在已有 P 码的基础上，将 L2 信号上的 Y 码信号和机内生成的 P 码相关，使频带变窄，然后再通过平方求解。2）特点： 当美国执行 AS 技术时，可以通过已知 P 码结构，获得 P 码伪距。 增益比平方法、互相关法要高，信噪比仍然比码相关法要低。（5）z 跟踪技术法1）基本原理：将机内产生的伪随机 P 码分别与 L1、 L2 信号进行相关处理，获得载波频率变低、频带宽度变窄且带有保密码 的信号，然后将通过低通滤波的信号进行处理，利用保密码的估值来达到削弱保密码影响的目的。2
10、）特点： 采用 P 码相关技术，信噪比较高，高于码相关法。 可以获得 P1、P2 码伪距值。 可以获得全波长的 L1、 L2 载波相位观测值。三、GPS 观测值形式1、C/A 码伪距（L1）2、P 码伪距（L1、L2）3、载波相位（L1、L2）4、多普勒频移（L1、L2）多普勒频移：由于卫星和接收机之间的相对运动，接收到的载波频率发生变化。多普勒频移反映了卫星和接收机的相对运动速度，卫星的速度是已知的，再利用多普勒频移观测值可以求得接收机的瞬时运动速度。-RINEX 格式（统一格式）：Receiver Independent Exchange Format 4-2 GPS 测量的误差来源和影响
11、与GPS卫星有关的误差与信号传播有关的误差观测误差和接收设备误差GPS观测误差来源卫星钟差卫星轨道误差相对论效应电离层对流层多路经效应测站点选择和安置（相位中心）GPS接收机钟差载波相位整周未知数误差来源 对距离测量影响（m）卫星部分 星历误差、钟误差、相对论效应 1.515信号传播 电离层、对流层、多路径效应 1.515信号接收 钟的误差、位置误差、天线相位中心变化 1.5 5其它影响 地球潮汐、负荷潮 1.0GPS 绝对定位中的误差GPS 相对定位中的误差一、与 GPS 卫星有关的误差1、卫星钟差：卫星时钟频率不稳定偏差、漂移和漂移速率：总量可达 1 ms钟差为 1 ms-等效距离为 30
12、0 km通过钟差改正后可达到：偏差20 ns （ nano， 10-9） -等效距离为 6m卫星钟残差部分通过观测值差分技术来消除2、卫星星历误差：卫星位置误差（卫星轨道误差） 广播星历：短基线相对定位，对距离不太远的两个测站定位影响大致相同（同步观测求差）。 精密星历：长基线、高精度定位，通过在：wuhn( 武汉 )、bjfs(北京)、shao(上海)、xian(西安)、lhas(拉萨 2)、kumn(昆明)、urum( 乌鲁木齐 2)、chan（长春） 、xinzu （新竹2） 、twtf （桃园）基准站跟踪监测解算精密星历，或通过有偿服务提供，或通过相关网站下载事后精密星历。3、地球自转
13、影响：采用 WGS-84 协议地球坐标系旋转角度影响： = n. t n-地球自转的速度 t-地球自转引起的时间延迟引起的卫星位置变化：对高精度定位需要考虑影响4、相对论效应影响：2000)()(tatast 0XXYYZZ（1）相对论:由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对误差的现象。 （2）相对论效应影响：狭义相对论：处在不同运动速度的载体上（在卫星上时钟变慢） ，产生频率偏移021)(ffsmRacgs广义相对论：处在不同等位面（引力位不同） ，产生引力偏移 02)(2ffsmmRacgas 0221 )1(2 ffff smmRacgas 总偏移：结论：卫
14、星钟比地面钟快，差值为 0.45 ns /s（ nano， 10-9）（3）相对论残差：受地球运动、卫星轨道高度变化、地球重力场变化影响，卫星钟偏差也有微小变化。 ssEenasst ssst eco1102143. i.对于高精度定位，结论：相对论残差对卫星钟影响可达0.01ns/s（nano，10-9）二、与信号传播有关的误差1、大气结构：（1）对流层040km（2）平流层4070km（3）电离层7010 万 km地球大气结构电离层 70km以上平流层对流层地球自然体地球自然体2、电离层折射的影响电离层含有较高密度的电子，当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化
15、。 结论：电离层折射率变化与大气中的电子密度、电磁波频率有关大气中的相折射率和群折射率是不同的GPS载波为单一频率，伪随机码为多种频率（波）的叠加（1）群速度（多种频率）与相速度（单一频率）的关系 fnpgvpnv电磁场理论（折射率）： 28.401fNegfpn推导得：电子密度电磁波频率电子密度相折射率群折射率电子总量（2）路径延迟、相位延迟、时间延迟t延迟影响因素：与传播路径上的电子总量有关、与传播到GPS 天线的方位有关。22710346.8.)1(fNcfp fs fppptdn对于相折射率：GPS载波测量 227.18.40fNgfgt对于群折射率：GPS伪距测量不同方向上的电子总数
16、电离层中的电子密度是变化的，与太阳黑子活动状况、地球上地理位置不同、季节变化和不同时间有关。不同方向上的电子总数：水平方向比天顶方向延迟最大可达 3 倍水平方向延迟可达 150m，天顶方向延迟可达 50m电离层活动高峰期影响情况电离层活动高峰期 电离层活动直接取决于太阳黑子的数量，周期为 11 年。 较小的全球平均值并不是表示没有电离层扰动。 电离层活动出现与太阳周期有关。电离层电子密度（3）解决方法 利用电离层模型改正：减少 75%的影响 利用双频接收机减少延迟：下面介绍 利用两个观测站同步观测求差改正：传播路径相似（4）双频接收机减少延迟方法伪距改正： 218.401fN 28.402fN
17、01122正 确 值 ： 21121f令 ： （ ） 21f有 ：21011.547f因 此 有 ： （ ）载波相位改正： 111cf 222cf:ft而 1120.5473.83因 此 有 ： （ ） 2121(ff故 有 ： （ ） ） 2 1211 2f f而 ： ， 有 ： 1 12 221()ffft有 ：（5）常用的电离层改正模型1） 本特（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。2）国际参考电离层（IRI International Reference Ionosphere ）模型由国际无线电科学联盟（URSI In
18、ternational Union of Radio Science）和空间研究委员会（COSPAR Committee on Space Research）提出，描述高度为 50km2000km 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。3）克罗布歇（Klobuchar ）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，在 GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用。3、对流层折射的影响对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低，GPS信号通过对流层时，使传播的路径发生弯曲，从
19、而使测量距离产生偏差。电磁波在对流层中的传播速度与频率无关，与大气折射率有关，也与电磁波传播方向有关。对流层大气折射率与大气压力、温度和密度有关，通常分成两部分讨论：干分量、湿分量（1）折射率的干分量和湿分量折射率的干分量与大气温度和压力有关，湿分量与大气温度和湿度有关 205173.6kkTewPdn wdnn0（2）距离影响的干分量和湿分量（3）方向影响的干分量和湿分量（4）解决方法 利用对流层模型改正，能校正达 9095% 利用两个观测站同步观测求差改正（5）常用的对流层改正模型 212212 )5.sin()5.6sin( EKEKs wdwdaeTPEsss2tn)0.15(in02
20、7. )()1(cos)()1(cos 2020 EbrhlKbrhlKs swwsdd2）萨斯塔莫宁（Sastamoinen）模型 ：3）勃兰克（Black ）模型： 1）霍普菲尔德（Hopfield）模型：4、多路径影响:Multi-path conception （1）多路径效应：由于接收机周围高大建筑物或水面对电磁波产生的反射作用而引起的定位误差。其中金属材料、水面等反射较强。wTewdPdHskk205146.7sin/wdp（2）减小多路径效应的方法 天线安置尽量避开强反射物（如水面、平坦光滑地面、平整的建筑物等） 选用防多路径效应的天线（如扼流圈天线等） 现象：多路径效应对 GP
21、S 定位的影响可以达到分米级三、观测误差和接收设备误差1、观测误差（1）与观测分辨率有关（如 P 码、C/A 码、L1 载波、L2 载波的分辨率不同）（2）与天线安置精度有关（如天线对中误差、天线整平误差、天线高量取误差等）2、接收机钟差：采用石英晶体振荡器 石英晶体振荡器，稳定度为： 1050 s（ micro， 10-6） 温补电路晶体振荡器，稳定度为： 0.51 s（ micro， 10-6） 恒温晶体振荡器，稳定度为： 0.51 ns（ nano， 10-9）3、接收机钟差解决方法：（1）单点定位：钟差作为未知数在观测方程中求解（2）载波相位定位：对观测值求差有效地消除接收机钟差（3）高精度定位：使用外接频标，为接收机提供高精度时间标准4、天线相位中心位置偏差：天线相位中心的瞬时位置与几何中心的偏差（对中、整平、指北向）4-3 GPS 接收机使用说明
