多模卫星导航信号误差分析(精)

第8卷第3期2008年2月167121819(2008)320715205

科学技术与工程

ScienceTechnologyandEngineering

Vol.8No.3Feb.2008

Ζ2008Sci.Tech.Engng.

航空航天

多模卫星导航信号误差分析

牟奇锋

1,2

刘根旺潘卫军

32

(西南交通大学交通运输学院1,成都610031;中国民航飞行学院空中交通管理学院2,广汉电子科技大学空天科学技术研究院3,成都)

摘要(GNSS)技术发展状况的了解和对系统的脆弱性分析,逐一对误差的性质、,。最后介绍了高动态环境下误差关键词静态误差高动态中图法分类号.24;文献标志码 A

随着GNSS信号和星座数量的增加,未来的空中导航倾向于采用多套星基系统的组合型态以提升卫星导航的抗干扰稳定性,简化GNSS地面构造并缓解由于依赖单一的服务提供者而产生的制度上的隐忧

[1,2]

差。载体动态越大,码相位和载波相位改变越快。本文侧重于多模卫星导航接收机信号模拟器关键技术研究

[3]

,对上述静态误差部分物理特性进行了

详细的分析并建模,同时也介绍了高动态环境下误差模型的一般研究方法。

。未来星基系统包括美国的全球卫星

导航系统(GPS)、俄罗斯的全球卫星导航系统(GLONASS)、国际海事卫星通信系统(INMAR2SAT)、欧洲伽利略卫星导航系统(GALILEO)以及类

1误差分析和建模

1.1静态误差模型

1.1.1与GPS自身有关的误差

GPS信号的自身误差,包括星历误差(轨道误

似我国“北斗”的其他卫星导航系统。随着GNSS的发展,未来将出现以不同方式使用独立GNSS要素的不同组合的机载接收装置。接收机随载体运动,在这样一种高动态环境下,多种模式卫星信号在传输,直至到达机载接收机过程中将产生不等的误差,其组合误差形式将在很大程度上影响相关当局对使用多要素组合的标准化问题的决策。

卫星定位误差主要来源于三种:与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差和与接收机有关的偏

2007年10月31日收到

差)、卫星钟差及相对论效应的影响等,对测量距离的影响为1.5～15m。

(1)星历误差

卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差。由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的,所以又称为卫星轨道误差。误差大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所有的轨道模型及定轨软件的完善程度等。星历误差是GPS测量误差的重要数据来源。

为了估算GPS广播星历误差单因素对定位结果的影响,可通过建立如图1所示的星历误差影响与预测模型来实现误差的估计与分析。

国家高技术研究计划(863)项目

(2006AA12A111)、

民航飞行技术与飞行安全科研(2006KF02)资助

第一作者简介:牟奇锋(1972—),男,副教授,博士研究生,研究方向:交通运输规划与管理。E2mail:mouqifeng@。

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716科学技术与工程8卷

GPS卫星在高约20000km的轨道上运行,由

于狭义相对论和广义相对论效应的影响,卫星钟频率与地面静止钟相比,发生频率偏移,这种安全率偏移带来的误差在精密定位中是不可忽略的

[5]

。

按照狭义相对论的观点,一个频率为f0的震荡器安装在飞行速度为v的载体上,由于载体的运动,,其改变量为

Δ0

c

(2)

c,卫星钟的钟

。根据公式:

v=gRm

RR(3)

可得:

gRΔf1=-2Rmf0

2cR(4)

(4)式中,g为地面重力加速度,Rm为地球平均半

径,R1为卫星轨道平均半径。按照广义相对论的观

图1广播星历误差影响诊断与预测模型[4]

点,处于不同等位面的振荡器,其频率f0将由于引力位不同而发生变化。例如卫星钟与地面钟相比处于较高的引力位,将产生引力频移,此时卫星钟要走得快一些,其钟频增加量为:

Δf=Δf1+Δf2=

gRc

(2)卫星钟误差

由于卫星的空间位置随时间变化,所以GPS测量以精密测时为基础,GPS测量精度与时钟误差密切相关。所谓时钟误差就是指卫星钟误差,以及接收机钟误差。虽然卫星配备了高精度的原子钟,但是卫星的钟面时也与GPS时钟之间有误差,即卫星钟误差仍在1ms以内,而1ms钟差引起的等效距离误差是300km,远不能满足定位精度要求。为改正卫星钟误差,可通过连续监测精确确定其运行状态参数,而将卫星钟钟面在t时刻的改正数表示为二阶多项式:

Δt=a0+a1t-+a2t-2

1-

3Rm

f0

2R(5)

将GPS卫星钟的标准频率f0=10.23MHz代入得Δf=0.0054Hz。

这说明卫星钟比地面钟走得快。为了解决相对论的影响,通常将GPS卫星钟的频率减小约0.00455Hz。使卫星钟进入轨道受到相对论效应

影响后,恰与标准频率10.23Hz相一致。1.1.2GPS信号的传输误差

(1)电离层延迟误差

GPS信号在电离层中的传播主要受自由电荷粒

(1)

(1)式中,t0为参考历元;a0为卫星钟在t0时刻

的钟差;a1为卫星钟在t0时刻的钟速,a2为卫星钟在t0时刻的钟速变化率。

经钟差改正后,各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内,由此引起的等效距离不超过6m。

(3)相对论效应的影响

子的影响,电离层的电子密度受高度、地方时、太阳活动的程度、季节变化的影响非常大。

电离层对GPS信号的折射效应产生的信号传播的时间延迟,在最坏的情况下可达300ns,相当于90m的距离误差。因此,它是GPS定位中的一个重

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3期高俊钗,等:多模卫星导航信号误差分析717

要误差源。课题研究中应建立精确的电离层延迟误差模型,真实地反映目标受电离层影响的程度,研究存在导航误差情况下的导航信号生成技术。

电离层延迟改正模型可分为预报模型、实时模型和后处理模型三类。

GPS广播星历采用Klobuchar电离层模型

[6]

接收机和M两点地心夹角(单位为半圆),A为卫星的方位角(单位rad),此处λi的单位为半圆,其中:

φu+ψcosA,

φi+0.416,-0.416,

φi≤0.416φi>0.416φi<-0.416

(11)

,

用于单频接收机的电离层延迟改正。该模型的特点是单层模型,首先求得接收机与卫星连线和电离层交点处垂直方向的延迟值,该值在当地时间子夜前后为常数,在14时左右为余弦曲线的极点,再乘迟值,其数学表达式如下: