7.第七章卫星定位误差源分析

1、第七章 卫星定位误差源分析 概 述GPS精度性能取决于伪距和伪距测量及卫星星历数据质量，也与这些参数的物理和数学模型的逼真程度有关卫星定位误差和定位系统空间段、地面段及用户段有关分析误差常将误差归化到每颗星的伪距中，伪距值的实际精度称做用户等效距离误差(UERE)，它是与该卫星相关的每个误差源所产生影响的和GPS定位和授时精度最终将表示为几何因子和伪距误差因子之积7-1误差分类 一、与卫星有关误差 卫星星历误差：轨道偏差 卫星钟差误差 相对论效应二、信号传送误差 电离层延时误差 对流层延时误差 多路径效应误差三、观测及接收设备误差 接收机钟差 接收机噪声 天线相位中心误差 天线安置误差 四、其

2、它误差 地球固体潮 地球海潮 太阳辐射压 太阳风五、美国SA政策7-2与卫星有关误差 一、卫星星历误差 1. 广播星历：由地面监测站测定卫星轨道外 推轨道，精度25m。卫星轨道误差影响是将其矢量投影到卫星至用户的视线矢量上的伪距误差。其误差大约是4.2m。 精密星历：实测后处理提供星历，5cm IGS站上取，中国地壳形变网 2. 星历对定位影响dsb3. 解决方法建立卫星跟踪网精密定轨轨道松弛法：半短弧法：三个方向为未知数 短弧法：6个轨道根数为未知数二站同步观测相对定位消除二、卫星钟误差 卫星钟有偏差和漂移，差1ms，相当于300KM。l 导航电文中提供修正参数用模型改正。 t为参考历元。

3、改正后可达到20ns，6m误差l 消除方法：二站同步观测相对定位消除三、相对论效应由于卫星钟和接收机钟所处运动状态和重力位不同引起卫星钟和接收机钟时间差。l 狭义相对论 卫星钟频率， 3874m /s，l 广义相对论： 卫星频率为= 10.22999999545MHg 在海平面用户接收频率为10.23MHZ。当卫星处在近地点时，卫星速度较高，重力位能较低，这两项会使卫星时钟运行放慢。当卫星处在远地点时，卫星速度较慢，重力位能较高，这两项会使卫星时钟运行加快这种效应可按下式进行补偿： tr=Fe sinEk 式中 F=-4.442807633*10-10s/m e=卫星轨道偏心率； A=卫星轨道

4、长半轴； Ek=卫星轨道的偏近点角。 这种相对论效应最大值能达到70ns（21m的距离）。 Sangnac效应由于信号传输时地球在自转，所以会引入一种相对论误差，叫做sangnac效应。在卫星信号传输的时间内，地球表面上的时钟会相对于静止的地心坐标系发生有限的转动。显然， 发射时的卫星 如果用户发生的转动是离开卫星，传播时间会增加，反之亦然。 例如，飞机以838.2m/s的速度向东飞行，形成地球自转和飞机速 接收时的接收机 发射时的接收机 度相加，总和为1365m/s，在卫星对于用户几何布局最坏的情况下，在100秒历元内它产生2.7m的误差。GPS信号还要受到地球重力场造成的影响。这种相对论效

5、应的影响0.00110-6，对点位影响是18.7 mm左右 7-3与信号传播有关误差 一、电离层延迟 由地面70-1000KM高空中由太阳紫外线幅射造成气体分子电离，释放出自由电子，形成电离层。它会影响电磁波的传播。电磁波信号经过电离层速度会发生变化。 对C/A码影响：C/A码是方波是群速度l对载波影响：载波是正弦波，是相速度电离层影响与太阳黑子活动有关，夜间10ns(3m)左右，白天50ns(15m)。与卫星到接收机高度角有关。低仰角引起的延迟为天顶方向的3倍。高度角10延迟范围可从夜间30ns(9m)达到白天150ns(45m)减弱电离层影响方法 l利用双频接收机： 令 AC40.28 单

6、频接收机用 模型改正：Klobachar 任一时刻t天顶方向的电离层延迟改正任一时刻 t 仰角为E的观测方向电离层延迟改正 Tg,=SF* Tg DC：5ns， TP：14h，为最大电离层延迟所对应的地方时，P为电离层延迟函数周期单位秒 为地磁强度mKlobuchar模型该模型假设垂向电离层延迟在白天可用本地时的余弦函数的1/2近似表示，夜间用一个恒定值近似表示。在中纬度地区它能消除50%时延时 0h 4h 8h 12h 16h 20h 24h 电离层延迟改正模型为了计算简便，将整个电离层压缩为一个单层，称为中心电离层或平均电离层，该层离地面的高度一般可取350km。K为测站K至卫星方向与中心

7、电离层的交点。只有K才能反映整个信号所受到的电离延迟影响的平均情况， m 为该点的地磁纬度。计算t和m 的方法：首先计算k和k在地心的夹角EA 式中E观测卫星方向的仰角。计算k的地心经纬度 式中观测站k点的地心经、纬度；观测卫星方向的方位角。计算k点的地方时t式中UT观测时刻t的世界时。计算的地磁纬度m ：由于地球的磁北极位于： =78.40N,=291.00E现令 展开cosx得计算Tg计算仰角为E的观测方向之 Tg, 的公式：式中:二站同步观测减弱 相距20KM二、对流层影响从地面到高空40KM大气层为对流层。电磁波经过对流层会产生延迟，和温度、湿度、气压有关。 天顶方向可达2.3m， 高

8、度角10o，可达13m 高度角5o ，可达25m l模型改正：霍普菲尔德（Hopfield）式中 饱和水汽压； 其中式中计算公式中，Ts、PS和eS为观测站上量测的气温、气压和水汽压。气温采用绝对温度，以度为单位；气压和水汽压以毫巴为单位。仰角以（角）度为单位。hS为测站高程。干温和气压可利用温度计和气压计在观测站（接收机天线附近）直接测定。但水汽压不能直接测定，而是利用干温温度计测定测站上的干温和湿温，然后按下列公式计算（单位：毫巴）。三、多路径误差卫星信号通过地面和附近物体反射，形成多路径到达接收机，会使载波上的PRN码和导航电文失真，而且还会使载波相位本身畸变。最严重时会使接收机跟综环失

9、锁。 多路经影响由间接信号的相对幅度、相位、相位速率和延延有关。 L1载波最大可达4.8cm L2载波最大可达6.1cm 码影响可达10m多路径影响结果 多路径消除方法选择合适的站址：远离反射物、山坡、沙丘、水面等带有抑制板(扼流圈即choke ring)天线截止高度角不要太低长时间观测7-4接收机有关误差天线相位中心偏移：应小于5mm接收机钟差：作为未知数求解 星间差消除 利用模型改正内部噪声：小于0.1mm天线安置误差：小于1mm7-5美国的GPS政策GPS有两种导师定位服务功能：1、标准定位服务(SPS)，L1上C/A码、导航电文。粗码(C/A)码定位2、精密定位服务(PPS)，L1、L

10、2上的P/Y码和事后提供的精密星历美国的GPS政策为： 1)SPS在国际范围内公开使用 2)PPS将长期保密，仅供美军和盟国及特许用户使用。并实施反电子欺骗(A-S)措施，将P码转换为Y码。 3)美国不保证GPS的可用性精度和可靠性，对民间不承担责任。7-6美国的GPS控制措施限制性措施SA和A-S1.SA(Selective Availability)目的使SPS用户定位精度降低。SPS用户的最大单个误差源是SA。SA是美国国防部（DOD）使用户导航变差而有意设置的。SA于1990年3月25日正式实施。这种使导航变差的作用是通过操纵广播星历数据（轨道误差分量）和使卫星时钟发现颤动（时钟误差分量）而实现的。轨道误差分量用来表示，而颤动分量则表示为。通过时钟颤动实施SA会引起伪距的时变扰动，即由周期约为4-11分钟的随机振荡和高达70m的伪距误差变化组成。由于SA是在发射机那一面（即卫星）产生的，所以，这种误差分量是空间相关的。 另一种形式的SA是对广播星历加以操纵。将人为误差引入星历参数,会导致用户确定出错误的卫星位置。广播星历数据有15种参数，这意味着误差可用各种方法引入7-6美国的GPS控制措施美国于2000年5月1日取消了SA措施，这是由于美国已完成精码直接捕获技术。2.A-S措施A-S(Anti-Spoofing)是反电子欺骗技术，其目的