衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位精度評(píng)估方法研究

邢旺

摘要：分析了衛(wèi)星定位測量過程中存在的各種誤差，提出了較為系統(tǒng)的精度評(píng)估測試方法和統(tǒng)計(jì)算法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)應(yīng)用驗(yàn)證評(píng)估方法的準(zhǔn)確性與實(shí)用性，為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位精度的評(píng)估提供依據(jù)。

Abstract： The errors in the satellite positioning measurement are analyzed. The testing methods and statistical algorithms of positioning accuracy evaluation are proposed. Both theoretic analysis and experimental results can verify the accuracy and practicality of the evaluation methods. The study can provide a basis for evaluating the positioning accuracy of satellite navigation receiver.

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航;誤差;定位精度;精度評(píng)估

Key words： satellite navigation;error;positioning accuracy;accuracy evaluation

中圖分類號(hào)：TN967.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）16-0150-03

0? 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的蓬勃發(fā)展，基于衛(wèi)星技術(shù)的定位導(dǎo)航終端已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事安全、大地測量、航海航空、氣象服務(wù)、物流交通等領(lǐng)域。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的性能指標(biāo)眾多，最重要的指標(biāo)就是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的定位精度，其反映的是接收機(jī)測量解算的位置坐標(biāo)與實(shí)際位置坐標(biāo)之間的離散度和差異度。當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位精度較低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測量位置與實(shí)際位置距離較遠(yuǎn)，難以滿足用戶導(dǎo)航、定位、測速等需求，甚至造成不可估量的損失，所以，事先對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的精度進(jìn)行評(píng)估具有極其重要的作用[1]。本文首先分析了衛(wèi)星定位測量過程中存在的各種誤差，然后針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的應(yīng)用場景提出了較為系統(tǒng)的精度評(píng)估測試方法和統(tǒng)計(jì)算法，并結(jié)合實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證評(píng)估方法的準(zhǔn)確性與實(shí)用性，為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位精度的評(píng)估提供依據(jù)。

1? 誤差因素分析

1.1 衛(wèi)星本身的誤差

導(dǎo)航衛(wèi)星本身造成的誤差有衛(wèi)星星歷誤差與衛(wèi)星鐘差。衛(wèi)星星歷誤差主要為地面監(jiān)控站提供的衛(wèi)星位置和衛(wèi)星實(shí)際位置的偏差。衛(wèi)星鐘差一般指在衛(wèi)星內(nèi)部安置一個(gè)鐘面時(shí)，并且鐘面時(shí)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間存在一定的差異，通常衛(wèi)星鐘差包括鐘差和頻偏等偏差。

1.2 信號(hào)傳播過程中的誤差

衛(wèi)星信號(hào)在傳輸過程中，需要經(jīng)過地球的電離層、對流層，在電離層與對流層中傳輸時(shí)，會(huì)因折射造成信號(hào)傳輸路徑改變，造成衛(wèi)星信號(hào)傳輸誤差;衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)天線附近往往因信號(hào)反射造成多路徑效應(yīng)，使信號(hào)傳輸距離增加，造成多路徑偏差。

1.3 接收機(jī)本身的誤差

接收機(jī)本身的誤差包括接收機(jī)鐘差和天線誤差。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)置一個(gè)時(shí)鐘，其與衛(wèi)星系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的誤差為接收機(jī)鐘差，接收機(jī)天線誤差包括天線相位中心誤差和天線布設(shè)時(shí)造成的位置偏差[2]。

接收機(jī)的位置誤差是接收設(shè)備天線相位中心相對標(biāo)識(shí)中心位置存在的誤差，包括天線的置平和對中誤差及量取天線高的誤差等。因此，在精密測量中，必須仔細(xì)操作，以盡量減少這種誤差的影響。接收機(jī)天線相位中心偏差是接收設(shè)備天線的相位中心與幾何中心之間的偏差。在短基線上，采用同一類型的天線，可以通過求差來減弱它的影響，但各個(gè)觀測站的天線應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向[2]。

2? 精度評(píng)估測試方法

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)可以根據(jù)用途、工作原理、接收頻率等進(jìn)行分類，每種接收機(jī)也具有多種功能，需要根據(jù)接收機(jī)的各種定位精度指標(biāo)，設(shè)置不同的精度評(píng)估測試實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估接收機(jī)定位精度是否滿足指標(biāo)要求。通常，按照接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以將測試實(shí)驗(yàn)分為靜態(tài)定位精度測試和動(dòng)態(tài)定位精度測試。

2.1 靜態(tài)定位精度測試

靜態(tài)定位精度測試通常需要將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)天線放到已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)上，以基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)作為位置真值，測試環(huán)境應(yīng)具有良好的衛(wèi)星通視狀況，并且測試場地附近無電磁信號(hào)干擾，根據(jù)接收機(jī)的靜態(tài)定位精度指標(biāo)，設(shè)置相應(yīng)的測試場景，錄取足夠的位置測量數(shù)據(jù)[3]。

2.2 動(dòng)態(tài)定位精度測試

在實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)往往不是靜止不動(dòng)的，動(dòng)態(tài)定位才是常用的工作模式。為模擬動(dòng)態(tài)場景，可將接收機(jī)天線置于提前設(shè)計(jì)好的機(jī)械裝置上，使機(jī)械裝置處于直線、圓周、正弦等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)錄取接收機(jī)的位置測量數(shù)據(jù)，與運(yùn)動(dòng)路線上的已知坐標(biāo)進(jìn)行對比，評(píng)估接收機(jī)的動(dòng)態(tài)定位精度。為了逼近真實(shí)的使用場景，也可以將被測接收機(jī)和天線置于運(yùn)動(dòng)的載體上，如飛機(jī)、汽車等，同時(shí)還需要一臺(tái)對比用的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，被測接收機(jī)與對比用接收機(jī)共用一個(gè)天線，且對比用接收機(jī)定位精度應(yīng)高于被測試接收機(jī)定位精度，實(shí)時(shí)錄取兩臺(tái)接收機(jī)的位置測量數(shù)據(jù)，并對比同一時(shí)刻兩臺(tái)接收機(jī)的定位結(jié)果，進(jìn)而評(píng)估被測接收機(jī)的定位精度[4]。