子情境3衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差ppt課件

1、子情境子情境3 衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差包括電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差、多途徑效應(yīng)誤差一、電離層折射誤差的影響眾所周知，地球的外表包圍著一層很厚的大氣，大氣的總質(zhì)量約為3.9 kg，大約是地球總質(zhì)量的百萬(wàn)分之一。由于地球吸引力的作用，引起大氣的質(zhì)量在垂直方向分布極不均勻，主要集中在大氣層的底部，其中75的質(zhì)量分布在10km以下，而90以上的質(zhì)量分布在30km以下。經(jīng)過(guò)大量觀測(cè)資料的分析闡明，大氣在垂直方向的物理性質(zhì)也有很大的差別。根據(jù)溫度、成分和荷電等物理性質(zhì)的不同，大氣可分為性質(zhì)各異的假設(shè)干大氣層。按不同規(guī)范，對(duì)大氣層也有不同的分層方法，以下圖中給出了這種分類的概略。根據(jù)對(duì)電磁波

2、傳播的不同影響，普通可將大氣層分為對(duì)流層和電離層。10100100010000100000高度（km）溫度熱大氣層中大氣層同溫層對(duì)流層電離質(zhì)子層電離層中性層磁場(chǎng)磁層功率層傳播電離層對(duì)流層工程技術(shù)上大氣層下大氣層圖4-2 大氣層的分類1810一、電離層折射誤差的影響228.40fNIg228.40fNIp碼相位觀測(cè)：載波相位觀測(cè)：傳播途徑上的電子總量信號(hào)頻率所謂電離層，是指地球上空距地面高度在501000km之間的大氣層。電離層中的氣體分子由于遭到太陽(yáng)等天體各種射線輻射，產(chǎn)生劇烈的電離構(gòu)成大量的自在電子和正離子。當(dāng)GPS衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層時(shí)，將遭到這一介質(zhì)彌散特性的影響，使信號(hào)的傳播途徑發(fā)生變化

3、，傳播速度也會(huì)發(fā)生變化。所以用信號(hào)的傳播時(shí)間乘上真空中光速而得到的間隔就會(huì)不等于衛(wèi)星至接納機(jī)間的幾何間隔，這種偏向叫電離層折射誤差。由此引起電磁波信號(hào)傳播途徑的變化 ：一、電離層折射誤差的影響 可見，電離層對(duì)信號(hào)傳播途徑影響的大小，主要取決于電子總量和信號(hào)的頻率。 對(duì)于GPS衛(wèi)星信號(hào)來(lái)說(shuō)，在夜間當(dāng)衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離效果最弱，在電離層中傳播途徑最短，電離層折射對(duì)信號(hào)傳播途徑的影響，將小于5m；而相反，電離效果最強(qiáng)，在電離層中傳播途徑最長(zhǎng)，在日間正午前后，當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)，其影響能夠大于150m。 一、電離層折射誤差的影響 電離層折射誤差處置方法：電離層折射誤差處置方法： 1.雙頻觀測(cè)雙頻

4、觀測(cè) 由于電離層的影響是信號(hào)頻率的函數(shù)，所以，利用由于電離層的影響是信號(hào)頻率的函數(shù)，所以，利用不同頻率的電磁波信號(hào)進(jìn)展觀測(cè)，便能夠確定其影響的不同頻率的電磁波信號(hào)進(jìn)展觀測(cè)，便能夠確定其影響的大小，以便對(duì)觀丈量加以修正。大小，以便對(duì)觀丈量加以修正。一、電離層折射誤差的影響利用電離層模型加以修正利用電離層模型加以修正目前，為進(jìn)展高精度衛(wèi)星導(dǎo)航和定位，普遍采用雙頻技術(shù)，目前，為進(jìn)展高精度衛(wèi)星導(dǎo)航和定位，普遍采用雙頻技術(shù)，可有效地減弱電離層折射的影響，但在電子含量很大，衛(wèi)星可有效地減弱電離層折射的影響，但在電子含量很大，衛(wèi)星的高度角又較小時(shí)求得的電離層延遲矯正中的誤差有能夠達(dá)的高度角又較小時(shí)求得的電離

5、層延遲矯正中的誤差有能夠達(dá)幾厘米。幾厘米。為了滿足更高精度為了滿足更高精度GPS丈量的需求，丈量的需求，F(xiàn)ritzk、Brunner等人等人提出了電離層延遲矯正模型。該模型思索了折射率提出了電離層延遲矯正模型。該模型思索了折射率n中的高中的高階項(xiàng)影響以及地磁場(chǎng)的影響，并且是沿著信號(hào)傳播途徑來(lái)進(jìn)階項(xiàng)影響以及地磁場(chǎng)的影響，并且是沿著信號(hào)傳播途徑來(lái)進(jìn)展積分內(nèi)容可參照學(xué)習(xí)情境展積分內(nèi)容可參照學(xué)習(xí)情境4。計(jì)算結(jié)果闡明，無(wú)論在。計(jì)算結(jié)果闡明，無(wú)論在何種情況下改良模型的精度均優(yōu)于何種情況下改良模型的精度均優(yōu)于2mm。對(duì)于單頻對(duì)于單頻GPS接納機(jī)的用戶，為了減弱電離層的影響，普通接納機(jī)的用戶，為了減弱電離層的

6、影響，普通是采用由導(dǎo)航電文所提供的電離層模型，或其它適宜的電離是采用由導(dǎo)航電文所提供的電離層模型，或其它適宜的電離層模型對(duì)觀丈量加以矯正。但是，這種模型至今仍在完善中。層模型對(duì)觀丈量加以矯正。但是，這種模型至今仍在完善中。目前模型矯正的有效性約為目前模型矯正的有效性約為75，也就是說(shuō)，當(dāng)電離層對(duì)間，也就是說(shuō)，當(dāng)電離層對(duì)間隔觀測(cè)值的影響為隔觀測(cè)值的影響為20m時(shí)，修正后的殘差仍可達(dá)時(shí)，修正后的殘差仍可達(dá)5m。一、電離層折射誤差的影響利用同步觀測(cè)值求差利用同步觀測(cè)值求差用兩臺(tái)接納機(jī)在基線的兩端進(jìn)展同步觀用兩臺(tái)接納機(jī)在基線的兩端進(jìn)展同步觀測(cè)并取其觀丈量之差，可以減弱電離層測(cè)并取其觀丈量之差，可以減弱

7、電離層折射的影響。這是由于當(dāng)兩觀測(cè)站相距折射的影響。這是由于當(dāng)兩觀測(cè)站相距不太遠(yuǎn)時(shí)，由衛(wèi)星至兩觀測(cè)站電磁波傳不太遠(yuǎn)時(shí)，由衛(wèi)星至兩觀測(cè)站電磁波傳播途徑上的大氣情況甚為類似，因此，播途徑上的大氣情況甚為類似，因此，大氣情況的系統(tǒng)影響便可經(jīng)過(guò)同步觀丈大氣情況的系統(tǒng)影響便可經(jīng)過(guò)同步觀丈量的求差而減弱。量的求差而減弱。這種方法對(duì)于短基線如小于這種方法對(duì)于短基線如小于20km的效果尤為明顯，這時(shí)經(jīng)電離層折射矯的效果尤為明顯，這時(shí)經(jīng)電離層折射矯正后基線長(zhǎng)度殘差普通為正后基線長(zhǎng)度殘差普通為1ppmD。所。所以在以在GPS丈量中，對(duì)于短間隔的相對(duì)定丈量中，對(duì)于短間隔的相對(duì)定位，運(yùn)用單頻接納機(jī)也可到達(dá)相當(dāng)高的位，

8、運(yùn)用單頻接納機(jī)也可到達(dá)相當(dāng)高的精度。不過(guò)，隨著基線長(zhǎng)度的添加，其精度。不過(guò)，隨著基線長(zhǎng)度的添加，其精度隨之明顯降低。精度隨之明顯降低。一、電離層折射誤差的影響4.選擇有利觀測(cè)時(shí)段選擇有利觀測(cè)時(shí)段由于電離層的影響與信號(hào)傳播途徑上的電子由于電離層的影響與信號(hào)傳播途徑上的電子總數(shù)有關(guān)，因此，應(yīng)選擇最正確觀測(cè)時(shí)段總數(shù)有關(guān)，因此，應(yīng)選擇最正確觀測(cè)時(shí)段普通為晚上，這時(shí)，大氣不受太陽(yáng)光普通為晚上，這時(shí)，大氣不受太陽(yáng)光的照射，大氣中的離子數(shù)目減少，從而到的照射，大氣中的離子數(shù)目減少，從而到達(dá)減弱電離層影響的目的。達(dá)減弱電離層影響的目的。二、對(duì)流層折射誤差的影響 對(duì)流層是高度為40km以下的大氣底層，其大氣密度

9、比電離層更大，大氣情況也更復(fù)雜。對(duì)流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的上升而降低，GPS信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)流層時(shí)，也使傳播的途徑發(fā)生彎曲，從而使丈量間隔產(chǎn)生偏向，這種景象叫做對(duì)流層折射誤差。二、對(duì)流層折射誤差的影響由于對(duì)流層的介質(zhì)對(duì)GPS信號(hào)沒(méi)有彌散效應(yīng)，所以其群折射率與相折射率可以為相等。由學(xué)習(xí)情境4中的知識(shí)可知，對(duì)流層折射對(duì)觀測(cè)值的影響，可分為干分量與濕分量?jī)刹糠?，干分量主要與大氣的溫度和壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號(hào)傳播途徑上的大氣濕度和高度有關(guān)。干分量影響：當(dāng)衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，對(duì)流層干分量對(duì)間隔觀測(cè)值的影響約占對(duì)流層影響的90，且這種影響可以運(yùn)用地面的大氣資料計(jì)算。假設(shè)地面平均大

10、氣壓為1013mbar，那么在天頂方向，干分量對(duì)所測(cè)間隔的影響約為2.3m，而當(dāng)高度角為10時(shí)，其影響約為20m。濕分量影響：濕分量的影響雖數(shù)值不大，但由于難以可靠地確定信號(hào)傳播途徑上的大氣物理參數(shù)，所以濕分量尚無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)定。因此，當(dāng)要求定位精度較高或基線較長(zhǎng)時(shí)例如50km，它將成為誤差的主要來(lái)源之一。目前雖可用水汽輻射計(jì)比較準(zhǔn)確地測(cè)定信號(hào)傳播途徑上的大氣水汽含量，但由于設(shè)備過(guò)于龐大和昂貴，尚不能普遍采用。二、對(duì)流層折射誤差的影響212212)25. 2sin(/)25. 6sin(/swwsddhShS)11000(1046512.7)16.273(72.1484013610552.120

11、25TkwTkkdHTeSHTTPS可知，經(jīng)過(guò)測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的高程HT、GPS衛(wèi)星高度角hs、盡能夠準(zhǔn)確的掌握測(cè)站附近的氣候資料氣壓P、溫度T、水汽分壓e0等，即可計(jì)算干濕分量對(duì)間隔的影響值，從而對(duì)間隔觀丈量進(jìn)展修正。處置方法：處置方法：1.定位精度要求不高時(shí)，可以簡(jiǎn)單地忽略。定位精度要求不高時(shí)，可以簡(jiǎn)單地忽略。2.采用對(duì)流層模型加以矯正。采用對(duì)流層模型加以矯正。 為了計(jì)算出對(duì)流層對(duì)電磁波傳播的影響值，許多學(xué)者如為了計(jì)算出對(duì)流層對(duì)電磁波傳播的影響值，許多學(xué)者如BrownDC，WellsDE等都先后引薦了比較準(zhǔn)確地改良模等都先后引薦了比較準(zhǔn)確地改良模型來(lái)計(jì)算間隔觀測(cè)值的矯正量。型來(lái)計(jì)算間隔觀測(cè)值的矯

12、正量。二、對(duì)流層折射誤差的影響處置方法：處置方法：3.引入描畫對(duì)流層影響的附加待估參數(shù)，引入描畫對(duì)流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處置中與測(cè)站坐標(biāo)、整周模糊度在數(shù)據(jù)處置中與測(cè)站坐標(biāo)、整周模糊度等未知參數(shù)一并平差求解。等未知參數(shù)一并平差求解。4.觀丈量求差。觀丈量求差。 與電離層的影響相類似，當(dāng)兩觀與電離層的影響相類似，當(dāng)兩觀測(cè)站相距不太遠(yuǎn)時(shí)例如測(cè)站相距不太遠(yuǎn)時(shí)例如100km時(shí)，對(duì)流層折射對(duì)時(shí)，對(duì)流層折射對(duì)GPS定位定位精度的影響，將成為決議性的要素之一。精度的影響，將成為決議性的要素之一。三、多途徑效應(yīng)誤差的影響多途徑效應(yīng)，通常也叫多途徑誤差，即接納機(jī)天線，除直接納到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，尚能夠收到

13、經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào)。兩種信號(hào)疊加，將會(huì)引起丈量參考點(diǎn)相位中心位置的變化，從而使觀丈量產(chǎn)生誤差。而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料的分析闡明，在普通反射環(huán)境下，多途徑效應(yīng)對(duì)測(cè)碼偽距的影響可達(dá)米級(jí)，對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)厘米級(jí)；而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且經(jīng)常導(dǎo)致接納的衛(wèi)星信號(hào)失鎖和使載波相位觀丈量產(chǎn)生周跳。因此，在精細(xì)GPS導(dǎo)航和丈量中，多途徑效應(yīng)的影響是不可忽略的。直 接 信 號(hào)反 射 物多 路 徑 信 號(hào)圖 6-1 多 路 徑 效 應(yīng) 示 意 圖三、多途徑效應(yīng)誤差的影響處置方法：處置方法：1.選擇適宜的站址選擇適宜的站址多途徑誤差

14、不僅與衛(wèi)星信號(hào)方向和反射系數(shù)有關(guān)，而且與反多途徑誤差不僅與衛(wèi)星信號(hào)方向和反射系數(shù)有關(guān)，而且與反射物離測(cè)站遠(yuǎn)近有關(guān)，至今無(wú)法建立矯正模型，只需采用以下射物離測(cè)站遠(yuǎn)近有關(guān)，至今無(wú)法建立矯正模型，只需采用以下措施來(lái)減弱：措施來(lái)減弱：(1)測(cè)站應(yīng)遠(yuǎn)離大面積安靜的水面。灌木叢、草和其它地面植測(cè)站應(yīng)遠(yuǎn)離大面積安靜的水面。灌木叢、草和其它地面植被能較好地吸收微波信號(hào)的能量，是較為理想的設(shè)站地址。翻被能較好地吸收微波信號(hào)的能量，是較為理想的設(shè)站地址。翻耕后的土地和其它粗糙不平的地面的反射才干也較差，也可設(shè)耕后的土地和其它粗糙不平的地面的反射才干也較差，也可設(shè)站；站；(2)測(cè)站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中，以防止反射信號(hào)從測(cè)站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中，以防止反射信號(hào)從天線抑徑板上方進(jìn)入天線，產(chǎn)生多途徑誤差。天線抑徑板上方進(jìn)入天線，產(chǎn)生多途徑誤差。三、多途徑效應(yīng)誤差的影響處置方法：處置方法：2.對(duì)接納機(jī)天線的要求對(duì)接納機(jī)天線的要求(1)在天線中設(shè)置抑徑板在天線中設(shè)置抑徑板為減弱多途徑誤差，接納機(jī)天線下應(yīng)配置抑徑板。抑徑板的半徑為減弱多途徑誤差，接納機(jī)天線下應(yīng)配置抑徑板。抑徑板的半徑r、高、高度角度角Z和抑徑板高度