1、1 2004， 武汉大学 测绘学院 卫星应用研究所 黄劲松GPS原理及应用原理及应用GPS原理及应用课程内容第1讲GPS概况第2讲GPS测量定位误差源第3讲GPS测量定位原理第4讲GPS网的布设第5讲GPS数据处理第6讲GPS测高第7讲GPS应用课程内容 2004， 武汉大学 测绘学院 卫星应用研究所 黄劲松第第1讲讲 GPS概况概况GPS原理及应用1. GPS的组成GPS的组成GPS原理及应用什么是全球定位系统全球定位系统GPS 的英文全称 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System（导航星测时与测距全球
2、定位系统），简称GPS ，有时也被称作NAVSTAR GPS。 Wooden 1985年所给出的定义 NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。GPS的组成 什么是全球定位系统GPS原理及应用GPS概要建立国家美国目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间 1973年完全建成时间 1995年GPS的组成 GPS概要2GPS原理及应用GPS概述系统构成空间部分、地面控制部分、用户部分服务方式通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理距
3、离交会测距原理被动式电磁波测距特点全球覆盖、全天候、不间断、精度高GPS的组成 全球定位系统 GPS概述GPS原理及应用全球定位系统简史 1957年10月4日 第一颗人造卫星Sputnik I （苏）发射成功。 1958年12月开始设计NNSS(Navy Navigation Satellite System) TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。 1973年12月，美国国防部（DOD Department of Defense）批准研制GPS。 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 1989年2月14日，第1颗GPS工
4、作卫星发射成功。 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。GPS的组成 全球定位系统简史GPS原理及应用全球定位系统简史 1993年，国际性的GPS民间组织IGS International GPS Service for Geodymics成立。 1995年7月17日，GPS达到FOC 完全运行能力（Full Operational Capability）。 1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。 1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转(EOW)问题。 2000年1月1日，Y2K问题。 2000年5月1日，美国总统克林顿
5、宣布，GPS停止实施SA 一种人为降低GPS导航定位精度的措施。（实际停止实施SA是5月2日）GPS的组成 全球定位系统简史GPS原理及应用GPS的系统组成空间部分地面监控部分用户部分GPSGPSGPSGPS的组成 GPS的系统组成GPS原理及应用GPS的空间部分 GPS的空间部分的组成 GPS卫星星座GPS的组成 GPS的空间部分GPS原理及应用GPS的空间部分 GPS卫星星座设计星座 21(工作卫星)+3(活动的备用卫星) 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）保证在24小时，在高度角15
6、以上，能够同时观测到4至8颗卫星当前星座：28颗GPS的组成 GPS的空间部分3GPS原理及应用GPS的空间部分GPS的组成 GPS的空间部分GPS原理及应用GPS的空间部分 GPS卫星的地面轨迹GPS的组成 GPS的空间部分GPS原理及应用GPS的空间部分 GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置GPS的组成 GPS的空间部分GPS原理及应用 GPS卫星（续）类型试验
7、卫星：Block 工作卫星：Block Block ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力 Block A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜 Block R （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯 Block F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率GPS的空间部分GPS的组成 GPS的空间部分GPS原理及应用GPS的空间部分Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR不同类型的GPS卫星GPS的
8、组成 GPS的空间部分GPS原理及应用GPS的空间部分当前的卫星状态GPS的组成 GPS的空间部分SUBJ: GPS STATUS 26 MAR 20041. SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A. BLOCK I : NONE B. BLOCK II: PRNS 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15PLANE : SLOT F4, B5, C2, D4, B4, C1, C4, A3, A1, E3, D2, F3, F1, D5CLOCK : CS, CS, C
9、S, RB, CS, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, CSBLOCK II: PRNS 16, 17, 18, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31PLANE : SLOT B1, D6, E4, E1, D3, E2, D1, A2, F2, A4, B3, F5, B2, C3CLOCK : RB, RB, RB, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, RB, RB, RB4GPS原理及应用GPS的地面监控部分 地面监控部分 （Ground Segment）组成主控站：1个监测站：5个
10、注入站：3个通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站GPS的组成 GPS的地面监控部分GPS原理及应用主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋GPS的地面监控部分地面监控部分 （Ground Segment）（续）分布GPS的组成 GPS的地面监控部分GPS原理及应用GPS的地面监控部分地面监控部分 （Ground Segment）（续）作用主控站管理、协调地面监控系统各部分的工作编算广播星历 轨道参数、卫星钟改正数等调整卫星状态调度卫星监测站对卫星进行跟踪观测记录气象数据将数据传送到主控站注入站向卫星注入导航电文和指令等通讯与辅助系统负责各部分间的通讯及数据传送GPS的组成 GPS的地面监控部
11、分GPS原理及应用GPS的用户部分组成用户接收设备接收设备 GPS信号接收机其它仪器设备GPS的组成 GPS的用户部分 GPS原理及应用GPS的用户部分 GPS信号接收机组成天线单元带前置放大器接收天线接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源天线单元接收单元GPS的组成 GPS的用户部分 GPS原理及应用GPS的用户部分 天线单元类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线单极天线微带天线空间螺旋天线四丝螺旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线GPS的组成 GPS的用户部分 5GPS原理及应用GPS的用户部分天线单元（续）特点单极天线单频获双频（双极结构）、需要
12、较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称背腔平面盘旋天线GPS的组成 GPS的用户部分 GPS原理及应用GPS的用户部分天线单元天线特性相位中心、增益方式、带宽、极化相位中心平均相位中心与几何中心相位中心的偏移相位中心偏移的消除：归心改正、消去法天线高标志至平均相位中心所在平面的垂直距离L2的平均相位中心12L1的平均相位中心sincos=rYYrXX平均相位中心几何中心平均相位中心
13、几何中心r1r2HHHHhHRhHHH+=+=22RGPS的组成 GPS的用户部分 GPS原理及应用GPS的用户部分接收单元接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器微处理器作用：数据处理、控制输入输出设备电源前置放大器信号通道天线观测值GPS的组成 GPS的用户部分 GPS原理及应用空间定位技术及应用 全球定位系统的组成及信号结构 用户部分GPS的用户部分信号通道微处理器输入输出存储器电源GPS的组成 GPS的用户部分 GP
14、S原理及应用2. GPS卫星信号结构GPS卫星信号结构GPS原理及应用概述 GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier） L1 L2测距码（Ranging Code） C/A码（目前只被调制在L1上） P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文（Message） GPS卫星信号的生成关键设备原子钟GPS卫星信号结构 概述6GPS原理及应用GPS卫星的基准频率f0由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频1012020001541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.
15、23MHz;2046000050LLLLffffC AfPffHz=码码率码码率卫星（导航）电文码率GPS卫星信号结构 GPS卫星的基准频率GPS原理及应用载波作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前 L1 频率：154 f0= 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 频率：120 f0= 1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5 频率：115 f0= 1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03cmL224.42cmGPS卫星信号结构 载波GPS原理及应用载波特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两
16、个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）GPS卫星信号结构 载波GPS原理及应用测距码作用测距性质为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1GPS卫星信号结构 测距码GPS原理及应用测距码类型目前 C/A码（Coarse/Acquisition Code）粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上 P（Y）码（Precise Code）精码；码率：10.23MHz
17、；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码GPS卫星信号结构 测距码GPS原理及应用卫星（导航）电文作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息基本结构.第1字遥遥字(30bits)第2字交交字(30bits).第10字(30bits)第1子子（第1数数数）(300bits)第1字遥遥字(30bits)第2字交交字(30bits).第10字(30bits)第2子子（第2数数数）(300bits)第3子子（第2数数数）(300bits)第4子子（第3数数数）(300
18、bits)第5子子（第3数数数）(300bits)第1主子(1500bits)第2主子(1500bits).第1子子（第1数数数）(300bits).第5子子（第3数数数）(300bits)第25主子(1500bits)导导导导GPS卫星信号结构卫星（导航）电文7GPS原理及应用卫星（导航）电文基本内容GPS卫星信号结构卫星（导航）电文GPS原理及应用卫星（导航）电文遥测字（TLM Telemetry Word）每一子帧的第1个字用作捕获导航电文的前导交接字（HOW Hand Over Word）每一子帧的第2个字主要内容：Z计数GPS卫星信号结构卫星（导航）电文GPS原理及应用卫星（导航）电
19、文第一数据块第1子帧的第310个字内容： WN GPS周 L2所调制测距码标识符 “10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码传输参数N URA TGD 信号在卫星内部的时延星钟数据龄期AODC星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）GDSVLSVTtt=1)(LOCttAODC=2210)()(ococSVttattaat+=GPS卫星信号结构卫星（导航）电文GPS原理及应用卫星（导航）电文第二数据块第2、3子帧的第310个字内容该发送信号卫星的星历 广播星历星历参数AODEtCCCCCCiiaenMoeisicrsrcusuc,000?GPS卫星信号结构卫星（导航）电文GPS原
20、理及应用卫星（导航）电文第三数据块第4、5子帧的第310个字内容：所有卫星历书（概略星历）第三数据块的内容每12.5分钟重复一次GPS卫星信号结构卫星（导航）电文GPS原理及应用星历参数详解：轨道长半轴的平方根AGPS卫星信号结构 星历参数详解为平均角速度其中：参考时刻的平近点角nttnMtMMoe)()(00+=nnnsmWGSaaGMnn+=0231433010986005. 384)(系中定义为称为地球引力常数，在平均角速度的计算值：平均角速度的改正值8GPS原理及应用星历参数详解=+=etEtEearctgttEetMtEe)(cos)(sin1)()(sin)()(2真近点角：偏心率
21、oeeoeeoeeoeeoeWoeeWoeoekeWoeoeWoekeWoettttttttGASTtGASTtttGASTtttGASTtGASTtttGASTttGASTGPS+=+=+=+=+=)()()()()()()()()()()()()()()(000?为升交点赤经，则为升交点经度，为地球自转角速度，设之差周开始时格林尼治赤经与：参考时刻升交点赤经GPS卫星信号结构 星历参数详解GPS原理及应用星历参数详解GPS卫星信号结构 星历参数详解GPS原理及应用星历参数详解ittiitiioe+=)()(00?：参考时刻的轨道倾角+=)()(tt未经改正的升交距交：近地点角距)(2sin
22、()(2cos()()(2sin()(2cos()()(2sin()(2cos()(tCtCtitCtCtrtCtCtuCCCCCCisicrsrcusucisicrsrcusuc+=+=+=轨道倾角的改正项升交距角、轨道向径和弦调和改正的振幅：轨道倾角的余弦和正，弦调和改正的振幅：轨道半径的余弦和正，弦调和改正的振幅：升交距角的余弦和正，：星历参考时刻oetGPS卫星信号结构 星历参数详解GPS原理及应用卫星信号的调制模二和运算规则二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则000; 110; 101; 011=111; 111; 111; 111=GPS卫星信号结构 卫
23、星信号的调制GPS原理及应用卫星信号的调制二进制信号的相位调制)cos()()(+=ttBtS调频FM调幅AM调相PM注：其它调制方式GPS卫星信号结构 卫星信号的调制GPS原理及应用卫星信号的调制 GPS卫星信号的调制框图卫星信号的调制原理)cos()()()()sin()()()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtS+=+=GPS卫星信号结构 卫星信号的调制9GPS原理及应用GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置计算思路首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转- k
24、角，求出卫星在地固系下的坐标升交点Z (Z)YXro春分点轨道平面卫星升交点赤经i 轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点近地点角距长半径t0 过近地点时刻e 轨道偏心率地心f 真近点角XY起始子午面升交点经度kG AST xy轨道平面坐标系轨道参数地心升交点xy近地点卫星近地点角距真近点角升交距角GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算GPS原理及应用升交点Z (Z)YXro春分点轨道平面卫星升交点赤经i 轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点近地点角距长半径t0 过近地点时刻e 轨道偏心率地心f 真近点角XY起始子午面升交点经度kG AST xyGPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算GPS原理及应用
25、GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置计算过程计算卫星运行的平均角速度计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角nnnsmWGSaaGMn+=0231433010986005. 384)(系中定义为称为地球引力常数，在)()(0oettnMtM+=)(sin)()(tEetMtE+=GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算GPS原理及应用GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）计算真近点角计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径=etEtEearctgtf)(cos)(sin1)(2GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算)()( tftu+=)(cos1 ()( tEeA
26、tr=GPS原理及应用GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置计算过程（续）计算摄动改正项进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置)( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()()( 2sin()( 2cos()(tuCtuCtituCtuCtrtuCtuCtuisicrsrcusuc+=+=+=)()()()()( )()()( )(0tittiititrtrtrtututuoe+=+=+=?)(sin)()()(cos)()(tutrtytutrtx=GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算GPS原理及应用GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置计算
27、过程（续）计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标oeeoeektttt+=)()()(0?=)(sin)(cos)(cos)(sin)(sin)(cos)(cos0)()(tyttiytxttiytxyxtiRtRZYXkkkkkxkZGPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算10GPS原理及应用GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置精密星历后处理星历精密星历的特点按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差任意时刻t卫星位置的计算原理：插值法方法：拉格朗日插值法=nkkikinkiinnyxxxxxfxyyyxxxnxfy001010)()(,.,.,1)(值为，
28、其函数点对于插值区间内的任一函数值及其对应的个结点的已知函数GPS卫星信号结构 GPS卫星位置的计算GPS原理及应用3. 美国政府的GPS政策美国政府的GPS政策GPS原理及应用限制非特许用户利用GPS进行导航定位的能力 SPS与PPS SPS 标准定位服务（Standard Positioning Service）系统精度（ 实施SA时，95%）：平面100m，三维156m，速度0.3m/s，时间337ns PPS 精密定位服务（Precision Positioning System）系统精度（95%）：三维37m，速度0.1m/s，时间100ns SA Selective Availab
29、ility（选择可用性） 技术 在广播星历中加入长周期的干扰 技术 在卫星的基准频率中加入快速的抖动该技术已于2000年5月2日终止 AS Anti-Spoofing（反电子欺骗） P+WY（W码为一严格保密的较低码率二进制码）美国政府的GPS政策 限制非特许用户GPS原理及应用GPS现代化 GPS现代化背景国际局势的变化，世界进入后冷战时代 GPS产业为美国带来大量的经济利益克服美国限制措施的技术日益完善成熟其它卫星导航定位系统的竞争内容 L2上增加C/A码增加第三民用频率L5增加军队专用码M1，M2提高PPS信号质量局部SA美国政府的GPS政策 GPS现代化GPS原理及应用4. 伪距测量伪
30、距测量GPS原理及应用测距码C/A码（测距时有模糊度）P码伪距测量 测距码11GPS原理及应用信号传播时间测距码测距原理距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1=相关系数：ctc=信号传播时间的测定伪距测量 测距码测距原理GPS原理及应用测距码测距原理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AS）每颗GPS卫星都采用特定的伪随机噪声码微弱信号的捕获伪距测量 测距码测距原理GPS原理及应用Z跟踪技术 AS P码+W码Y码 W码的码元宽度比
31、Y码大几十倍 Z跟踪技术原理将相关间隔（积分间隔）限定在一个W码码元内=码码码码码元内在一个PPYW 0 1 0 0 1 0 0（1） W码 0 1 0 0 1 0 P码 Y码 + = 0 1 0 0 1 0 1（-1） W码 1 0 1 1 0 1 P码 Y码 + = 伪距测量 测距码测距的误差方程GPS原理及应用5. 载波相位测量载波相位测量itjtitijttR=(c)2002, 黄劲松GPS原理及应用伪距测量的特点优点无模糊度缺点精度低载波相位测量 伪距测量的特点GPS原理及应用载波相位测量的关键技术重建载波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
32、的波伪距测量与载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波12GPS原理及应用载波相位测量的关键技术重建载波码相关法方法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。技术要点卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。特点限制：需要了解码的结构。优点：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）卫星信号的生成接收机重建载波(c)2002, 黄劲松码相关法载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波GPS原理及应用载波相位测量的关键技术重建载波平方法方法将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。技术要点卫星信号（弱）自乘。特点优点：无需了解码的结构缺点：无法获得导航电
33、文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）平方法载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波GPS原理及应用载波相位测量的关键技术重建载波互相关（交叉相关）方法在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差技术要点不同频率的卫星信号（弱）进行相关。特点优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）)()(12/, 12, 1,2/, 12LLACLLYLYLACLLRRRR+=+=载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波GPS原理及应用载波相位测量的关键技术重建载波 Z
34、跟踪方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相关处理。在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。特点优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了14dB）载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波GPS原理及应用载波测距itjtitijttR=(c)2002, 黄劲松载波相位测量 载波测距GPS原理及应用GPS载波相位测量的基本原理载波相位测量 GPS载波相位测量的基本原理SR=( SR)SR( )tR( )tS接收机根据自身的钟在 时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在 时刻所接收
35、到卫星在时刻所发送信号的相位tRtS=( )tR( )tS理想情况实际情况13GPS原理及应用载波相位观测值观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值)()()()()(000FrIntNFrIntFriii+=+=通常表示为：以后的观测：首次观测：( )Int0NN0Fr0N0Int( )iFrit0ti载波相位测量 载波相位观测值GPS原理及应用载波相位测量的特点优点精度高，测距精度可达0.1mm量级难点整周未知数问题整周跳变问题载波相位测量 载波相位测量的特点 2004， 武汉大学 测绘学院 卫星应用研究所 黄劲松第第2讲讲 GPS测量定位的误差源测量定位的误差源GPS原理及应
36、用1. 概述GPS测量定位的误差源 概述GPS原理及应用GPS测距原理（测距码）GPS测量定位的误差源 概述 GPS测距原理GPS原理及应用GPS定位原理GPS测量定位的误差源 概述 GPS定位原理14GPS原理及应用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测量定位的误差源 概述 GPS测量误差的来源GPS原理及应用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
37、机量级小毫米级GPS测量定位的误差源 概述 GPS测量误差的性质GPS原理及应用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GPS测量定位的误差源 概述 GPS测量误差的性质GPS原理及应用GPS测量误差的大小 SPS（无SA）GPS测量定位的误差源 概述 GPS测量误差的大小1-sigma误差，单位m 误差来源 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
38、 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 GPS原理及应用GPS测量误差的大小 SPS（有SA）GPS测量定位的误差源 概述 GPS测量误差的大小1-sigma误差，单位m 误差来源 偏差 随机误差 总误差 星历数据 2 .1 0.0 2.1 卫星钟 20.0 0.7 20.0 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
39、 0.5 用户等效距离误差(UERE), rms 20.5 1.4 20.6 滤波后的UERE，rms 20.5 0.4 20.5 1-sigma垂直误差VDOP = 2.5 51.4 1-sigma水平误差HDOP = 2.0 41.1 GPS原理及应用GPS测量误差的大小 PPS，双频，P/Y-码GPS测量定位的误差源 概述 GPS测量误差的大小1-sigma误差，单位m 误差来源 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
40、.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 15GPS原理及应用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GPS测量定位的误差源 概述 消除或消弱各种误差影响的方法改正后的观测值=原始观测值+模型改正GPS原理及
41、应用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。所针对的误差源如对流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GPS测量定位的误差源 概述 消除或消弱各种误差影响的方法GPS原理及应用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GPS测量定位的误差源 概述 消除或消弱各种误差影响的方法GPS原理及应用消除或消弱各种误差影响的方法回
42、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GPS测量定位的误差源 概述 消除或消弱各种误差影响的方法GPS原理及应用2. 相对论效应GPS测量定位的误差源 相对论效应GPS原理及应用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GPS测量定位的误差源 相对论效应 狭义相对论和广义相对论16GPS原理及应用相对论
43、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22 1 2222101 () (1)2238742997924580.835 10sssssssssssVffVVfffccfVffffcGPSVm scm sff= = 若卫星在地心惯性坐标系中的运动速度为 ，则在地面频率为 的钟若安置到卫星上，其频率 将变为：即两者的频率差为考虑到卫星的平均运动速度和真空中的光速，则GPS测量定位的误差源 相对论效应 狭义相对论和广义相对论GPS原理及应用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
44、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ffkmkmRsmrRfcfcWWffWWTsTs=1022314222210284. 526560637810986005. 3)11(，则卫星的地心距近似取，近似取，若地面处的地心距其中为：将的差异与放在地面上时钟频率则同一台钟放在卫星上，为，地面测站处的重力位为若卫星所在处的重力位GPS测量定位的误差源 相对论效应 狭义相对论和广义相对论GPS原理及应用相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论广义相对论fffff=+=102110449. 4:为上时总的变化量钟频率相对于其在地面用下，卫星上
45、义相对论效应的共同作在狭义相对论效应和广sff=1令：GPS测量定位的误差源 相对论效应 狭义相对论和广义相对论GPS原理及应用解决相对论效应对卫星钟影响的方法方法（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：第二步：MHzMHz52299999954.10)10449. 41 (23.1010=，调低后的频率为到卫星上去的钟的频率在地面上调低将要搭载GDrococLrrTtttattaattttmscFtEAeFtttt+=221012110221)()()()(10442807633. 42)(sin)(,应为正因而，实际卫星钟的改上改正数时，在
46、卫星钟读数上加在时刻)(sin2290)(tEettr=课本上为：因为：km265602290AAFGPS测量定位的误差源 相对论效应 解决方法GPS原理及应用3. 电离层延迟GPS测量定位的误差源 电离层延迟电离层地球TEC柱体底面积为1m2GPS原理及应用地球大气结构地球大气层的结构GPS测量定位的误差源 电离层延迟 地球大气结构17GPS原理及应用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
47、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GPS测量定位的误差源 电离层延迟 大气折射效应GPS原理及应用相速与群速相速群速相速与群速的关系相折射率与群折射率的关系phphfvvf假设有一电磁波在空间传播，其波长为 ，频率为该电磁波相位的速度，有=其中相位的速度又简称为相速。“群速”表示，群速的传播可以用群波来说，其最终能量对于频率略微不同的一2=ddfvgrddvvvphphgr=phphgrphphdndnnnnfddf=+GPS测量定位的误差源 电离层延迟 相速与群速GPS原理及应用相速与群速GPS测量定位的误差源 电离层延迟 相速与群速222,1111phg
48、rphgrphphphgrphphphphphgrphphgrphphphphphphphphphphcccnnnvvvvddvdvdfvvvddddcvnnccndvdvvdnccvddvdnvndvdndnnd= = = = =+()1111;phphphphphphphdndndnnnnfndddfddff=+ = 注：GPS原理及应用电离层折射3242342342223222232222;1.,.1221140.3(),phgrphgrphphphgreegrphgrphccvvnncccnfffc c ccnfcdndffcccnffffccNHzNnnvv= += += = +=
49、= 电离层延迟 电离层折射GPS原理及应用电离层折射称为总电子含量，则令为成的距离延迟电离层折射对相位所造为成的距离延迟电离层折射对相位所造TECTECcfcTTECfTECcfcTTECfdsNTECdsNfdsfcdsdsfcdsdsndsNfdsfcdsdsfcdsdsnionogrphionogrionophphionopheegrionogrionogrephionophionoph;3 .403 .40;3 .403 .403 .40)1 (3 .40)1 (2222220220220220=+=GPS测量定位的误差源 电离层延迟 电离层折射GPS原理及应用电子密度与总电子含量电子
50、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。电离层地球TEC柱体底面积为1m2GPS测量定位的误差源 电离层延迟 电子密度与总电子含量18GPS原理及应用电子密度与大气高度的关系GPS测量定位的误差源 电离层延迟 电子密度与大气高度的关系GPS原理及应用电子含量与地方时的关系GPS测量定位的误差源 电离层延迟 电子含量与地方时的关系GPS原理及应用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
