1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用2/25第四章第四章 GPS定位中的误差源定位中的误差源4.7 多路径误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用3/25多路径误差多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用4/25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
2、）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原理及其应用原理及其应用5/25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2cos2(1 cos2 )(1 cos2 )(1 (1 2sin)2sinsinsin4sin2
3、GAOAGAGAzGAzHHzzHzzzHz 反射信号相对于直接信号多经过的路径长度，即为：反射波相对于直接波的相位延迟 为波程差：HAOGSSSzz2zGPS原理及其应用原理及其应用6/25载波相位测量中的多路径误差载波相位测量中的多路径误差 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coscos()coscos()coscoscossinsincossin(1cos()coscossinsincos )(sin )drdrSUtSUtSSSUtUtUtUtUtUtUtSUtUtUt直接信号：反射信号：实际接收信号：因为接收信号也可表示为：(cos )(sin )c
4、ossinUtUtGPS原理及其应用原理及其应用7/252222222221coscossinsin1cossin(12cos(cos ) )sin(12cos)(cos )(sin )12cossin1co(sstargctg 则有：对上面两式求平方和，有（） （）（）得：将上面两式中的第二式除以第一式，有得：in)1cos载波相位测量中的多路径误差载波相位测量中的多路径误差GPS原理及其应用原理及其应用8/25载波相位测量中的多路径误差载波相位测量中的多路径误差 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2222max1(1cos )cossinsi
5、n(1cos )1 ()1coscos0(1cos )(1cossin )arccos(arn);csidd 则，当时， 取得极值11sin()1cosniiiniiiarctgGPS原理及其应用原理及其应用9/25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原理及其应用原理及其应用10/25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11
6、/25测站不宜选择在山坡上、山谷或盆地中GPS原理及其应用原理及其应用12/25测站周围不宜有高层建筑物GPS原理及其应用原理及其应用13/25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(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等等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14/25抑径板半径最小值抑径板半径
7、最小值r的计算方法的计算方法oh/r=tan(z)zr=h/tan(z)=40mm/tan(10 )，其中 为截止高度角GPS原理及其应用原理及其应用15/25应对多路径误差的方法应对多路径误差的方法 外业观测上外业观测上 适当延长观测时间适当延长观测时间 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原理及其应用原理及其应用16/254.8 其他误差改正其他误差改正 地球自转改正地球自转改正 天线相位缠绕天线相位缠绕 天线相位中心误差天线相位中心误差GPS原理及其应用原理及其应用17/25地球自转改正地球自转改正 原理原理 GPS数据处理在地固系下进行
8、数据处理在地固系下进行 在惯性空间中，地固系坐标轴的指向随地球自转而变化，在惯性空间中，地固系坐标轴的指向随地球自转而变化，信号发射时刻信号发射时刻t1和接收时刻和接收时刻t2的地固系不同的地固系不同 地球自转改正的目的是将卫星位置由地球自转改正的目的是将卫星位置由t1时刻地固系下转时刻地固系下转换到换到t2时刻的地固系下，或者直接将距离观测值加上相时刻的地固系下，或者直接将距离观测值加上相应改正数应改正数 影响大小影响大小 对距离观测值的影响对距离观测值的影响 相对定位中对基线分量的影响相对定位中对基线分量的影响GPS原理及其应用原理及其应用18/25地球自转改正地球自转改正 改正方法改正方
9、法 卫星位置的地球自转改正卫星位置的地球自转改正 卫地距的地球自转改正卫地距的地球自转改正1111100000000SSSSSSSSxxyyyxzz 1111()()SSSSxX yyY xcGPS原理及其应用原理及其应用19/25天线相位缠绕天线相位缠绕 概念概念 当当GPS信号发射天线与接收机天线之间存在相信号发射天线与接收机天线之间存在相对旋转时，给载波相位测量带来的误差影响对旋转时，给载波相位测量带来的误差影响 主要指的是由于卫星发射天线旋转引起的相位误差主要指的是由于卫星发射天线旋转引起的相位误差 影响影响 在长距离高精度相对定位和精密单点定位中需在长距离高精度相对定位和精密单点定位
10、中需顾及顾及 改正公式（改正公式（4-122式）式）GPS原理及其应用原理及其应用20/25天线相位中心误差天线相位中心误差 分类分类 卫星天线相位中心改正卫星天线相位中心改正 接收机天线相位中心改正接收机天线相位中心改正 内容内容 天线相位中心偏差天线相位中心偏差PCO 固定的偏差向量固定的偏差向量 天线相位中心变化天线相位中心变化PCV 与信号方向有关与信号方向有关GPS原理及其应用原理及其应用21/25接收机天线相位中心误差接收机天线相位中心误差 IGS提供的天线相位中心改正模型提供的天线相位中心改正模型 相对天线相位中心模型相对天线相位中心模型 以以AOAD/MT型天线为参考标准型天线
11、为参考标准 绝对天线相位中心模型绝对天线相位中心模型 测定方法测定方法 在微波暗室中利用模拟的在微波暗室中利用模拟的GPS信号测定信号测定 在户外用真正的在户外用真正的GPS信号测定信号测定 部分接收机天线相位中心偏差部分接收机天线相位中心偏差PCO (表表4-15) 形式为站心地平坐标系下三个方向的分量形式为站心地平坐标系下三个方向的分量 接收机天线相位中心变化接收机天线相位中心变化PCV 只顾及卫星信号的天顶距（表只顾及卫星信号的天顶距（表4-16） 同时顾及卫星信号天顶距和方位角（表同时顾及卫星信号天顶距和方位角（表4-17）GPS原理及其应用原理及其应用22/25接收机天线相位中心误差
12、的改正接收机天线相位中心误差的改正(11-16) 天线相位中心偏差的改正天线相位中心偏差的改正 天线参考点位置天线参考点位置=天线相位中心位置天线相位中心位置-PCO 天线相位中心变化天线相位中心变化PCV对距离观测值影响的改正对距离观测值影响的改正 几何距离几何距离=观测的距离观测的距离-PCV+其它改正项其它改正项GPS原理及其应用原理及其应用23/25卫星发射天线相位中心误差卫星发射天线相位中心误差 GPS卫星天线相位中心偏差卫星天线相位中心偏差PCO 形式为星固系下的三个分量形式为星固系下的三个分量(表表4-18) 改正公式改正公式 卫星质心的位置卫星质心的位置=卫星天线相位中心的位置
13、卫星天线相位中心的位置-PCO GPS卫星天线相位中心变化卫星天线相位中心变化PCV (表表4-19) 改正公式改正公式 几何距离几何距离=观测的距离观测的距离-PCV+其它改正项其它改正项GPS原理及其应用原理及其应用24/25课堂作业课堂作业 1. 请推导测码伪距测量双频电离层延迟改正请推导测码伪距测量双频电离层延迟改正的公式的公式 2.请推导多路径效应对载波相位测量观测值请推导多路径效应对载波相位测量观测值影响的公式影响的公式GPS原理及其应用原理及其应用25/25思考题思考题 多路径效应对于载波相位测量的影响有何特多路径效应对于载波相位测量的影响有何特点？点？ 应对多路径效应的方法有哪些？应对多路径效应的方法有哪些？
