7.第七章衛(wèi)星定位誤差源分析

1、第七章 衛(wèi)星定位誤差源分析 概 述GPS精度性能取決于偽距和偽距測(cè)量及衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)質(zhì)量，也與這些參數(shù)的物理和數(shù)學(xué)模型的逼真程度有關(guān)衛(wèi)星定位誤差和定位系統(tǒng)空間段、地面段及用戶段有關(guān)分析誤差常將誤差歸化到每顆星的偽距中，偽距值的實(shí)際精度稱做用戶等效距離誤差(UERE)，它是與該衛(wèi)星相關(guān)的每個(gè)誤差源所產(chǎn)生影響的和GPS定位和授時(shí)精度最終將表示為幾何因子和偽距誤差因子之積7-1誤差分類 一、與衛(wèi)星有關(guān)誤差 衛(wèi)星星歷誤差：軌道偏差 衛(wèi)星鐘差誤差 相對(duì)論效應(yīng)二、信號(hào)傳送誤差 電離層延時(shí)誤差 對(duì)流層延時(shí)誤差 多路徑效應(yīng)誤差三、觀測(cè)及接收設(shè)備誤差 接收機(jī)鐘差 接收機(jī)噪聲 天線相位中心誤差 天線安置誤差 四、其

2、它誤差 地球固體潮 地球海潮 太陽(yáng)輻射壓 太陽(yáng)風(fēng)五、美國(guó)SA政策7-2與衛(wèi)星有關(guān)誤差 一、衛(wèi)星星歷誤差 1. 廣播星歷：由地面監(jiān)測(cè)站測(cè)定衛(wèi)星軌道外 推軌道，精度25m。衛(wèi)星軌道誤差影響是將其矢量投影到衛(wèi)星至用戶的視線矢量上的偽距誤差。其誤差大約是4.2m。 精密星歷：實(shí)測(cè)后處理提供星歷，5cm IGS站上取，中國(guó)地殼形變網(wǎng) 2. 星歷對(duì)定位影響dsb3. 解決方法建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)精密定軌軌道松弛法：半短弧法：三個(gè)方向?yàn)槲粗獢?shù) 短弧法：6個(gè)軌道根數(shù)為未知數(shù)二站同步觀測(cè)相對(duì)定位消除二、衛(wèi)星鐘誤差 衛(wèi)星鐘有偏差和漂移，差1ms，相當(dāng)于300KM。l 導(dǎo)航電文中提供修正參數(shù)用模型改正。 t為參考?xì)v元。

3、改正后可達(dá)到20ns，6m誤差l 消除方法：二站同步觀測(cè)相對(duì)定位消除三、相對(duì)論效應(yīng)由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和重力位不同引起衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘時(shí)間差。l 狹義相對(duì)論 衛(wèi)星鐘頻率， 3874m /s，l 廣義相對(duì)論： 衛(wèi)星頻率為= 10.22999999545MHg 在海平面用戶接收頻率為10.23MHZ。當(dāng)衛(wèi)星處在近地點(diǎn)時(shí)，衛(wèi)星速度較高，重力位能較低，這兩項(xiàng)會(huì)使衛(wèi)星時(shí)鐘運(yùn)行放慢。當(dāng)衛(wèi)星處在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)，衛(wèi)星速度較慢，重力位能較高，這兩項(xiàng)會(huì)使衛(wèi)星時(shí)鐘運(yùn)行加快這種效應(yīng)可按下式進(jìn)行補(bǔ)償： tr=Fe sinEk 式中 F=-4.442807633*10-10s/m e=衛(wèi)星軌道偏心率； A=衛(wèi)星軌道

4、長(zhǎng)半軸； Ek=衛(wèi)星軌道的偏近點(diǎn)角。 這種相對(duì)論效應(yīng)最大值能達(dá)到70ns（21m的距離）。 Sangnac效應(yīng)由于信號(hào)傳輸時(shí)地球在自轉(zhuǎn)，所以會(huì)引入一種相對(duì)論誤差，叫做sangnac效應(yīng)。在衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間內(nèi)，地球表面上的時(shí)鐘會(huì)相對(duì)于靜止的地心坐標(biāo)系發(fā)生有限的轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然， 發(fā)射時(shí)的衛(wèi)星 如果用戶發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)是離開(kāi)衛(wèi)星，傳播時(shí)間會(huì)增加，反之亦然。 例如，飛機(jī)以838.2m/s的速度向東飛行，形成地球自轉(zhuǎn)和飛機(jī)速 接收時(shí)的接收機(jī) 發(fā)射時(shí)的接收機(jī) 度相加，總和為1365m/s，在衛(wèi)星對(duì)于用戶幾何布局最壞的情況下，在100秒歷元內(nèi)它產(chǎn)生2.7m的誤差。GPS信號(hào)還要受到地球重力場(chǎng)造成的影響。這種相對(duì)論效

5、應(yīng)的影響0.00110-6，對(duì)點(diǎn)位影響是18.7 mm左右 7-3與信號(hào)傳播有關(guān)誤差 一、電離層延遲 由地面70-1000KM高空中由太陽(yáng)紫外線幅射造成氣體分子電離，釋放出自由電子，形成電離層。它會(huì)影響電磁波的傳播。電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層速度會(huì)發(fā)生變化。 對(duì)C/A碼影響：C/A碼是方波是群速度l對(duì)載波影響：載波是正弦波，是相速度電離層影響與太陽(yáng)黑子活動(dòng)有關(guān)，夜間10ns(3m)左右，白天50ns(15m)。與衛(wèi)星到接收機(jī)高度角有關(guān)。低仰角引起的延遲為天頂方向的3倍。高度角10延遲范圍可從夜間30ns(9m)達(dá)到白天150ns(45m)減弱電離層影響方法 l利用雙頻接收機(jī)： 令 AC40.28 單

6、頻接收機(jī)用 模型改正：Klobachar 任一時(shí)刻t天頂方向的電離層延遲改正任一時(shí)刻 t 仰角為E的觀測(cè)方向電離層延遲改正 Tg,=SF* Tg DC：5ns， TP：14h，為最大電離層延遲所對(duì)應(yīng)的地方時(shí)，P為電離層延遲函數(shù)周期單位秒 為地磁強(qiáng)度mKlobuchar模型該模型假設(shè)垂向電離層延遲在白天可用本地時(shí)的余弦函數(shù)的1/2近似表示，夜間用一個(gè)恒定值近似表示。在中緯度地區(qū)它能消除50%時(shí)延時(shí) 0h 4h 8h 12h 16h 20h 24h 電離層延遲改正模型為了計(jì)算簡(jiǎn)便，將整個(gè)電離層壓縮為一個(gè)單層，稱為中心電離層或平均電離層，該層離地面的高度一般可取350km。K為測(cè)站K至衛(wèi)星方向與中心

7、電離層的交點(diǎn)。只有K才能反映整個(gè)信號(hào)所受到的電離延遲影響的平均情況， m 為該點(diǎn)的地磁緯度。計(jì)算t和m 的方法：首先計(jì)算k和k在地心的夾角EA 式中E觀測(cè)衛(wèi)星方向的仰角。計(jì)算k的地心經(jīng)緯度 式中觀測(cè)站k點(diǎn)的地心經(jīng)、緯度；觀測(cè)衛(wèi)星方向的方位角。計(jì)算k點(diǎn)的地方時(shí)t式中UT觀測(cè)時(shí)刻t的世界時(shí)。計(jì)算的地磁緯度m ：由于地球的磁北極位于： =78.40N,=291.00E現(xiàn)令 展開(kāi)cosx得計(jì)算Tg計(jì)算仰角為E的觀測(cè)方向之 Tg, 的公式：式中:二站同步觀測(cè)減弱 相距20KM二、對(duì)流層影響從地面到高空40KM大氣層為對(duì)流層。電磁波經(jīng)過(guò)對(duì)流層會(huì)產(chǎn)生延遲，和溫度、濕度、氣壓有關(guān)。 天頂方向可達(dá)2.3m， 高

8、度角10o，可達(dá)13m 高度角5o ，可達(dá)25m l模型改正：霍普菲爾德（Hopfield）式中 飽和水汽壓； 其中式中計(jì)算公式中，Ts、PS和eS為觀測(cè)站上量測(cè)的氣溫、氣壓和水汽壓。氣溫采用絕對(duì)溫度，以度為單位；氣壓和水汽壓以毫巴為單位。仰角以（角）度為單位。hS為測(cè)站高程。干溫和氣壓可利用溫度計(jì)和氣壓計(jì)在觀測(cè)站（接收機(jī)天線附近）直接測(cè)定。但水汽壓不能直接測(cè)定，而是利用干溫溫度計(jì)測(cè)定測(cè)站上的干溫和濕溫，然后按下列公式計(jì)算（單位：毫巴）。三、多路徑誤差衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)地面和附近物體反射，形成多路徑到達(dá)接收機(jī)，會(huì)使載波上的PRN碼和導(dǎo)航電文失真，而且還會(huì)使載波相位本身畸變。最嚴(yán)重時(shí)會(huì)使接收機(jī)跟綜環(huán)失

9、鎖。 多路經(jīng)影響由間接信號(hào)的相對(duì)幅度、相位、相位速率和延延有關(guān)。 L1載波最大可達(dá)4.8cm L2載波最大可達(dá)6.1cm 碼影響可達(dá)10m多路徑影響結(jié)果 多路徑消除方法選擇合適的站址：遠(yuǎn)離反射物、山坡、沙丘、水面等帶有抑制板(扼流圈即choke ring)天線截止高度角不要太低長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)7-4接收機(jī)有關(guān)誤差天線相位中心偏移：應(yīng)小于5mm接收機(jī)鐘差：作為未知數(shù)求解 星間差消除 利用模型改正內(nèi)部噪聲：小于0.1mm天線安置誤差：小于1mm7-5美國(guó)的GPS政策GPS有兩種導(dǎo)師定位服務(wù)功能：1、標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)，L1上C/A碼、導(dǎo)航電文。粗碼(C/A)碼定位2、精密定位服務(wù)(PPS)，L1、L

10、2上的P/Y碼和事后提供的精密星歷美國(guó)的GPS政策為： 1)SPS在國(guó)際范圍內(nèi)公開(kāi)使用 2)PPS將長(zhǎng)期保密，僅供美軍和盟國(guó)及特許用戶使用。并實(shí)施反電子欺騙(A-S)措施，將P碼轉(zhuǎn)換為Y碼。 3)美國(guó)不保證GPS的可用性精度和可靠性，對(duì)民間不承擔(dān)責(zé)任。7-6美國(guó)的GPS控制措施限制性措施SA和A-S1.SA(Selective Availability)目的使SPS用戶定位精度降低。SPS用戶的最大單個(gè)誤差源是SA。SA是美國(guó)國(guó)防部（DOD）使用戶導(dǎo)航變差而有意設(shè)置的。SA于1990年3月25日正式實(shí)施。這種使導(dǎo)航變差的作用是通過(guò)操縱廣播星歷數(shù)據(jù)（軌道誤差分量）和使衛(wèi)星時(shí)鐘發(fā)現(xiàn)顫動(dòng)（時(shí)鐘誤差分量）而實(shí)現(xiàn)的。軌道誤差分量用來(lái)表示，而顫動(dòng)分量則表示為。通過(guò)時(shí)鐘顫動(dòng)實(shí)施SA會(huì)引起偽距的時(shí)變擾動(dòng)，即由周期約為4-11分鐘的隨機(jī)振蕩和高達(dá)70m的偽距誤差變化組成。由于SA是在發(fā)射機(jī)那一面（即衛(wèi)星）產(chǎn)生的，所以，這種誤差分量是空間相關(guān)的。 另一種形式的SA是對(duì)廣播星歷加以操縱。將人為誤差引入星歷參數(shù),會(huì)導(dǎo)致用戶確定出錯(cuò)誤的衛(wèi)星位置。廣播星歷數(shù)據(jù)有15種參數(shù)，這意味著誤差可用各種方法引入7-6美國(guó)的GPS控制措施美國(guó)于2000年5月1日取消了SA措施，這是由于美國(guó)已完成精碼直接捕獲技術(shù)。2.A-S措施A-S(Anti-Spoofing)是反電子欺騙技術(shù)，其目的