遥感-第5章-GNSS静态定位原理

第5章GNSS静态定位原理刘智敏山东科技大学5.1GNSS静态定位方法5.2GNSS导航定位误差来源及影响卫星有关的误差与信号传播有关的误差与接收机有关的误差5.3GNSS静态绝对定位原理5.4GNSS静态相对定位原理5.5不同频率观测值的线性组合5.6整周未知数的确定与周跳分析按参考点的不同位置绝对定位（单点定位）在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。相对定位在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。按用户接收机作业时所处的状态划分：静态定位在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。动态定位在定位过程中，接收机天线处于运动状态。§5.1GNSS静态定位方法静态绝对定位待定点的位置固定不动，利用GNSS确定用户接收机在协议地球坐标系中的相对于坐标原点的位置。静态相对定位待定点的位置固定不动，利用GNSS确定用户接收机在协议地球坐标系中的相对于地面上一固定点的相对位置。§5.1GNSS静态定位方法根据天线所处的状态分为动态绝对定位静态绝对定位观测量都是站星伪距根据观测量的性质，伪距有测码伪距测相伪距绝对定位分为测码伪距绝对定位测相伪距绝对定位伪距：•含误差影响的站星距离•通过码相位观测或载波相位观测确定的•不可避免地含有：•卫星钟与接收机钟非同步误差•电离层、对流层大气折射等误差绝对定位和相对定位在观测方式、数据处理、定位精度以及应用范围等方面均有原则区别在两个观测站同步观测相同卫星，各种误差对观测量的影响具有一定的相关性，利用这些观测量的不同线性组合，便可有效地消除或减弱各种误差影响，从而提高相对定位的精度绝对定位的精度，与被观测卫星的几何分布密切相关PPP(PrecisePointPositioning)§5.1GNSS静态定位方法目前广泛应用的基本观测量:码相位观测是测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码）到达用户接收机天线（观测站）的传播时间，也称时间延迟测量由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距载波相位观测测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，也称相位延迟测量由载波相位观测所确定的伪距简称为测相伪距C/A码码元宽度293m；P码码元宽度29.3mL1载波波长为19.03cm；L2载波波长为24.42cm载波相位观测是目前最精确的观测方法误差的分类GPS定位中，影响观测量精度的主要误差源与卫星有关的误差与信号传播有关的误差与接收设备有关的误差为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差§5.2GNSS导航定位误差来源及影响测码伪距的等效距离误差/m误差来源P码C/A码卫星星历与模型误差钟差与稳定度卫星摄动相位不确定性其它合计4.23.01.00.50.95.44.23.01.00.50.95.4信号传播电离层折射对流层折射多路径效应其它合计2.32.01.20.53.35.0-10.02.01.20.55.5-10.3接收机接收机噪声其它合计1.00.51.17.50.57.5总计6.410.8-13.6根据误差的性质可分为：（1）系统误差：主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以及大气折射的误差等。为了减弱和修正系统误差对观测量的影响，一般根据系统误差产生的原因而采取不同的措施，包括：•引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并求解。•建立系统误差模型，对观测量加以修正。•将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱和消除系统误差的影响。•简单地忽略某些系统误差的影响。（2）偶然误差：包括多路径效应误差和观测误差等。选用较好的硬件和观测条件延长观测时间1.与卫星有关的误差（1）卫星钟差GPS观测量均以精密测时为依据。GPS定位中，无论码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管卫星上设有高精度的原子钟，仍不可避免地存在钟差和漂移，偏差总量约在1ms内，引起的等效距离误差可达300km。1.与卫星有关的误差（1）卫星钟差通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，参数由主控站测定，通过卫星的导航电文提供给用户,并用二阶多项式表示：tj=a0+a1(t-t0c)+a2(t-t0c)2经钟差模型改正后，各卫星钟之间的同步差保持在5~10ns以内，引起的等效距离偏差不超过3m。通过精密星历获得精确的卫星钟差值e.g.PPP应用，IGS给出0.1ns卫星钟经过改正的残差，在相对定位中，可通过观测量求差（差分）方法消除。（2）卫星轨道偏差（星历误差）：由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律，因此，卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相应的位置误差约20-40m。随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，卫星的位置精度将可提高到5m左右。卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。卫星轨道偏差对绝对定位的影响可达几十米到一百米。而在相对定位中，由于相邻测站星历误差具有很强的相关性，因此对相对定位的影响远远低于对绝对定位的影响不过，随着基线距离的增加，卫星轨道偏差引起的基线误差将不断加大。GPS卫星到地面观测站的最大距离约为25000km，如果基线测量的允许误差为1cm，则当基线长度不同时，允许的轨道误差大致如下表所示。（2）卫星轨道偏差（星历误差）：GPS卫星到地面观测站的最大距离约为25000km，基线测量的允许误差为1cm，则当基线长度不同时，允许的轨道误差大致如下表所示。从表中可见，在相对定位中，随着基线长度的增加，卫星轨道误差将成为影响定位精度的主要因素。dbb基线长度基线相对误差容许轨道误差1.0km1010-6250.0m10.km110-625.0m100.0km0.110-62.5m1000.0km0.0110-60.25m（2）卫星轨道偏差（星历误差）：dbb101~41在GPS定位中，根据不同要求，处理轨道误差方法:忽略轨道误差：广泛用于实时单点定位。采用轨道改进法处理观测数据：卫星轨道的偏差主要由各种摄动力综合作用而产生，摄动力对卫星6个轨道参数的影响不相同，而且在对卫星轨道摄动进行修正，根据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法和半短弧法。采用精密星历e.g.IGS同步观测值求差：由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响具有系统性。利用两个或多个观测站上对同一卫星的同步观测值求差，可减弱轨道误差影响。当基线较短时，有效性尤其明显，而对精密相对定位，也有极其重要意义。（2）卫星轨道偏差（星历误差）：采用轨道改进法处理观测数据：卫星轨道的偏差由各种摄动力综合作用产生，在对卫星轨道摄动进行修正时，所采用的各摄动力模型精度也不一样。根据引入轨道偏差改正数的不同，分为短弧法：引入全部6个轨道偏差改正，作为待估参数，在数据处理中与其它待估参数一并求解。可明显减弱轨道偏差影响，但计算工作量大。半短弧法：根据摄动力对轨道参数的不同影响，只对其中影响较大的参数，引入相应的改正数作为待估参数。据分析，目前该法修正的轨道偏差不超过10m，而计算量明显减小。（2）卫星轨道偏差（星历误差）：略电磁波的传播速度与大气折射大气折射实际的电磁波传播是在大气介质中，在到达地面接收机前要穿过性质、状态各异且不稳定的若干大气层，这些因素可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象。大气折射对GPS观测结果的影响，超过了GPS精密定位所容许的精度范围。电磁波传播的基本概念信号传播非弥散介质对流层与大气压力、温度、湿度有关弥散介质电离层与电子密度有关单一相波载波相位群波测距码根据大气物理学，如果电磁波在某种介质中的传播速度与频率有关，则该介质成为弥散介质。如果把具有不同频率的多种波叠加，所形成的复合波称为群波则在具有速度弥散现象的介质中，单一频率正弦波的传播与群波的传播是不同的。大气层对电磁波传播的影响1.大气的结构及其性质对流层0～40km各种气体元素、水蒸气和尘埃等非弥散介质（电磁波的传播速度与频率无关）电离层约70km以上带电粒子弥散介质（电磁波的传播速度与频率有关）大气层对电磁波传播的影响1.大气的结构及其性质对流层0～40km各种气体元素、水蒸气和尘埃等非弥散介质电离层约70km以上带电粒子弥散介质（电磁波的传播速度与频率有关）60101nN假设单一正弦波的相位传播速度为相速vp，群波的传播速度为群速vg，则有式中为通过大气层的电磁波波长。若取通过大气层的电磁波频率为f，则相应的折射率为在GPS定位中，群速vg与码相位测量有关，而相速vp与载波相位测量有关。ppgvvvfnfnnppg对流层的影响与改正在对流层中，折射率略大于1，随着高度的增加逐渐减小：当接近对流层顶部时，其值接近于1。对流层的折射影响，在天顶方向（高度角900）可产生2.3m的电磁波传播路径误差当高度角为100时，传播路径误差可达20m。在精密定位中，对流层的影响必须顾及。对流层的折射率与大气压力、温度和湿度关系密切变化复杂，对n的变化和影响，难以精确模型化。通常将对流层的大气折射分为干分量和湿分量两部分，Nd和Nw分别表示干、湿分量的折射数，则N0=Nd+Nw。Nd和Nw与大气的压力、温度和湿度有如下近似关系式中P为大气压力/mbar，Tk为绝对温度(Tk=0C+273.2),e0为水汽分压/mbar沿天顶方向，对流层大气对电磁波传播路径的影响，可表示为2051073.36.77kwkdTeNTPNwdSSS干分量引起的电磁波传播路径距离差主要与地面的大气压力和温度有关；湿分量引起的电磁波传播路径距离差主要与传播路径上的大气状况密切相关。由地球表面向上沿天顶方向的电磁波传播路径为考虑干、湿分量的折射数，则有S0为电磁波在真空中的传播路径Hd为当Nd趋近于0时的高程值（约40km）Hw为当Nw趋近于0时的高程值（约10km）HHdHNSndHS06010wdHwHddHNdHNSS6601010于是沿天顶方向电磁波传播路径的距离差为dHNSdHNSSSSSSwdHwwHddwd6601010在卫星大地测量中，不可能沿电磁波传播路线直接测定对流层的折射数，一般可以根据地面的气象数据来描述折射数与高程的关系。根据理论分析，折射数的干分量与高程H的关系Nd0为按前（A）式计算的地面大气折射数的干分量参数Hd，H.Hopfield通过分析全球高空气象探测资料，推荐了如下经验公式。40ddddHHHNN)16.273(72.14840136kdTH由于大气湿度随地理纬度、季节和大气状况而变化，尚难以建立折射数湿分量的理论模型，一般采用与干分量相似的表示方法式中Nw0为按（A）式计算的地面大气折射数的湿分量，高程的平均值取为Hw=11000m40积分可得沿天顶方向对流层对电磁波传播路径影响的近似关系：数字分析表明，在大气的正常状态下，沿天顶方向，折射数干分量对电磁波传播路径的影响约为2.3m，约占天顶方向距离总误差的90%湿分量的影响远较干分量影响小。wkwdkdHTeSHTPS2055481010552.110552.1实际观测时，观测站接收的卫星信号往往不是来自天顶，此时必须顾及电磁波传播方向的高度角。假设GPS卫星相对观测站的高度角为hs，可得实践表明上式中含有较大的模型误差，当hs