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1、GPS原理及其应用原理及其应用第三章第三章 GPS定位中的误差源定位中的误差源3.6 对流层延迟对流层延迟3.7 多路径误差多路径误差3.8 其他误差改正其他误差改正GPS原理及其应用原理及其应用3.6对流层延迟对流层延迟GPS原理及其应用原理及其应用3.6 对流层延迟对流层延迟GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟GPS原理及其应用原理及其应用对流层（对流层（Troposphere）GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 对流层对流层GPS原理及其应用原理及其应用对流层延迟对流层延迟00( 1) (1)1 (1)1 (1)(1)(1)1(1( 1)
2、1Kkttttktttskkkcvnnrefractiveindex of atmosphereccvdtdtdtcn dtnncndtcdtc ndtctndsxxx 称为大气折射系数（）设为信号传播的真实距离，则当时，有故：称6(1)(1)(1) 10ssndsndsNnatmospheric refractivity：为对流层延迟，对流层改正。通常令：，称其为大气折射率（）GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 对流层延迟对流层延迟GPS原理及其应用原理及其应用对流层的色散效应对流层的色散效应 对流层的色散效应对流层的色散效应 折射率与信号波长的关系折射率与信号波长
3、的关系 对流层对不同波长的波的折射效应对流层对不同波长的波的折射效应 结论结论 对于对于GPS卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应4260136. 06288. 1604.28710N波长N*10e6红光0.72290.7966紫光0.40298.3153L11902936.728287.6040L22442102.134287.6040GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 对流层的色散效应对流层的色散效应GPS原理及其应用原理及其应用大气折射率大气折射率N与气象元素的关系与气象元素的关系 大气折射率大气折射率N与温度
4、、气压和湿度的关系与温度、气压和湿度的关系 Smith和和Weintranb，1954 对流层延迟与大气折射率对流层延迟与大气折射率N。为水气压，单位；单位为气温，为绝对温度，；为大气压，单位称为湿气分量；称为干气分量；其中：mbareKTmbarPNNTeTPNNNwdwd248106 .776 .77swsdsdsNdsNNdss161616101010GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 大气折射率大气折射率N与气象元素的关系与气象元素的关系GPS原理及其应用原理及其应用霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型 出发点出发点 导出折射率与高度的
5、关系导出折射率与高度的关系 沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟 通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟1100016.27372.14840136)()()()(44wsdswwswsddsdwddhThshhhhNhhhhNNNNMRCRTPVgdhdPdhdT）（；的量表示为测站上的值含下标其中：；GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型
6、 对流层折射模型对流层折射模型为水气压）（swsdswsswsdssdwdwdehThhheTKhhTPKEKEKsss1100016.27372.14840136)(4810102 .155)(102 .155)25. 2sin()25. 6sin(277212212GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型 投影函数的修正投影函数的修正高度等有关的量。是与测站气压、温度、其中321321,sinsin1aaaaEatgEa
7、EmGPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型 原始模型原始模型有关，可查表获得。和与有关，可查表获得；与其中：sssssssshERhBhhWRhWEtgBeTPEs00028. 02cos0026. 01),(),()05. 01255(sin002277. 02GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及
8、其应用萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型 拟合后的公式拟合后的公式283210716. 01015. 016. 1)4810(16)05. 01255(sin002277. 0sssssssshhactgEeTPTEEEEEtgaeTPEs其中：GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用勃兰克（勃兰克（Black）改正模型）改正模型20. 0)69. 3(002312. 013000)96. 3(98.148)6 . 0(92. 1)273(0
9、0015. 0076. 0833. 0)()1 (1cos(1)()1 (1cos(1123 . 002020wsssdwsdEswwsddKTPTKhThEbTlEbhhlEKEbhhlEKs其中：GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 勃兰克（勃兰克（Black）改正模型）改正模型GPS原理及其应用原理及其应用对流层改正模型综述对流层改正模型综述 不同模型所算出的高度角不同模型所算出的高度角30 以上方向的延以上方向的延迟差异不大迟差异不大 Black模型可以看作是模型可以看作是Hopfield模型的修正形模型的修正形式式 Saastamoinen模型与模型与Hopf
10、ield模型的差异要模型的差异要大于大于Black模型与模型与Hopfield模型的差异模型的差异GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 对流层改正模型综述对流层改正模型综述GPS原理及其应用原理及其应用气象元素的测定气象元素的测定 气象元素气象元素 干温、湿温、气压干温、湿温、气压 干温、相对湿度、气压干温、相对湿度、气压 测定方法测定方法 普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计 自动化的电子仪器自动化的电子仪器GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 气象元素的测定气象元素的测定GPS原理及其应用原理及其应用气象元
11、素的测定气象元素的测定 水气压水气压es的计算方法的计算方法 由相对湿度由相对湿度RH计算计算 由干温、湿温和气压计算由干温、湿温和气压计算)000256908. 0213166. 02465.37(2sTsTeRHessPwTsTwTweseWTgWTgWTgwTgwTgeTeww)()31068. 11 (4105 . 4)(3)(2)(1)()(02808. 5)16.373(246.1013GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 气象元素的测定气象元素的测定1)16.3731 (1205.26) 116.373(03945. 87321101813. 3)()1
12、(0187265. 0)() 116.373(19728.18)(wTwTeTgeTgTTgwwwwGPS原理及其应用原理及其应用对流层模型改正的误差分析对流层模型改正的误差分析 模型误差模型误差 模型本身的误差模型本身的误差 气象元素误差气象元素误差 量测误差量测误差 仪器误差仪器误差 读数误差读数误差 测站气象元素的代表性误差测站气象元素的代表性误差 实际大气状态与大气模型间的差异实际大气状态与大气模型间的差异GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 对流层延迟对流层延迟 对流层模型改正的误差分析对流层模型改正的误差分析GPS原理及其应用原理及其应用3.7多路径误差多路径误差GPS原理及其应
13、用原理及其应用3.7 多路径误差多路径误差GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用多路径误差与多路径效应多路径误差与多路径效应 多路径（多路径（Multipath）误差）误差 在在GPS测量中，被测站附近的测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的真值产生所谓的“多路径误多路径误差差”。 多路径效应多路径效应 由于多路径的信号传播所引起由于多路
14、径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效的干涉时延效应称为多路径效应。应。GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 多路径误差与多路径效应多路径误差与多路径效应GPS原理及其应用原理及其应用反射波反射波 反射波的几何特性反射波的几何特性 反射波的物理特性反射波的物理特性 反射系数反射系数a 极化特性极化特性 GPS信号为右旋极化信号为右旋极化 反射信号为左旋极化反射信号为左旋极化zHzHzzHzzHzGAzGAGAOAGAsin42sin2)sin21 (1 (sin)2cos1 (sin)2cos1 (2cos2为：号的相位差反射信号相对于直接信为：号多经过的路径长度
15、反射信号相对于直接信HAOGSSSzz2zGPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 反射波反射波GPS原理及其应用原理及其应用多路径误差多路径误差 受多路径效应影响的情况下的接收信号受多路径效应影响的情况下的接收信号tUtUtUtUtUStUatUatUatUatUtUatUSSStUaStUSrdrdsin)sin(cos)cos(sinsincoscos)cos(sin)sin(cos)cos1 (sinsincoscoscos)cos(cos)cos(cos为：因为接收信号也可表示实际接收信号：反射信号：直接信号：GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路
16、径误差 多路径误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用)cos1sin(cos1sincos21)sin()cos()cos21 (sin)cos(cos21 (sincos1sinsincoscos1222222222aaarctgaatgaaaaaaaaaaa得：除以第二式，有将上面两式中的第一式得：）（）（）（有对上面两式求平方和，则有：多路径误差多路径误差GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 多路径误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用多路径误差多路径误差 多路径的数值特性多路径的数值特性 受多个反射信号影响的情况受多个反射信号影响的情况aaaaaaa
17、aaaaaaddarcsin;)arccos(0)sincos1)(cos1 (cos)cos1 (sincos)cos1 ()cos1sin(11max2222取得极值时，则，当)cos1sin(11niiiniiiaaarctgGPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 多路径误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用多路径误差的多路径误差的特点特点 与测站环境有关与测站环境有关 与反射体性质有关与反射体性质有关 与接收机结构、性能有关与接收机结构、性能有关GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 多路径误差的特点多路径误差的特点GPS原理及其应用原
18、理及其应用应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法 观测上观测上 选择合适的测站，避开易产生多路径的环境选择合适的测站，避开易产生多路径的环境GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法易发生多路径的环境易发生多路径的环境GPS原理及其应用原理及其应用应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法 硬件上硬件上 采用抗多路径误差的仪器设备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，极化天抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线线 抗多路径的接收机：窄相关技术抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipa
19、th Estimating Delay Lock Loop)等等GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法抗多路径效应的天线抗多路径效应的天线GPS原理及其应用原理及其应用应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法 数据处理上数据处理上 加权加权 参数法参数法 滤波法滤波法 信号分析法信号分析法GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 多路径误差多路径误差 应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法GPS原理及其应用原理及其应用3.8 其他误差改正其他误差改正 引力延迟引力延迟 地球自转改正地球自转改正 地球潮汐改正地球潮汐改正 接收机的位
20、置误差接收机的位置误差 天线相位中心偏差天线相位中心偏差GPS原理及其应用原理及其应用地球自转改正地球自转改正GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 其他误差改正其他误差改正 地球自转改正地球自转改正GPS原理及其应用原理及其应用GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 其他误差改正其他误差改正 地球自转改正地球自转改正GPS原理及其应用原理及其应用接收机的位置误差接收机的位置误差 定义定义接收机天线的相位中心相对测站标石中心接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。位置的偏差。 应对方法应对方法 正确的对中整平正确的对中整平 采用强制对中装置（变形监测时）采用强制对中装置（变形监测时）G
21、PS测量定位的误差源测量定位的误差源 其他误差改正其他误差改正 接收机的位置误差接收机的位置误差GPS原理及其应用原理及其应用天线相位中心偏差改正天线相位中心偏差改正 卫星天线相位中心偏差改正卫星天线相位中心偏差改正 接收机天线相位中心变化的改正接收机天线相位中心变化的改正 GPS测量和定位时是以接收机天线的相位中心测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准的，天线的相位中心与其几何中心理位置为准的，天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。可是接收机天线接收到的论上应保持一致。可是接收机天线接收到的GPS信号是来自四面八方，随着信号是来自四面八方，随着GPS信号方位信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。置也在发生变化。GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 其他误差改正其他误差改正 天线相位中心偏差改正天线相位中心偏差改正GPS原理及其应用原理及其应用天线相位中心偏差改正天线相位中心偏差改正 应对方法应对方法 使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相对定位）对定位） 模型改正模型改正GPS测量定位的误差源测量定位的误差源 其他误差改正其他误差改正 天线相位中心偏差改正天线相位中心偏差改正