衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)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(lái)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(guò)測(cè)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(guò)地面接收設(shè)備接受衛(wèi)星播發(fā)的信息來(lái)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(cè)量路徑大氣層實(shí)體金屬電磁場(chǎng)信號(hào)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(hào)的多路徑效應(yīng)偶然測(cè)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(lái)源對(duì)測(cè)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(duì)論效應(yīng)與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差電離層延遲1.5-15.0對(duì)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(hào)傳播有關(guān)的誤差與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差電離層折射對(duì)流層折射多路徑效應(yīng)電離層與對(duì)流層電離層對(duì)流層由于電離層中氣體分子受到太陽(yáng)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(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生影響，使信號(hào)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(hào)的頻率。電離層折射誤差電離層誤差特點(diǎn)（1）對(duì)于同一個(gè)測(cè)站，不同觀測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)流層的大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復(fù)雜。對(duì)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(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí)，路徑也發(fā)生彎曲。對(duì)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(duì)流層折射影響與信號(hào)高度有關(guān)。對(duì)流層折射誤差多路徑是指衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)多個(gè)不同路徑傳到接收到衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，還可能收到經(jīng)天線周?chē)匚锓瓷涞男l(wèi)星信號(hào)，多種信號(hào)疊加就會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)（相對(duì)中心）的位置變化，這種由于多路徑的信號(hào)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(hào)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(hào)多經(jīng)過(guò)的路徑長(zhǎng)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(cè)站的距離及衛(wèi)星信號(hào)方向有關(guān)，無(wú)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(kāi)信號(hào)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(hào)的能量的地方；②測(cè)站附近不應(yīng)有高層建筑物，觀測(cè)時(shí)測(cè)站附近也不要停放汽車(chē)；③測(cè)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(duì)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(lái)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，通過(guò)導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)播的一種預(yù)報(bào)星歷。因?yàn)椋覀儗?duì)衛(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(cè)星歷根據(jù)實(shí)測(cè)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(duì)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(cè)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(duì)相對(duì)定位的影響星歷誤差對(duì)相對(duì)定位的影響一般采用下列公式估算：軌道誤差對(duì)不同長(zhǎng)度的基線影響軌道誤差基線長(zhǎng)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(duì)論效應(yīng)相對(duì)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(duì)鐘誤差的現(xiàn)象。狹義相對(duì)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(duì)地面觀測(cè)者來(lái)說(shuō)將產(chǎn)生頻率變化

廣義相對(duì)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(duì)論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，經(jīng)改正后仍有殘差，它對(duì)GPS時(shí)的影響最大可達(dá)70ns，對(duì)精密定位仍不可忽略。狹義相對(duì)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(duì)論原理：由廣義相對(duì)論可知，若衛(wèi)星所處的重力位為Ws

，地面測(cè)站處的重力位為WT，那么同一臺(tái)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(duì)GPS衛(wèi)星而言，廣義相對(duì)論效應(yīng)的影響比狹義相對(duì)論效應(yīng)的影響要大得多，且符號(hào)相反?？偟南鄬?duì)論效應(yīng)影響：減弱相對(duì)論效應(yīng)的方法總的相對(duì)論效應(yīng)會(huì)使一臺(tái)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(duì)論效應(yīng)的最簡(jiǎn)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(duì)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(duì)論效應(yīng)和廣義相對(duì)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(duì)測(cè)站中心位置的誤差。在靜態(tài)絕對(duì)定位中，可以認(rèn)為各觀測(cè)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(guò)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(guò)在衛(wèi)星間求一次差來(lái)削弱接收機(jī)鐘差的影響。天線相位中心位置偏差

在GPS測(cè)量中，觀測(cè)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(hào)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(duì)精密相對(duì)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(cè)站同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，可以通過(guò)觀測(cè)值求差來(lái)減弱相位中心偏移的影響。不過(guò)這時(shí)各測(cè)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(shuō)明書(shū)的要求，羅盤(pán)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(cè)量噪聲指用接收機(jī)進(jìn)行GPS測(cè)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(cè)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(cè)量噪聲的值均小于上述的各種偏差值。觀測(cè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，測(cè)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(jí)(單頻C/A碼)各類誤差的大小（雙頻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(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正。適用情況：對(duì)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(duì)的誤差源相對(duì)論效應(yīng)電離層延遲對(duì)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(cè)值=原始觀測(cè)值+模型改正求差法原理：通過(guò)觀測(cè)值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測(cè)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(duì)的誤差源如對(duì)流層延遲對(duì)流層延遲衛(wèi)星軌道誤差限制：空間相關(guān)性將隨著測(cè)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(lái)。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(lái)估計(jì)?；乇芊ㄔ恚哼x擇合適的觀測(cè)地點(diǎn)，避開(kāi)易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測(cè)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(duì)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(duì)的誤差源電磁波干擾多路徑效應(yīng)限制：無(wú)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(hào)，則兩個(gè)不同頻率的信號(hào)就會(huì)沿同一路徑到達(dá)接收機(jī)。公式中積分值雖然無(wú)法計(jì)算，但對(duì)兩個(gè)頻率的信號(hào)卻是相同的。（2）利用電離層改正模型加以修正對(duì)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(duì)定位利用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī)對(duì)同一組衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差時(shí)可以有效地減弱電離層折射的影響，即使不對(duì)電離層折射進(jìn)行改正，對(duì)基線成果的影響一般也不會(huì)超過(guò)1×10-6。減弱對(duì)流層的影響措施模型修正法（1）Hopfield模型其中

減弱對(duì)流層的影響措施（2）Saastamoinen模型式中，減弱對(duì)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(duì)流層模型，及時(shí)應(yīng)用實(shí)時(shí)測(cè)量的氣象資料，進(jìn)行對(duì)流層延遲修正后，仍然會(huì)存在5%左右的誤差，減弱對(duì)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(cè)站周?chē)貐^(qū)的實(shí)時(shí)氣象資料；（2）利用水汽輻射計(jì)，準(zhǔn)確的測(cè)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(duì)定位來(lái)減弱對(duì)流層延遲影響；（4）完善對(duì)流層大氣折射模型。減弱對(duì)流層的影響措施(5)利用同步觀測(cè)值求差削弱多路徑誤差的方法（1）選擇合適的站址測(cè)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(duì)于極化特性不同的反射信號(hào)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