狭义相对论和广义相对论狭义相对论-空间定位与导航工程研究所.PPTVIP

GPS导航应用 第6章 GPS的误差源 第1节 GPS测量的环节及影响因素 GPS测量的环节 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 第2节 时钟误差 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 单点定位中接收机钟差的处理方法 作为未知数进行估计 第3节 相对论效应 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 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 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 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 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 第二步：改正 第5节 卫星星历误差 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。 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。 不同卫星星历的误差 第6节 大气折射 地球大气结构 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 电离层延迟 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） 电子密度与大气高度的关系 电子含量与地方时的关系 太阳活动情况与电子含量 电子含量与地理位置的关系 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 对流层延迟 对流层（Troposphere） 对流层延迟 对流层延迟的一般特性 通常分为两部分： 流体静力学延迟（干延迟）和 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 对流层延迟的模型改正 简化模型 霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型等 第7节 多路径效应 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。 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 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 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 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 … 第8节 其他误差 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 … 第9节 误差评估 GPS测量误差的大小① SPS GPS测量误差的大小② PPS，双频，P/Y-码 第7章 GPS定