第6章-卫星导航系统误差分析

卫星导航系统GlobalNavigationSatelliteSystem哈尔滨工程大学卫星导航系统课程组自动化学院第六章卫星导航系统误差分析本章内容安排卫星定位误差来源卫星定位误差分类及影响定位误差消除（消弱）方法通过测量四颗卫星到接收机的距离，结合卫星的空间位置，可以解算出用户接收机的位置坐标值。卫星导航定位是通过地面接收设备接受卫星播发的信息来确定其位置和速度的系统。卫星导航系统误差概述用户真实路径与测量路径大气层实体金属电磁场信号真实传播路径卫星定位误差分类误差偶然误差系统误差信号的多路径效应偶然测量误差星历误差卫星钟差大气折射接收机时钟误差影响大误差分类及影响误差来源对测距的影响与卫星有关的误差星历误差1.5-15.0时钟误差相对论效应与信号传播有关的误差电离层延迟1.5-15.0对流层延迟多路径效应与接收机有关的误差时钟误差1.5-15.0位置误差天线相位中心变化其他误差地球潮汐1.0负荷潮与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差电离层折射对流层折射多路径效应电离层与对流层电离层对流层由于电离层中气体分子受到太阳等天体的射线的辐射，产生强烈的电离，形成大量的自由电子和正离子。对卫星信号产生影响，使信号路径发生弯曲，传播速度也受影响。卫星至接收机的真正距离s为：其中而因此可以看出，电离层改正的多少取决于电子的总量和信号的频率。ionsdct240.28ionesdcNdsf电离层折射误差电离层误差特点（1）对于同一个测站，不同观测方向上的电离层延迟误差不同。天顶方向的电离层误差最小。仰角越低的方向，电离层误差越大。（2）不同测站的电离层延迟误差不同。这是由于不同地点的地方时，季节不同。当两点相距不远时，观测同一颗GPS卫星时，电离层误差的相关性很强。可以近似认为电离层延迟误差基本相等。电离层折射误差对流层的大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂。对流层从地面得到辐射能量，气温随高度上升而降低。因此，卫星信号通过对流层时，路径也发生弯曲。对流层的折射，与地面气候，大气压力温度湿度关系密切。因此折射更加复杂。对流层折射影响与信号高度有关。对流层折射误差多路径是指卫星信号通过多个不同路径传到接收到卫星信号的同时，还可能收到经天线周围地物反射的卫星信号，多种信号叠加就会引起测量参考点（相对中心）的位置变化，这种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应。直接信号多路径效应折射物多路径效应多路径效应(1cos2)(1cos2)2sinsinHGAOAGAzzHzzSSOAGHS'zz反射信号多经过的路径长度为误差24sinHz反射波和直波间接相位延迟多路径误差的解决方法多路径误差不仅与反射系数有关，也和反射物离测站的距离及卫星信号方向有关，无法建立准确的误差改正模型，只能恰当地选择站址，避开信号反射物。解决方法：①选设点位时应远离大面积平静的水面，较好的站址可选在地面有草丛、农作物等植被能较好吸收微波信号的能量的地方；②测站附近不应有高层建筑物，观测时测站附近也不要停放汽车；③测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星星历误差卫星钟的钟误差相对论效应与卫星有关的误差星历误差卫星(,,)xyz报告位置(,,)xyz实际位置由星历所给出的卫星位置与实际位置之差卫星星历误差星历的数据来源广播星历它是卫星电文中所携带的主要信息。根据地面控制中心跟踪站的观测数据进行外推，通过导航卫星发播的一种预报星历。因为，我们对卫星上各种摄动因素的变化规律并不了解，所以，预报数据中存在较大差异。实测星历根据实测资料进行拟合处理而得出的星历。卫星星历误差的影响对单点定位的影响星历误差在接收机至卫星方向上影响测站坐标和接收机钟改正数。与卫星的几何图形有关。对相对定位的影响星历误差对相对定位的影响一般采用下列公式估算：ddbsbbdbdsds基线长度卫星误差引起的基误差卫星至测站的距离星历误差卫星星历相对误差轨道误差对不同长度的基线影响轨道误差基线长度基线误差(ppm)基线误差(mm)2.5m2.5m2.5m2.5m1km10km100km1000km0.1ppm0.1ppm0.1ppm0.1ppm0.1mm1mm10mm100mm0.5m0.5m0.5m0.5m1km10km100km1000km0.002ppm0.002ppm0.002ppm0.002ppm0.002mm0.02mm0.2mm2mm与卫星有关的误差卫星时钟误差接收机2接收机1*1r*2rc卫星时钟与导航系统标准时间的差别卫星钟误差包括钟差、频偏、频漂和随机误差。201020()()staattattt0：参考历元。a0、a1、a2：卫星时钟在t时刻的钟差、钟速及钟速的变率。星钟误差模型相对论效应相对论效应是由于卫星钟的接收机钟所处的状态不同，而引起的卫星钟和接收机钟之间产生的相对钟误差的现象。狭义相对论观点一个频率为f0的振荡器安装飞行速度为v的载体上，由于载体的运动，对地面观测者来说将产生频率变化广义相对论处于不同等位面的振荡器，其频率将由于引力位不同而发生变化。相对论效应的影响并非常数，经改正后仍有残差，它对GPS时的影响最大可达70ns，对精密定位仍不可忽略。狭义相对论若卫星在地心惯性坐标系中的运动速度为Vs则在地面频率为fs的钟安置到卫星上，其频率将变为：两者的频率差为：考虑到GPS卫星的平均运动速度Vs=3874m/s和真空中的光速c=299792458m/s,则因此，卫星上钟的频率将变慢。2022sssVffffc1000.83510sff1222221-1-sssVVfffcc广义相对论原理：由广义相对论可知，若卫星所处的重力位为Ws，地面测站处的重力位为WT，那么同一台钟放在卫星上和放在地面上时钟频率将相差：其中，若地面的地心距R近似取6378km,卫星的地心距近似取26560km,则对GPS卫星而言，广义相对论效应的影响比狭义相对论效应的影响要大得多，且符号相反。总的相对论效应影响：2002211()sTWWfffccRr14323.98600510/ms10205.28410ff101204.44910ffff减弱相对论效应的方法总的相对论效应会使一台钟放到卫星上去后比在地面时增加4.449×10-10f0那么解决相对论效应的最简单的办法就是在制造卫星钟时预先把频率降低4.449×10-10f0。卫星钟的标准频率为10.23×106HZ，所以厂家在生产时应把频率降为10.23×106HZ×(4.449×10-10f0)=10.22999999545×106HZ当这些卫星进入轨道受到相对论效应的影响后，频率正好变为10.23×106HZ标准频率。狭义相对论效应和广义相对论效应都是时间的函数，每颗卫星的改正并不相同。与接收机有关的误差接收机钟误差接收机采用的石英钟，其稳定度一般为10-9。若接收机钟与卫星钟间的同步差为1μs，则由此一起的等效距离误差为300m。接收机的位置误差接收机机天线相位中心相对测站中心位置的误差。在静态绝对定位中，可以认为各观测时刻的接收机钟差是相关的，设法建立一个钟误差模型，在平差计算中求解多项式系数。不过接收机钟的稳定性较差，钟差模型不易反映真实情况，难以充分消除其误差影响。此外，还可以通过在卫星间求一次差来削弱接收机钟差的影响。天线相位中心位置偏差在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，所以天线的相位中心该与其几何中心保持一致。但实际天线的相位中心位置随信号输入的强度和方向不同会发生变化，使其偏离几何中心。这种偏差叫做天线相位中心位置偏差。这种偏差视天线性能的好坏可达数毫米至数厘米，对精密相对定位也是不容忽视的。与接收机有关的误差实际工作中如果使用同一类型天线，在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星，可以通过观测值求差来减弱相位中心偏移的影响。不过这时各测站的天线均应按天线附有的方位标志进行定向，根据仪器说明书的要求，罗盘指向磁北，其定向偏差应在30以内。与接收机有关的误差接收机的测量噪声指用接收机进行GPS测量时，由于仪器设备及外界环境影响而引起的随机测量误差，其值取决于仪器性能及作业环境的优劣。一般而言，测量噪声的值均小于上述的各种偏差值。观测足够长的时间后，测量噪声的影响通常可以忽略不计。消除天线中心相位偏差的方法其他误差地球自转误差地球潮汐改正补充：各类误差的量级(单频C/A码)1-sigma误差，单位m误差来源偏差随机误差总误差星历数据2.10.02.1卫星钟2.00.72.1电离层4.00.54.0对流层0.50.50.7多路径1.01.01.4接收机观测0.50.20.5用户等效距离误差(UERE),rms5.11.45.3滤波后的UERE，rms5.10.45.11-sigma垂直误差–VDOP=2.512.81-sigma水平误差–HDOP=2.010.2各类误差的大小（双频P/Y-码）1-sigma误差，单位m误差来源偏差随机误差总误差星历数据2.10.02.1卫星钟2.00.72.1电离层1.00.71.2对流层0.50.50.7多路径1.01.01.4接收机观测0.50.20.5用户等效距离误差(UERE),rms3.31.53.6滤波后的UERE，rms3.30.43.31-sigma垂直误差–VDOP=2.58.31-sigma水平误差–HDOP=2.06.6卫星导航系统误差的消除和削弱（1）建立误差的改正模型（2）求差法（3）参数法（4）回避法建立误差改正模型模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式。所针对的误差源–相对论效应–电离层延迟–对流层延迟–卫星钟差限制：有些误差难以模型化。改正后的观测值=原始观测值+模型改正求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。所针对的误差源–如对流层延迟–对流层延迟–卫星轨道误差限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱。参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来。适用情况：几乎适用于任何的情况。限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计。回避法原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响。适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。所针对的误差源–电磁波干扰–多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性。减弱电离层影响的措施（1）利用双频接收如分别用两个已知频率f1和f2发射卫星信号，则两个不同频率的信号就会沿同一路径到达接收机。公式中积分值虽然无法计算，但对两个频率的信号却是相同的。（2）利用电离层改正模型加以修正对于单频的卫星导航接收机，一般采用导航电文提供的电离层模型加以改正，从而减弱电离层影响。采用此模型大体上可消除电离层折射的75%左右。（3）相对定位利用两台或多台接收机对同一组卫星的同步观测值求差时可以有效地减弱电离层折射的影响，即使不对电离层折射进行改正，对基线成果的影响一般也不会超过1×10-6。减弱对流层的影响措施212212sin(6.25)sin(2.25)dwdwKKSSSEE67272177.6()105155.210()177.6()54810155.210()40136148.72(273.16)11000sddsssdssswdsssdssdswPKhhTPhhTeKhhTehhThTh模型修正法（1）Hopfi