衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GlobalNavigationSatelliteSystem哈爾濱工程大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課程組自動(dòng)化學(xué)院

第六章衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析本章內(nèi)容安排衛(wèi)星定位誤差來源衛(wèi)星定位誤差分類及影響定位誤差消除（消弱）方法通過測量四顆衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，結(jié)合衛(wèi)星的空間位置，可以解算出用戶接收機(jī)的位置坐標(biāo)值。衛(wèi)星導(dǎo)航定位是通過地面接收設(shè)備接受衛(wèi)星播發(fā)的信息來確定其位置和速度的系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差概述用戶真實(shí)路徑與測量路徑大氣層實(shí)體金屬電磁場信號真實(shí)傳播路徑衛(wèi)星定位誤差分類誤差偶然誤差系統(tǒng)誤差信號的多路徑效應(yīng)偶然測量誤差星歷誤差衛(wèi)星鐘差大氣折射接收機(jī)時(shí)鐘誤差影響大誤差分類及影響誤差來源對測距的影響與衛(wèi)星有關(guān)的誤差星歷誤差1.5-15.0時(shí)鐘誤差相對論效應(yīng)與信號傳播有關(guān)的誤差電離層延遲1.5-15.0對流層延遲多路徑效應(yīng)與接收機(jī)有關(guān)的誤差時(shí)鐘誤差1.5-15.0位置誤差天線相位中心變化其他誤差地球潮汐1.0負(fù)荷潮與信號傳播有關(guān)的誤差與信號傳播有關(guān)的誤差電離層折射對流層折射多路徑效應(yīng)電離層與對流層電離層對流層由于電離層中氣體分子受到太陽等天體的射線的輻射，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離，形成大量的自由電子和正離子。對衛(wèi)星信號產(chǎn)生影響，使信號路徑發(fā)生彎曲，傳播速度也受影響。衛(wèi)星至接收機(jī)的真正距離s為：

其中而

因此可以看出，電離層改正的多少取決于電子的總量和信號的頻率。電離層折射誤差電離層誤差特點(diǎn)（1）對于同一個(gè)測站，不同觀測方向上的電離層延遲誤差不同。天頂方向的電離層誤差最小。仰角越低的方向，電離層誤差越大。（2）不同測站的電離層延遲誤差不同。這是由于不同地點(diǎn)的地方時(shí)，季節(jié)不同。當(dāng)兩點(diǎn)相距不遠(yuǎn)時(shí)，觀測同一顆GPS衛(wèi)星時(shí)，電離層誤差的相關(guān)性很強(qiáng)?？梢越普J(rèn)為電離層延遲誤差基本相等。電離層折射誤差對流層的大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復(fù)雜。對流層從地面得到輻射能量，氣溫隨高度上升而降低。因此，衛(wèi)星信號通過對流層時(shí)，路徑也發(fā)生彎曲。對流層的折射，與地面氣候，大氣壓力溫度濕度關(guān)系密切。因此折射更加復(fù)雜。對流層折射影響與信號高度有關(guān)。對流層折射誤差多路徑是指衛(wèi)星信號通過多個(gè)不同路徑傳到接收到衛(wèi)星信號的同時(shí)，還可能收到經(jīng)天線周圍地物反射的衛(wèi)星信號，多種信號疊加就會(huì)引起測量參考點(diǎn)（相對中心）的位置變化，這種由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)。直接信號多路徑效應(yīng)折射物多路徑效應(yīng)多路徑效應(yīng)反射信號多經(jīng)過的路徑長度為誤差反射波和直波間接相位延遲多路徑誤差的解決方法

多路徑誤差不僅與反射系數(shù)有關(guān)，也和反射物離測站的距離及衛(wèi)星信號方向有關(guān)，無法建立準(zhǔn)確的誤差改正模型，只能恰當(dāng)?shù)剡x擇站址，避開信號反射物。解決方法：①選設(shè)點(diǎn)位時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離大面積平靜的水面，較好的站址可選在地面有草叢、農(nóng)作物等植被能較好吸收微波信號的能量的地方；②測站附近不應(yīng)有高層建筑物，觀測時(shí)測站附近也不要停放汽車；③測站不宜選在山坡、山谷和盆地中。與衛(wèi)星有關(guān)的誤差與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星鐘的鐘誤差相對論效應(yīng)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差星歷誤差 由星歷所給出的衛(wèi)星位置與實(shí)際位置之差衛(wèi)星星歷誤差星歷的數(shù)據(jù)來源廣播星歷它是衛(wèi)星電文中所攜帶的主要信息。根據(jù)地面控制中心跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，通過導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)播的一種預(yù)報(bào)星歷。因?yàn)椋覀儗πl(wèi)星上各種攝動(dòng)因素的變化規(guī)律并不了解，所以，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)中存在較大差異。實(shí)測星歷根據(jù)實(shí)測資料進(jìn)行擬合處理而得出的星歷。衛(wèi)星星歷誤差的影響對單點(diǎn)定位的影響星歷誤差在接收機(jī)至衛(wèi)星方向上影響測站坐標(biāo)和接收機(jī)鐘改正數(shù)。與衛(wèi)星的幾何圖形有關(guān)。對相對定位的影響星歷誤差對相對定位的影響一般采用下列公式估算：軌道誤差對不同長度的基線影響軌道誤差基線長度基線誤差(ppm)基線誤差(mm)2.5m2.5m2.5m2.5m1km10km100km1000km0.1ppm0.1ppm0.1ppm0.1ppm0.1mm1mm10mm100mm0.5m0.5m0.5m0.5m1km10km100km1000km0.002ppm0.002ppm0.002ppm0.002ppm0.002mm0.02mm0.2mm2mm與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星時(shí)鐘誤差

接收機(jī)2接收機(jī)1衛(wèi)星時(shí)鐘與導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差別衛(wèi)星鐘誤差包括鐘差、頻偏、頻漂和隨機(jī)誤差。t0

：參考?xì)v元。a0、a1、a2：衛(wèi)星時(shí)鐘在t時(shí)刻的鐘差、鐘速及鐘速的變率。星鐘誤差模型相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘的接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)不同，而引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生的相對鐘誤差的現(xiàn)象。狹義相對論觀點(diǎn)

一個(gè)頻率為f0的振蕩器安裝飛行速度為v的載體上，由于載體的運(yùn)動(dòng)，對地面觀測者來說將產(chǎn)生頻率變化

廣義相對論

處于不同等位面的振蕩器，其頻率將由于引力位不同而發(fā)生變化。相對論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，經(jīng)改正后仍有殘差，它對GPS時(shí)的影響最大可達(dá)70ns，對精密定位仍不可忽略。狹義相對論若衛(wèi)星在地心慣性坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)速度為Vs則在地面頻率為fs的鐘安置到衛(wèi)星上，其頻率將變?yōu)椋簝烧叩念l率差為：考慮到GPS衛(wèi)星的平均運(yùn)動(dòng)速度Vs=3874m/s和真空中的光速c=299792458m/s,則因此，衛(wèi)星上鐘的頻率將變慢。廣義相對論原理：由廣義相對論可知，若衛(wèi)星所處的重力位為Ws

，地面測站處的重力位為WT，那么同一臺鐘放在衛(wèi)星上和放在地面上時(shí)鐘頻率將相差：其中，若地面的地心距R近似取6378km,衛(wèi)星的地心距近似取26560km,則

對GPS衛(wèi)星而言，廣義相對論效應(yīng)的影響比狹義相對論效應(yīng)的影響要大得多，且符號相反?？偟南鄬φ撔?yīng)影響：減弱相對論效應(yīng)的方法總的相對論效應(yīng)會(huì)使一臺鐘放到衛(wèi)星上去后比在地面時(shí)增加4.449×10-10

f0

那么解決相對論效應(yīng)的最簡單的辦法就是在制造衛(wèi)星鐘時(shí)預(yù)先把頻率降低4.449×10-10

f0

。衛(wèi)星鐘的標(biāo)準(zhǔn)頻率為

10.23×106HZ，所以廠家在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)把頻率降為10.23×106HZ×

(4.449×10-10

f0

)=10.22999999545×106HZ當(dāng)這些衛(wèi)星進(jìn)入軌道受到相對論效應(yīng)的影響后，頻率正好變?yōu)?0.23×106HZ標(biāo)準(zhǔn)頻率。狹義相對論效應(yīng)和廣義相對論效應(yīng)都是時(shí)間的函數(shù)，每顆衛(wèi)星的改正并不相同。與接收機(jī)有關(guān)的誤差接收機(jī)鐘誤差接收機(jī)采用的石英鐘，其穩(wěn)定度一般為10-9。若接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘間的同步差為1μs，則由此一起的等效距離誤差為300m。接收機(jī)的位置誤差接收機(jī)機(jī)天線相位中心相對測站中心位置的誤差。在靜態(tài)絕對定位中，可以認(rèn)為各觀測時(shí)刻的接收機(jī)鐘差是相關(guān)的，設(shè)法建立一個(gè)鐘誤差模型，在平差計(jì)算中求解多項(xiàng)式系數(shù)。不過接收機(jī)鐘的穩(wěn)定性較差，鐘差模型不易反映真實(shí)情況，難以充分消除其誤差影響。此外，還可以通過在衛(wèi)星間求一次差來削弱接收機(jī)鐘差的影響。天線相位中心位置偏差

在GPS測量中，觀測值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)的，所以天線的相位中心該與其幾何中心保持一致。但實(shí)際天線的相位中心位置隨信號輸入的強(qiáng)度和方向不同會(huì)發(fā)生變化，使其偏離幾何中心。這種偏差叫做天線相位中心位置偏差。

這種偏差視天線性能的好壞可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米，對精密相對定位也是不容忽視的。與接收機(jī)有關(guān)的誤差實(shí)際工作中如果使用同一類型天線，在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)測站同步觀測同一組衛(wèi)星，可以通過觀測值求差來減弱相位中心偏移的影響。不過這時(shí)各測站的天線均應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)志進(jìn)行定向，根據(jù)儀器說明書的要求，羅盤指向磁北，其定向偏差應(yīng)在30以內(nèi)。與接收機(jī)有關(guān)的誤差接收機(jī)的測量噪聲指用接收機(jī)進(jìn)行GPS測量時(shí)，由于儀器設(shè)備及外界環(huán)境影響而引起的隨機(jī)測量誤差，其值取決于儀器性能及作業(yè)環(huán)境的優(yōu)劣。一般而言，測量噪聲的值均小于上述的各種偏差值。觀測足夠長的時(shí)間后，測量噪聲的影響通?？梢院雎圆挥?jì)。消除天線中心相位偏差的方法其他誤差地球自轉(zhuǎn)誤差地球潮汐改正補(bǔ)充：各類誤差的量級(單頻C/A碼)各類誤差的大?。p頻P/Y-碼）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的消除和削弱（1）建立誤差的改正模型（2）求差法（3）參數(shù)法（4）回避法建立誤差改正模型模型改正法原理：利用模型計(jì)算出誤差影響的大小，直接對觀測值進(jìn)行修正。適用情況：對誤差的特性、機(jī)制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗(yàn)公式。所針對的誤差源相對論效應(yīng)電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星鐘差限制：有些誤差難以模型化。改正后的觀測值=原始觀測值+模型改正求差法原理：通過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測值中所包含的相同或相似的誤差影響。適用情況：誤差具有較強(qiáng)的空間、時(shí)間或其它類型的相關(guān)性。所針對的誤差源如對流層延遲對流層延遲衛(wèi)星軌道誤差限制：空間相關(guān)性將隨著測站間距離的增加而減弱。參數(shù)法原理：采用參數(shù)估計(jì)的方法，將系統(tǒng)性偏差求定出來。適用情況：幾乎適用于任何的情況。限制：不能同時(shí)將所有影響均作為參數(shù)來估計(jì)?；乇芊ㄔ恚哼x擇合適的觀測地點(diǎn)，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測方法；采用特殊的硬件設(shè)備，消除或減弱誤差的影響。適用情況：對誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解；具有特殊的設(shè)備。所針對的誤差源電磁波干擾多路徑效應(yīng)限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性。減弱電離層影響的措施（1）利用雙頻接收如分別用兩個(gè)已知頻率f1和f2發(fā)射衛(wèi)星信號，則兩個(gè)不同頻率的信號就會(huì)沿同一路徑到達(dá)接收機(jī)。公式中積分值雖然無法計(jì)算，但對兩個(gè)頻率的信號卻是相同的。（2）利用電離層改正模型加以修正對于單頻的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，一般采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型加以改正，從而減弱電離層影響。采用此模型大體上可消除電離層折射的75%左右。（3）相對定位利用兩臺或多臺接收機(jī)對同一組衛(wèi)星的同步觀測值求差時(shí)可以有效地減弱電離層折射的影響，即使不對電離層折射進(jìn)行改正，對基線成果的影響一般也不會(huì)超過1×10-6。減弱對流層的影響措施模型修正法（1）Hopfield模型其中

減弱對流層的影響措施（2）Saastamoinen模型式中，減弱對流層的影響措施（3）Black模型其中理論分析與實(shí)踐表明，目前采用各種對流層模型，及時(shí)應(yīng)用實(shí)時(shí)測量的氣象資料，進(jìn)行對流層延遲修正后，仍然會(huì)存在5%左右的誤差，減弱對流層折射改正項(xiàng)的殘差的主要措施有：（1）盡可能充分掌握觀測站周圍地區(qū)的實(shí)時(shí)氣象資料；（2）利用水汽輻射計(jì)，準(zhǔn)確的測定電磁波傳播路徑上的水氣積累量，以便精確計(jì)算大氣濕分量的改正項(xiàng)；（3）利用相對定位來減弱對流層延遲影響；（4）完善對流層大氣折射模型。減弱對流層的影響措施(5)利用同步觀測值求差削弱多路徑誤差的方法（1）選擇合適的站址測站應(yīng)遠(yuǎn)離大面積平靜的水面，不易選擇在山坡、山谷和盆地中。（2）利用高性能接收機(jī)天線

a.在天線中設(shè)置抑徑板

b.接收的天線對于極化特性不同的反射信號應(yīng)該有較強(qiáng)的抑制作用。解決星歷誤差的方法(1)建立自己的衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立定軌(2