衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)誤差分析

王鴻睿 李格 楊慶國(guó)

摘要：衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)最為重要的一項(xiàng)功能就是保證相應(yīng)的定位精度，需要將接收機(jī)所確定的坐標(biāo)和真實(shí)的位置坐標(biāo)之間的差距盡量縮小?，F(xiàn)階段，在全球范圍內(nèi)大規(guī)模使用的衛(wèi)星定位用戶(hù)的接收機(jī)定位誤差主要有三種，分別是與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與空間擴(kuò)展有關(guān)的誤差以及用戶(hù)設(shè)備誤差，在此基礎(chǔ)上，作者討論了不同情況下衛(wèi)星導(dǎo)航的接收誤差，并提出了各種可能的糾正錯(cuò)誤的對(duì)策，可以幫助增強(qiáng)設(shè)備本身的操作有效性，從而長(zhǎng)效性地促進(jìn)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的健康。本文就衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)誤差展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航;接收機(jī);誤差分析

引言

隨著我國(guó)新能源技術(shù)的發(fā)展，水能、風(fēng)能、地?zé)崮艿戎饾u得到了廣泛應(yīng)用，尤其是風(fēng)能憑借著分布廣、易獲取等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展十分迅速。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)多安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，運(yùn)行環(huán)境惡劣，同時(shí)基于風(fēng)電機(jī)組自身工作的復(fù)雜性，其運(yùn)行受到諸多因素的干擾，加強(qiáng)抗干擾容錯(cuò)控制技術(shù)研究具有重要意義。

1北斗定位基本原理

北斗定位的基本原理是測(cè)量已知位置的衛(wèi)星與用戶(hù)設(shè)備之間的距離，以此為基礎(chǔ)來(lái)確定目標(biāo)設(shè)備的確定位置。通常情況下，為了確定距離，就有必要測(cè)量將衛(wèi)星信號(hào)傳送到具體的接受設(shè)備上，并將獲取信號(hào)獲得的時(shí)間與光速傳播需要的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，這是因?yàn)樵谛盘?hào)傳播過(guò)程中，往往會(huì)受到電離層與對(duì)流層的干擾，這意味著設(shè)備本身接收到的傳輸時(shí)間并不一定是真實(shí)的信號(hào)傳播時(shí)間，這種有誤差所導(dǎo)致的距離通常被稱(chēng)為偽距。北斗衛(wèi)星可以采取被動(dòng)跟蹤的方式來(lái)獲得與目標(biāo)設(shè)備之間的距離，在這一過(guò)程中，系統(tǒng)不斷將導(dǎo)航流發(fā)送到地面，然后修改電離層和大氣折射所帶來(lái)的誤差參數(shù)，總而言之，偽距測(cè)量誤差是導(dǎo)致信號(hào)誤差的關(guān)鍵性原因，這意味著北斗衛(wèi)星需要持續(xù)性的發(fā)布導(dǎo)航信息，并使得技術(shù)人員必須努力保持完全的同步，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上合理測(cè)量相應(yīng)的三維坐標(biāo)，與此同時(shí)，持續(xù)性地合理引入數(shù)據(jù)接收設(shè)備，才能夠在減少時(shí)差的同時(shí)更好地定位接收器，提升北斗定位的準(zhǔn)確性。

2北斗定位誤差類(lèi)別劃分

2.1衛(wèi)星相關(guān)誤差分析

（1）星歷誤差。衛(wèi)星星歷也可以稱(chēng)為兩行軌道數(shù)據(jù)，具體來(lái)說(shuō)，其是一種表達(dá)式，主要用于對(duì)描述衛(wèi)星的具體位置以及飛行速度。衛(wèi)星星歷在在衛(wèi)星時(shí)間、坐標(biāo)以及方位等等多個(gè)數(shù)值的測(cè)定上，需要結(jié)合開(kāi)普勒定律，在多年的應(yīng)用中已經(jīng)形成了較高的精度。衛(wèi)星星歷是由地面監(jiān)控站跟蹤監(jiān)測(cè)衛(wèi)星來(lái)求得的，但是衛(wèi)星在運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到多個(gè)攝動(dòng)力的影響，但是僅僅應(yīng)用地面監(jiān)控站又不易測(cè)定其中的作用規(guī)律，所以這樣看來(lái)，星歷預(yù)報(bào)也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。星歷計(jì)算過(guò)程中所產(chǎn)生的衛(wèi)星空間位置和實(shí)際位置之間的差距則是衛(wèi)星星歷誤差，也可以稱(chēng)為時(shí)鐘鐘差。（2）星鐘誤差。北斗衛(wèi)星所應(yīng)用的北斗測(cè)量都是以北斗時(shí)間作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的，所以北斗時(shí)間也由地面控制站來(lái)進(jìn)行確定。北斗衛(wèi)星上都安置有原子鐘，但是也難免和北斗時(shí)間之間形成頻偏問(wèn)題，這些問(wèn)題也會(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)萬(wàn)里不斷發(fā)展。這樣導(dǎo)致的時(shí)鐘差就叫星鐘誤差。但是衛(wèi)星的位置是需要應(yīng)用時(shí)間函數(shù)表示的，所以北斗觀測(cè)量都是需要將精密測(cè)量旱來(lái)作為基礎(chǔ)，如果出現(xiàn)了星鐘誤差，則會(huì)影響偽碼測(cè)距以及載波的相伴測(cè)量誤差。在相應(yīng)的計(jì)算公式中，其誤差可能達(dá)到30公里，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度。

2.2信號(hào)傳播誤差

電離層誤差是信號(hào)傳播誤差中最常見(jiàn)的形式，通常來(lái)說(shuō)電離層為地面60公里左右的大氣層，之所以稱(chēng)其為電離層，是因?yàn)檫@一區(qū)間的大氣均處于電離狀態(tài)，這使得其極容易影響通過(guò)大氣傳播的信號(hào)穩(wěn)定性，在部分情況下，會(huì)導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)電波折射或者反射的情況。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)北斗衛(wèi)星信號(hào)橫越電離層時(shí)信號(hào)路徑時(shí)，會(huì)出現(xiàn)失真的現(xiàn)象，這往往會(huì)造成誤差。此外，對(duì)流層誤差也是信號(hào)傳播誤差中的常見(jiàn)類(lèi)型。對(duì)流層約占大氣質(zhì)量的99%，該區(qū)域大氣密度高，因此信號(hào)傳遞的操作就更為復(fù)雜，這必然會(huì)對(duì)信號(hào)傳播速度和信號(hào)路徑有一定影響。對(duì)流層誤差通常表現(xiàn)為隨機(jī)誤差和信道延遲誤差，在這一過(guò)程中，需要注意的是，由通道延遲測(cè)量校準(zhǔn)所引起的測(cè)量誤差是隨機(jī)誤差，而通道延遲誤差本身則屬于系統(tǒng)誤差。

2.3通道時(shí)延誤差

通道時(shí)延誤差包括接收機(jī)通道時(shí)延值測(cè)量標(biāo)定誤差和時(shí)延值漂移兩部分，前者屬隨機(jī)誤差，后者為系統(tǒng)誤差。對(duì)于北斗接收機(jī)特別是定時(shí)型接收機(jī)而言，高精度的通道時(shí)延測(cè)量標(biāo)定是一大難題。

3解決衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)誤差常用方法

3.1做好差分定位

實(shí)際上，衛(wèi)星導(dǎo)航接收器中通常存在很多缺陷。因此，技術(shù)人員需要針對(duì)上述不同類(lèi)型的誤差進(jìn)行應(yīng)對(duì)，并結(jié)合實(shí)際情況采用有效的方法進(jìn)行修正，避免因誤導(dǎo)引起的設(shè)備故障并進(jìn)一步改善信號(hào)傳播的效率和質(zhì)量。通常來(lái)說(shuō)，差異定位是常見(jiàn)的故障排除方法，而這種方法有助于更好地解決誤差問(wèn)題，并盡可能消除不必要的系統(tǒng)外誤差。差分定位的原理很簡(jiǎn)單，它主要使用觀測(cè)站觀測(cè)兩個(gè)目標(biāo)值，最后，找到數(shù)據(jù)之間的差異，然后，消除一般誤差項(xiàng)，從而使觀測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確，同時(shí)，還有效解決了存在的誤差問(wèn)題。

3.2電離層改進(jìn)模型

電離層改進(jìn)模型常采用的有廣播星歷參數(shù)改正、單層模型、Klobuchar模型改正以及雙頻改正等。其中Klobuchar模型能夠很好地改善電離層引起的定位誤差。下面主要介紹一下Klobuchar模型。該模型根據(jù)電離層延遲隨地方時(shí)變化的規(guī)律，將夜晚電離層延遲看作一個(gè)常數(shù)，而將白天看作余弦函數(shù)的正中部分，利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在其導(dǎo)航電文中提供的αn、βn（n=0，1，2，3）共8個(gè)電離層延遲參數(shù)進(jìn)行電離修正。

3.3頻率校準(zhǔn)方法

衛(wèi)星原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)計(jì)時(shí)系統(tǒng)調(diào)制后才能發(fā)送給用戶(hù)。技術(shù)人員在校準(zhǔn)頻率時(shí)，通常使用頻率調(diào)制設(shè)備和相位調(diào)制設(shè)備從而提高頻率穩(wěn)定性。在這一過(guò)程中，技術(shù)人員進(jìn)行頻率漂移校是因?yàn)檩^小的頻率漂移校正值不會(huì)引起頻率跳躍，從而可以避免降低該衛(wèi)星導(dǎo)航性能。此外，技術(shù)人員除了需要減少跳頻之外，還應(yīng)該滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航和定位應(yīng)用的需求，進(jìn)而在衛(wèi)星的用戶(hù)容量、服務(wù)區(qū)域、動(dòng)態(tài)性能、定位精度和使用方面獲得重大技術(shù)突破。

3.4改進(jìn)對(duì)流層模型

考慮到衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)固有的誤差問(wèn)題，技術(shù)人員可以不斷改進(jìn)對(duì)流層模型以進(jìn)一步改進(jìn)其本身的觀測(cè)精度。考慮到對(duì)流層占大氣總量的99%以上，而相關(guān)數(shù)據(jù)表明，對(duì)流層模型中的數(shù)據(jù)多是根據(jù)18個(gè)站點(diǎn)的平均數(shù)據(jù)計(jì)算得出的。因此，技術(shù)人員可以使用二星三參數(shù)法或三星四參數(shù)法等來(lái)改進(jìn)優(yōu)化對(duì)流層模型，盡可能地解決已經(jīng)發(fā)生的問(wèn)題并減小范圍對(duì)誤差的影響，并滿(mǎn)足實(shí)際的導(dǎo)航定位需要。

3.5其他方法

除了以上解決措施外，還可以采取其他的方法，比如，兩星三參數(shù)或者三星四參數(shù)法等等，通過(guò)采取這些方法，都能解決定位精度不高、隱蔽性交叉等問(wèn)題，進(jìn)而盡量減少測(cè)距對(duì)于誤差的影響，滿(mǎn)足實(shí)際定位的需要。

結(jié)語(yǔ)

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)誤差分析是由許多原因所共同組成的，因此，技術(shù)人員在分析誤差和解決誤差時(shí)，也應(yīng)當(dāng)多方考慮，在充分結(jié)合實(shí)際情況后，不斷改進(jìn)誤差控制技術(shù)。例如，電離層模型和改進(jìn)對(duì)流層模型就能夠有效提升設(shè)備可靠性。本文分析并總結(jié)了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)誤差問(wèn)題，希望為相關(guān)企業(yè)和技術(shù)人員使用該設(shè)備提供一些理論上的參考。

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