北斗卫星导航系统误差分析与评估

陈恺

摘 要：北斗卫星导航系统误差还包括卫星误差，以及信号传输的过程中产生的误差、用户接收端的误差，这些误差因素造成卫星导航系统在使用的过程中，无法及时完成定位、完成警告，在警报数值方面存在明显的误差，甚至还会因为定位无法使用，导致出现更多故障。卫星导航系统出现的各种故障都能够被测量，最终通过是卫星导航系统的运用体现出来，造成使用方面的故障。

关键词：北斗卫星 导航系统 误差 评估

Error Analysis and Evaluation of Beidou Satellite Navigation System

Chen Kai

Abstract：Beidou satellite navigation system errors include satellite errors， errors generated in the process of signal transmission， and user receiving errors. These error factors cause the satellite navigation system to be unable to complete positioning and complete warnings in time during the process of use. There are obvious errors in numerical values， and even more failures may occur due to unavailability of positioning. Various malfunctions of the satellite navigation system can be measured， and finally reflected through the use of the satellite navigation system， causing malfunctions in use.

Key words：Beidou satellite， navigation system， error， evaluation

航空领域和科研领域内，对相关设备使用的安全性需求比较高，比如航空领域，航空的安全性和卫星导航系统有直接关系。为保证卫星导航系统的运用效果，保证航空安全、用户飞行安全，研究北斗卫星导航系统误差有很大的必要性，而分析故障来源是比较重要的方向。在文章当中，对北斗卫星导航系统误差进行分析，针对其中的影响因素进行详细分析，并且找出原因，可以给相关行业的人员提供一定的参考方向。

1 北斗卫星导航系统的误差分析和误差计算

北斗卫星信号传输误差的影响因素比较多，影响北斗卫星導航系统定位精度、完整性，误差的来源大致可以分为卫星相关误差、传播过程误差、接收机互相关误差等。

1.1 卫星相关误差

卫星星历可以计算卫星误差，根据具体位置和速度等计算多个要素之间存在的实际偏差，通过卫星星历计算出结果也被称为卫星星历误差[1]。卫星地面站通过设备对每一颗卫星的具体位置进行综合评估、计值拟合产生的数值，最终将这个数值上行加载给卫星，叫做卫星广播星历。进行星历误差计算的时候卫星位置存在的误差矢量反射到用户端，通过表现在测距域表现出来，而产生的误差能够对导航的精度造成一定影响。国际GPS的IGS分析中心可以获取精密星历文件，将精密文件进行对比之后求出误差值，计算具体偏差。计算步骤如下 ：①使用北斗接口控制文件当中计算星历参数卫星轨道的算法，广播星历提取出轨道位置参数之后推算出广播卫星位置。②使用精密星历提取出对应位置的净赚坐标，按照规范采样测量，使用拉格朗日插值法计算出精密卫星位置、速度矢量，速度矢量可以用来转换坐标点。③将运用精密卫星位置、广播卫星位置转换成地心惯性坐标系来计算机地心地固坐标，再将上述坐标转换成原点RTN坐标系，运用其中R径向轴、T切向轴、N法向轴等最终计算出径向切向法上的卫星轨道误差。除了存在卫星相关误差之外，还有卫星钟差。卫星钟差种类比较多，如钟差、钟速、钟漂产生的误差和随机误差。北斗系统内部存在高精度的原子钟，在正常工作状态下能够保证北斗导航的精度的，正常处于稳定状态。星钟校正参数和地面基站符合之后注入到卫星;但是卫星钟面时间、导航系统标准始终彼此之间差距比较大，因此需要根据相关的步骤来计算卫星钟差，从而更好评价卫星，保证精度的完整性。计算流程是提取出钟差参数之后，按照计算卫星相关误差的算法计算广播卫星的一次差均值钟差，之后计算广播卫星钟差、提取出钟差值，使用采样间隔插值。提取精密卫星钟差，两这钟差做差得到一次差，减去广播钟差，得到卫星钟差值，用T表示[2]。

1.2 传播误差

①电离层延迟误差是由于电离层的区域内不稳定所导致的误差，一般在50～1000km范围内存在这种误差，这个区域内自然状态不稳定。电离层内含有非常复杂的带电电子，信号穿透带电层之后信息传输受到影响，信号的传输路径和传输速度也被影响，最终影响定位精度、完整性，这是造成系统误差的最主要因素。北斗卫星系统关于是电离层延迟改正相关的参数有8个，在研究当中，研究电离层延迟改正模型中Klobuchar被人们重视和运用，因此使用该模型来计算。电离层延迟改正报告模型运用8个参数来进行计算，αn、βn（n=0～3），在计算的时候使用8参数和Klobuchar，计算出B1I信号延迟值：

在上述句式当中，t表示接收机到卫星连线和电离层交点的取值，为0～86400，时间（s），tE是测量时刻的 BDT、取秒值。λM是电离层穿吃点地理经度。依次分别列出A2、A4，在句式当中，φM 是维度位置，是通过卫星方位角A、地心张角ψ、用户地理位置φu所得。

由上述句式得到B1I的信号传输路径延迟数值ΙB1I，计算出最终的延迟数值。

②对流延迟

地面到40KM之间就是对流层的范围，对流层内大气压比较复杂，信号传输受到对流层内的温度、气压和相对湿度的影响，对传输信号造成误差，传播路径受到影响，信号传输存在问题。比如延迟现象，对流层的延迟有干延迟、湿延迟。干延迟是大气温度和压力因素导致的延迟;湿延迟是大气湿度和用户所导致。在具体的计算过程中，可以使用EGNOS来计算，在正常等计算当中运用五个气象参数值、年平均值、季节变化平均值来求出最终参数。

③多路径误差

Multipth error是发射器到接收仪器之间景观的不同长度路径的电波，传播的过程中相互之间形成定位干扰。实际上是GNSS信号传输过程被空间反射、折射等，之后进入到接收机内，就会产生多路径误差现象。为削弱多路径效应，应该合理选择观测点，确定观测地点条件良好，避免有遮挡物和反射物体，除此之外还可以抑制多路径效应天线。

1.3 接收机误差

GNSS 接收机本身的误差有观测噪声误差、接收机钟差等，为减少这种误差的存在，可以延长观测时间。导航接收机的核心部分是捕获导航信号、跟踪导航信号，接收机通过对导航信号的跟踪，进行行星地间的伪距测量，伪距测量的精度和接收机伪码跟踪环路的设计有密切的关系，伪码跟踪环路的选择、环路滤波器带寬程度决定了接收机的跟踪性能，因此也就决定了接收机的伪距长度。导航接收机伪码跟踪环路的结构一般有两种方式，延迟锁定环节、交替相关锁定环回路两种，两者之间的区别在于前者和跟踪信号的同时相关，后者交替相关。伪码跟踪环通常有几种鉴相器，例举两种：

由于噪声的影响，接收机伪码跟踪跟踪环路在工作过程中会发生抖动，抖动程度表征了用户接收机的伪距测量精度。

1.4 用户等效测距误差

用UERE来表示，URE是星历误差和卫星钟差的结合，UEE是用户设备误差，能够综合反应控制段和空间段对导航信息精度的影响，侧面体现了基本卫星导航系统的设计性能。SIS URE是指利用预报星历测得卫星的位置和钟差，但是只是预测值，和实际测量值之间有测距。预报星历和钟差的精度也就反应了卫星导航的精度，卫星位置和钟差的实际值是指预测到的任何时刻的真实位置。但是从实际需求出发，实际值无法获取。但是在面对需求的时候，可以研究或者是使用精度更高的方式来测量，得到更高精度的卫星位置和钟差参数值。在实际测量的过程中由于不同卫星导航系统星座的组成存在差异性，很难进行测量。而且目前国内外没有统一的标准来进行实现这种测量。

2 误差结果分析

在误差结果数据分析当中，所有参数来源于北斗卫星导航系统实测数据，于是采集了某年9月23日到29日6天内的测量数据，使用北斗卫星导航系统广播星历、以及Propak6接收机的原始观测参数，将数据用来计算的主要误差、UERE。数据在采取的过程中，采样的间隔时间60s，分析测量参数，分析各项误差平均值等。①在分析之后得出广播星历误差对北斗定位的精度、完整度有很大影响;②在传播过程中，选取出合适的高度截止角度5，来计算一天之内的误差数值。从计算结果当中得出，两者之间的误差在2.426m 和3.701m之间[3]。因此经过实际的计算结果知道电离层和对流层的延迟、定位精度等的完好性有一定的影响。③通过计算用户等效测距误差UERE，得到用户等效测距误差的标准数值。

3 结语

在文章当中，选择机场周围的地理环境来分析导航系统的误差。运用真实地评估模型方式分析误差源、误差，将其放置在机场周围，采集机场的周围接收机接收到的北斗导航原始数据，分析误差、钟差等等。当前北斗卫星并没有实现全球覆盖，因此研究北斗导航系统的误差源可以为航空系统的的精确运用提供参考。

参考文献：

[1]翟显，刘瑞华，王剑，等.北斗卫星导航系统误差分析与评估[J].现代导航， 2018，009（001）：10-15，17.

[2] 马下平，鲁尚强，李秦政，等.北斗卫星导航系统的空间信号精度评估[J].测绘科学，2019，044（001）：90-97.

[3]朱少林，岳东杰，陈健，等.北斗系统星源伪距偏差特性分析及改正[J].测绘通报， 2019，000（003）：11-15，26.