GNSS定位原理及误差综述

2020-08-04田睿刘晓辉

数码世界 2020年7期

田睿　刘晓辉

摘要：全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）广泛应用于导航定位、制导控制、测绘测量等诸多领域。影响GNSS定位精度的主要误差源包括卫星轨道误差及钟差、电离层延迟、对流层延迟、接收机钟差、观测噪声、多路径效应等。本文首先对GNSS定位原理进行简要概述，并针对各项定位误差源的产生原因、计算方法、修正策略进行了综述。

关键词：全球卫星导航系统定位误差导航定位

1 GNSS定位原理概述

目前，四大全球卫星导航系统（GPS、GLONASS、北斗、Galileo）定位原理是相同的，均采用三球交会定位原理。具体流程如下：

（1）卫星播发测距信号与导航电文，用户接收机捕获接收卫星信号;

（2）用户接收机根据导航电文解算卫星位置，并根据测距信号测量出自身到三颗卫星的距离;

（3）以卫星为球心，卫星与接收机的距离为半径作球面;

（4）三个球面交会于两个点，排除一个不合理点即可解算得到用户位置;

（5）为估计接收机钟差，一般情况下，须四颗以上可见卫星才能完成定位。

2 GNSS基本观测值

2.1 伪距观测值

伪距观测值指卫星发射的测距码信号到达接收机的时间与光速的乘积，但是由于接收机卫星钟误差、电离层误差、对流层误差等误差的存在，使得接收机测出的测距码值并不是真正的距离值，所以称之为伪距。其观测方程可以表示为：

在式（1）中，表示卫星天线相位中心至接收机天线相位中心的几何距离，代表卫星至接收机的真实几何距离，表示真空中的光速，和分别表示接收机和卫星的钟差，代表电离层延迟改正项，代表对流层延迟改正项，表示地球自转引起的误差，表示卫星的轨道误差，表示多路径误差，表示地球固体潮汐引起的误差项，表示伪距的观测噪声。

2.2 载波相位观测值

3 GNSS定位误差浅析

3.1 卫星星历误差与钟差

卫星星历误差与钟差是因为GNSS的地面监控站无法绝对准确地解算和外推卫星轨道与卫星钟频漂而产生的。在经典的标准单点定位中，一般用广播星历计算卫星坐标。但卫星运行轨道会受各种复杂的、目前尚不完全明晰的摄动力影响，这就导致地面监控站无法绝对精确地解算和外推卫星轨道。因此产生卫星星历误差。此外，因为卫星钟难以避免地存在时间偏差（钟差）与频率漂移（钟漂），因此产生卫星钟误差。在精密定位中，常采用IGS发布的事后精密星历或超快速预报星历进行定位，可将误差降低至厘米级。

3.2 电离层延迟误差

电离层是指分布在地面上空60km至1000km之間的大气，由于太阳光照射与宇宙高能粒子的影响，这部分大气含有高密度的正离子和自由电子，当卫星信号经过这段区域时会发生折射效应，传播速度变化，不再为真空光速，同时传播路径有微弱改变。从而使接收机测定的卫星至接收机的距离存在偏差，该误差称之为电离层延迟误差。电离层误差对导航定位的结果带来的影响可达几米甚至几十米，是导航定位中必须要重点考虑的误差之一。可采用差分技术消除电离层延迟误差，但需要事先设置基准站。对于多频用户而言，可采用无电离层组合法消除。对于单频用户而言，可采用高精度格网模型进行消除。

3.3 对流层延迟误差

对流层指的是地球表面高度在50km以下的大气层。当卫星发射的信号穿过对流层时中性大气对信号的折射而产生的延迟误差，称为对流层延迟误差。和电离层延迟误差不同，对流层延迟误差和信号的频率无关，与大气压力、温度、湿度等因素相关。对流层延迟误差也是导航定位中重要的误差源，可采用差分法修正，但需要预设精确的基准站。一般采用模型法进行修正，现有的对流层改正模型主要有：Marini模型、Hopfield模型、Saastamoinen模型、Black模型。

3.4 多路径效应

当卫星发射信号之后，接收机周围的物体表面也会对信号发生反射，这时接收机接收的信号不仅会接收到直接进入到接收机的卫星信号，还会接收到周围物体反射的卫星信号。这种由于两种信号的叠加干涉而使观测值产生的偏差，称为多路径误差。多路径误差与反射体本身的反射系数和反射信号的入射角以及接收机的性能密切相关。现有的削弱多路径误差的措施主要集中在两个方面：一是选择合适的站点位置;二是提升接收机的硬件设备，比如使用高性能的扼流圈天线。

3.5 接收机钟差和接收机天线相位偏差

出于降低成本的考虑，接收机往往采用低成本的石英钟，其钟面时间与标准时间的偏差即为接收机钟差。石英钟相对于卫星原子钟，精度较低，变化较复杂且无规律，这导致接收机钟差较大且难以通过模型化方法修复。因此，在GNSS定位中，通常将接收机钟差作为未知参数引入参数估计，也可以采用星间差分的方法进行消除。

在实际测量中，接收机天线的相位中心会随着不同信号的入射方向发生移动，导致接收机天线的相位中心和几何中心并不重合，两者之间的偏差称为天线相位中心偏差。天线相位中心偏差对于精密的GNSS测量不容忽视，通常使用抑流圈天线[9]和模型改正法消除偏差。

参考文献

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