导航系统误差（精选5篇）
导航系统误差 篇1
中国民航局 (CAAC) 2009年7月颁布《中国民航PBN实施路线图》提出终端区运行将逐步淘汰传统导航手段, 强制实施所需性能导航 (RNP) 运行, 实现使用全球卫星导航系统 (GNSS) 及其增强系统的精密进近能力。GNSS将成为RNP运行的主要导航设施。目前我国西部中小机场, 正在逐步采用基于性能导航 (PBN) 飞行程序作为进离场的主要手段, 比如林芝, 康定, 稻城等。这些机场普遍有一个共同的特点, 飞机进近过程中地形复杂, 海波高, 多山, 气象条件多变。复杂的地形条件为PBN的运行, 尤其是RNP精密进近提供了良好的运行条件。目前在RNP最后进近阶段中普遍采用的是气压式垂直导航, 利用GPS接收机的垂直测距功能实现类精密进近是未来的发展趋势。
1 差分定位技术在类精密进近中的应用
实现基于GPS垂直引导的类精密进近 (APV) 需要差分GPS着陆系统作为依托。类精密进近是现阶段新提出的概念, 它不同于传统精密进近依靠路基导航台提供的航向道与下滑道做引导, 类精密进近主要依靠GNSS星基信号与无线电高度表实现进近着陆。目前水平引导主要依靠星基信号, 利用RNP规范, 如最后进近阶段, RNP值为0.3, 将航空器锁定在狭小的水平范围内。垂直引导, 目前在绝大多数的RNP APCH进近程序中采用无线电高度表作为参照, 利用GPS测距功能实现垂直引导是未来的发展趋势。然而, GNSS系统 (包括GPS接收机) , 用于民用航空导航必须满足相应的要求。其中最重要的一项的需要满足精度。从精度方面上看, 在考虑SA (selective availability) 政策下, GPS其水平精度只有100 m, 垂直精度为156 m[1], 这种精度只能满足非精密进近的要求, 不能用于类精密进近。因为在飞机进近阶段尤其是着陆阶段, 对定位精度的要求会大幅度提高。除非目前的导航系统采用严格意义上的差分定位技术, 否则无法满足国际民航组织规定的类精密进近的进场要求。类精密进近的实现离不开本地增强系统 (LAAS) , 它是美国提出的一种精密进近增强系统。LAAS系统用于辅助GPS改善航空器在机场进近和着陆期间的安全。它可以使区域内用户的导航精度得到大幅度提高, 水平定位精度达到米级, 确保航空器依靠星基信号实现进近着陆。它的基本工作原理就是差分定位技术。差分定位技术是在机场地面已知地点设置一个或多个基准站, 通过实时观测卫星数据, 计算出卫星定位中的公共误差, 再通过一定的通信链路发送给该区域内航空器上的GPS接收机。其中本地增强系统主要由地面基准站、差分GPS接收机以及数据链三部分组成。其中差分GPS着陆系统结构如图1所示。
2 多径效应对类精密进近的误差影响
通过差分定位技术, 目前星钟误差与星历误差可以完全消除, 对流层误差、电离层误差大部分得到消除, 然而接收机本身多径效应引起的测量误差却难以得到消除。尤其是我国中西部机场, 山多, 峡谷多, 地形复杂, 这就更容易对导航信号产生干扰, 产生反射的多径信号。何为多径效应?多径效应是指接收机天线附近的物体, 很容易反射GPS信号, 导致一个或多个传播路径。多径信号的传播路径往往比直达信号要长, 这就导致了多径信号总是比直接信号晚到达。各条传播路径会随时间变化, 由此引起合成波场随时间变化, 从而形成总的接收场的衰落, 信号功率降低, 即产生测量误差。多径效应造成的误差主要体现在两个方面, 一是它会造成伪距测量误差;二是它会使载波相位发生畸变。一个没有多径效应保护的接收机, C/A码的测距误差可能有10 m或者更高。若该差分GPS着陆系统用于民航类精密进近, 显然无法满足其精度的要求。根据文献[2,3], 采用伪距频间组合差的多径效应分析方法对误差进行分析:
上面两式做差可以得到:
式 (3) 中:表示大气层引起的时延值;表示多径信号引起的时延值, ρ0表示星地之间真实距离, Δt表示卫星与接收机钟差值。由式 (3) 可知, 伪距频间差值主要反映了大气层和多径效应对不同频率的信号造成的距离测量误差的影响, 由于大气层对距离测量造成的误差相对较小, 因此 (3) 式主要反映了多径对伪距测量的影响。在差分定位技术中, GPS基准站会根据已知坐标和各卫星的坐标, 求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较, 得出伪距改正数, 将其传输至用户接收机, 提高定位精度。多径效应导致伪距误差, 而伪距改正数不变, 二者相减就会对定位精度产生影响, 进而使精密进发生偏差。采用伪距与载波相位组合差的多径效应分析方法对误差进行分析:
式中:接收机利用f1频点的下行GNSS信号获取的伪距测量值为ρ1 (t) , 载波相位测量值为代表大气层影响, 代表多径影响, Δt代表时延, 代表影响相位额常数。将式 (6) 整理为
式 (7) 中, 为常数。大气层造成的影响忽略不计, 则式 (7) 主要反映了多径误差对伪码测距的影响。伪码测距主要指利用C/A码, 是粗捕获码, 每个码周期为1023个码元。多径效应导致伪码误差, 影响接收机信号捕获, 影响接收机测距高度, 进而使类精密进近着陆产生偏差。
3 多径信号的误差抑制
为了提高精度, 达到国际民航组织规定的类精密进近要求, 就需要采取进一步的措施, 消除多径误差。上述图1中至少有两个GPS接收机, 一个位于飞机上, 一个位于地面。机载GPS接收机属于高动态接收机, 因为飞机在进近和着陆过程中处于高速度运动状态, 所以信号受到的多路径干扰相对路基GPS接收机就更为严重。因此消除多路径信号干扰对LAAS的正常运行至关重要。
3.1 空域处理技术
路基GPS接收设备的多径误差抑制通常采用空域处理技术[4], 主要包括天线定位, 抑径板, 定向天线阵与长期的信号观察。最简单的空域处理技术就是将GPS接收机的天线设置在不易接收反射信号的地方。由于飞机在进近过程中, 所需要的导航设施都设置在跑道附近, 一般均为空旷地带, 因此可以将差分GPS技术中伪卫星 (GPS接收机天线) 设置在跑道附近。最好附近有灌木丛、草地和其他植被覆盖。因为这些地方的反射系数很小, 形成的多径信号也就很小。同时避免将天线设置在水面附近, 山坡上或者障碍物附近。在差分GPS技术中另一项抑制多径效应十分有效的方法就是长期的信号观察。通过对大量的GPS信号进行长期观测, 找到接收信号具有的可观测变量。例如由反射信号相位交替变化引起的信号电平的周期变化是可观测到的。当然这些都必须以长期大量的观测作为前提。但这种方法主要适用于伪卫星和用户设备均为静止的条件下, 而飞机上的接收机是不断运动变化的, 这就会造成很大的测量偏差, 因此很难消除。
3.2 相关器技术
更为行之有效的方法还是GPS接收机内利用相关器技术[5]。窄相关技术就是利用缩短E-L相关间隔来抑制多径干扰。该技术由Noca Tel公司Dierendonck博士提出。多径效应主要发生在接收机的捕获与跟踪环节。利用窄相关器, 可以有效抑制多径信号。差分GPS着陆系统是一个测距系统, 在类精密进近中, 机载GPS接收机对直接路径信号进行相关检测, 根据相关峰值出现的位置来跟踪信号, 从而确定信号传播距离, 实现垂直引导。在多径信号存在的情况下, 若未采用相关器技术, 接收机的相关器会对直达信号和多径信号同时进行相关计算, 所以得到的相关值包络就会出现失真。窄相关器的主要原理是通过调整本地输出码时钟, 即E-L相关间隔来减小相关间距, 提高定位测距精度。
4 仿真与验证
窄相关延迟锁相环采用了可变相关长度相关器, 根据分频常数N的选取从 (1变化到10) , 其相关长度从1.0个码片宽度减小到0.1个码片宽度。
将式 (10) 中E[dτ0]取0进行迭代运算, Фm取0、180, a取0.5, 得出图2。可以发现纵轴跟踪误差值减小, 表明多径效应引起的测距误差大大降低, 效果显著。通过图2可知, 若采用标准相关, 接收机C/A码多径误差最高可以达到150 m, 这在飞机的最后进近阶段显然无法满足法规要求。而采用窄相关技术后, 误差可以控制在50 m甚至更小, 如图3。结果符合国际民航组织法规对于实现类精密进近的要求, 进而证明了技术的可行性。
5 结论
基于GPS垂直引导的类精密进近是未来进近程序的发展趋势。本文提出了在差分GPS着陆系统中, 需要对多径效应造成的测距误差进行有效的控制。通过分析多径效应引起的主要误差, 本文提出了相对应的空域以及接收机内部相关器的抑制方法。采取窄相关器法, 可以使下滑进近过程中飞机的垂直误差锁定在很小的范围内, 进近阶段垂直误差由原先正负150 m减小至正负50 m, 甚至更低, 满足类精密进近误差要求。
随着民航业的迅速发展, 航班流量的增加, 空域流量接近饱和, 越来越多的中小机场的修建, 基于性能导航 (PBN) 未来具有广阔的发展前景。而基于GPS垂直引导的类精密进近比传统进近程序有着不可比拟的优势。通过抑制误差技术的不断成熟, 相信在不久的将来, 基于性能导航 (RNP) 的类精密进近将会得到更加广阔的应用。
参考文献
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[4] 狄旻珉, 张尔扬, 赵东阳.GPS接收机抗多径效应技术综述.航天电子对抗, 2005; (5) :17—19
[5] Dieren Donck A J, Fenton P, Ford T.Theory and performance of narrow correlate spacing in a GPS receiver.Journal of the Institute of Navigation, 1992;39 (3) :265—283
手机导航系统 篇2
(1)图组：手持或车载的GPS导航仪就是最常见的应用
手机导航系统是通过两个部分来实现的，一个是GPS接收器;另一个就是一部智能手机，用户只要把一个存储卡插进自己的智能手机插槽就可以了。
手机导航系统通过GPS接收器接收到卫星定位数据，再通过蓝牙传送到手机，经过手机GPS导航软件处理，用户就可以用手机实现导航。
用户打开手机上的GPS导航软件，输入目的地名称按导航键，手机导航系统就可以向用户提供详尽的车道信息，帮助驾驶者在繁忙的道路上选择最佳车道，而且还会向用户提供全新自动显示的前方转向警示，这些都会在手机屏幕上显示出来。虽然相对于车载GPS导航系统来说，手机导航有着屏幕小的弊端，然而它却通过全程语音系统弥补了这一缺点，用户完全可以按语音提示行驶（图2）。值得一提的是用户可以选择驾驶指令的语言，其中包括英语、普通话、广东话或闽南话等，另外如果错过了转弯，GPS导航软件会自动重新计算路径，让用户尽快到达目的地。
(2)手机导航系统语音提示:“顺道路行驶，300米后右转”
手机导航系统还能帮用户很方便地找到酒店、餐馆、银行、加油站等需要的信息并进行导航。如果你是个步行爱好者，手机导航系统还专门设置了行人模式。你想去最近的银行或是想去附近的电影院，按照手机的语音提示走一定不会错。现在人们的移动性越来越高，只要你的手机可以全球漫游就可以实现全球导航。
在不远的将来，手机导航系统会被越来越多的人所应用，人们将体会到导航的便利和乐趣（图3）。
导航系统误差 篇3
车载定位导航系统是集中应用了自动车辆定位技术、地理信息系统与数据库技术、计算机技术、多媒体技术、无线通信技术的高科技综合系统, 为车辆驾驶员提供自动车辆定位、行车路线设计、路径引导服务、综合信息服务、无线通信等功能。提供车辆的位置、速度和航向等信息是车辆导航定位系统的首要功能。对任何性能良好的车辆定位导航系统来说, 精度可靠的车辆定位是实现导航功能的前提和基础。
在车辆定位导航系统中, GPS定位误差的性质与其他GPS应用中的误差有所不同。因为车辆主要在高楼林立、林荫道纵横的城市环境中运行, 所以城市当中的电磁环境会严重的干扰GPS信号而使定位误差增大, 同时GPS接收机将遭遇非常复杂的, 且变化无常的多路径。在存在恶劣多路径的环境下, 多路径定位误差可高达几十米, 甚至上百米。因此在车辆导航定位中, 多路径误差就成为一个必须考虑的误差源。
1 多路径误差的原理及特性
1.1 多路径误差的原理
GPS信号接收机所测得的站星距离, 应该是GPS信号接收天线相位中心至GPS卫星发射天线相位中心的距离。接收的GPS信号理论上应该是从GPS卫星发射天线相位中心直接到达GPS信号接收天线相位中心, 称之为直接波。实际上除了直接波还有:地面反射波, 星体反射波, 介质散射波等几种间接波。GPS信号从高空通过电离层和对流层而到达地面时包括了直接从GPS卫星到达用户接收天线的直接波以及经过反射和散射而到达用户接收天线的间接波。GPS信号接收机所观测的GPS信号是直接波和间接波的合成波。所谓的“多路径误差”就是间接波对直接波的破坏性干涉而引起的站星距离误差。这种由多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。
在GPS信号接收天线接收的间接波中以地面反射波为主, 现以地面反射为例来说明这种组合。若天线收到卫星的信号为S, 同时收到经地面反射后的反射波信号S′。显然这两种信号所经过的路径不同, 其路径差值称为程差, 用Δ来表示, 由图1可以看出:
式中, H为天线离地面的高度, 反射波和直接波间相位延迟θ, 为
式中λ为载波的波长。
由于反射波一部分能量被反射面吸收、GPS接收天线为右旋圆极化结构, 有抑制反射波的功能, 所以反射波除了存在相位延迟外, 信号强度一般也会减少。
1.2 多路径误差的特性
经过一系列的研究和实验, 我们发现多路径效应有如下一些特点:
(1) 无论是码观测值还是载波相位观测值, 都受多路径误差的影响, 其中码观测值的多路径影响更为复杂些。其误差大约是载波相位多路径影响的几百倍。
(2) 在静态的测量中, 多路径误差对伪距观测的影响在良好条件下约为1.3m, 在反射很强的环境条件下约为4-5m, 严重时还将引起信号失锁。多路径效应对载波相位观测值的影响造成相位偏差, 给距离观测带入大约5cm的显著周期性偏差, 而高程影响可以达到±15cm。
(3) 多路径误差包括常数部分和周期性部分, 其中常数部分在观测时间段内一直存在, 无法削弱和消除, 周期性部分可通过延长观测时间予以削弱和消除。
2 多路径效应的消减方法
2.1 传统的技术
1) 接收机的方案
多路径误差在很大程度上取决于接收机的方案。若给定一组多路径参数, 相干延迟锁相环 (DLL) 的平均多路径误差比非相干延迟锁相环 (DLL) 的小。当多路径的相对相位变化率与码跟踪环带宽相比很大时, 相干 (DLL) 误差确实平均为零。
2) 采用相关器窄间隔的方案
在非相干DLL中采用超前和滞后相关器窄间隔的方法。利用小部分的相关函数 (在峰值周围) 来构成鉴相器, 可使最大多路径误差减少10倍, 并可完全消除相对延迟大约在一个码位或更大的多路径。
3) 采用抗多路经天线
在某些天线设计中, 通过增益方向图的赋形, 使天线自身具有部分多路径抑制性能。当用户天线离地面有一定高度时, 来自导航星的直达信号都从天线的主瓣上入射, 而由地面引入的多路径干扰主要从天线的旁瓣入射, 基于直达信号与多路径干扰的到达角不一样, 使用抗多路径天线是一种比较简单的方法。这种抗多路径天线的主瓣增益相对较高, 而旁瓣尽量小, 使等效反射系数很小, 达到抗多路径的目的, 适用于地面或海面反射的多路径干扰环境。
4) 采用空域和时域自适应天线阵列
该方法虽能抑制多路径效应, 但有时多路径误差可达几十米, 即使使用目前性能最优的接收机也难以消除如此大的多路径误差。
5) 采用加权几何精度因子选星的方法
采用加权几何精度因子选星方法并采用定位误差方差最小原则, 构造不同加权的GDOP值, 尽量不用那些多路径误差可能相对较大的观测方程。这种方法可以明显减小多路径对定位误差的影响。综合定位误差可减小到三分之一以下。
2.2 现代新技术
1) 多路径估计技术和多路径估计延迟锁定环技术
2) 利用信噪比SNR消弱多路径效应
通过分析GPS信号的信噪比SNR (Signal-to-Noise Ratio) 利用频率特性来消弱多路径效应。该方法从接收机接收的信噪比中包含了载波相位多路径的影响出发, 通过分离多路径信号成分和直达信号成分, 得到多路径对直达信号的影响量。来改正载波相位观测量, 达到消除或减弱多路径的目的。
3) 数字波束形成 (DBF) 技术与传统技术的结合
在天线部分应用自适应DBF算法, 干扰信号基本被消除, 但多路径信号残余较多, 尤其是当卫星处于较低的高度角时, 可能会发生多路径信号、电子干扰与卫星信号来自同一方向的情况, 此时DBF天线更难以消除多路径号和带内干扰, 需要在后处理中加入时域滤波和频域滤波等技术。
2.3 适用于车载定位导航中的技术
在城市环境下, 行驶的车辆所遭受的多路径随着位置的变化而变化。多路径干扰随空间和时间的变化而在不断的变化, 用单一的抗多路径天线空域处理或自适应滤波的时域处理方法都难以获得理想效果, 结合空域和时域两个方面的思想, 用时空自适应阵列处理应是一种比较好的选择。
在城市或者郊区, 多路径效应很明显且复杂多变, 多路径干扰主要是长程和短程混合信号, 这时需要基于导航信号的DBF+时域处理+频域处理的多维技术。此外, 削弱多路径效应的方法还有:利用非线性估计理论, 用扩展的Kalman滤波技术、用相位平滑技术、利用信噪比等一些技术。
3 结束语
车辆定位导航系统是智能运输系统中当前需求较为迫切、应用比较广泛的一个重要的应用系统, 是国际上公认的解决城市交通问题的有效途径之一。而如何提高车辆定位的精度也是车辆定位系统中需要迫切解决的事情。多路径效应是影响车辆精密定位的最大障碍, 如何消除或减弱多路径效应的影响已成为国内外学者研究的热点问题, 随着GPS接收机性能的提高, 新技术手段的应用, 多路径效应产生的误差定可以找到有效的消除或减弱的方法, 从而提高GPS车载导航的定位精度。
摘要：车辆定位导航技术是智能交通系统技术的核心部分, 是实现道路管理智能化的关键技术之一。本文分析了GPS车载导航系统中的误差, 并对多路径效应产生的误差进行重点分析, 通过对传统的解决多路径效应误差的方法的分析, 结合新技术指出了适合在车载导航定位系统中消除或减弱误差的方法, 从而可以提高车辆定位的精度。
关键词：车载定位导航系统,GPS,多路径效应,误差
参考文献
[1]徐绍铨, 张华海, 等.GPS测量原理及应用[M].武汉大学出版社, 2003.
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导航接收机测距通道误差源分析 篇4
定位精度是考核导航系统的主要指标,导航系统的定位精度由卫星轨道预报误差、卫星钟差、大气效应、接收机误差和其他干扰误差所决定的。其中接收机误差是影响导航定位精度的主要组成部分之一,并且接收机误差是由自身设计而引入,通过对接收机的设计环节分析,找出引入误差的环节,进行优化设计,从而减小接收机误差对定位精度的影响。本文从导航接收机设计环节出发,分别研究了信道误差源和终端误差源对测距精度的影响,通过对其引入误差的分析,定位误差源产生原因,并采取一定的措施来消除和减小误差源的影响,从而提高导航接收机的定位精度,为高性能导航接收机的研发和应用奠定基础。
1 信道误差源
接收信道作为导航接收机的前端处理部分,是导航信号处理的关键环节,信道的器件指标及特性直接影响信号的测距精度,通过对接收信道各个环节的归纳分析,得出了引入导航接收机误差的信道特性误差、带内噪声误差、信道设计误差和变频处理误差。详细对这4方面误差进行评估,给出了信道误差源的分布和影响。
1.1 信道特性误差
信道特性误差指由于导航接收机的接收信道特性引入的误差。信道特性中引入误差的主要因素是信号接收信道群时延特性的变化。接收信道的群时延主要由信道的模拟滤波器引入,群时延变化和接收带宽之间关系为:Td=0.45/B3dB。因此,群时延的变化受接收带宽的制约。群时延的变化分为2种:① 群时延的曲线变化。直接影响导航接收机的测量精度,变化的特性难以预知,与外部环境和元件老化有直接关系;② 群时延的大小变化。根据经验值,群时延的大小变化为群时延的10%左右。
信道特性误差直接影响导航接收机的系统误差,其主要由接收信道的群时延特性引入,群时延特性又与接收带宽相关,因此,在不影响信号接收的情况下,增加接收带宽,可以降低信道特性误差对导航接收机的影响,信号带宽越宽,群时延就越小,从而群时延的变化就越小,给导航接收机带来的误差就越小。
1.2 带内噪声误差
带内噪声误差指导航接收机信道中的带内噪声引入误差。带内噪声主要由前置放大器的热噪声和耦合器的耦合噪声组成。带内噪声为热噪声,噪声均服从高斯分布。因此,带内噪声误差带来的是导航接收机的随机误差。
带内噪声误差主要由信道的前置放大器和耦合器等部件引入,降低前置放大器的噪声系数和改变耦合器的耦合方式是降低带内的热噪声的根本途径。通过降低带内的热噪声来减小带内噪声给导航接收机带来的随机误差。
1.3 信道设计误差
信道设计误差指在进行导航接收机设计时,为了满足系统功能需求而在射频链路中引入的程控开关、可变衰减器和标校状态等信道串联部件带来的误差。信道设计误差与导航接收机接收信道设计时,引入的射频部件有关,引入部件越多,带来信道设计误差就越大。同时,引入射频部件的特性直接影响信道设计误差。
信道设计误差是由于射频链路的功能设计而引入。为了减小信道设计误差对导航接收机的影响,在链路设计时,首先应减少引入射频部件,必须引入时,需要考核引入部件的指标。引入射频部件尽量采用宽带设计,绝对时延控制在系统要求指标以内。时延变化控制在0.02～0.04 ns之间。
1.4 变频处理误差
变频处理误差指在完成信号变频处理和放大时引入的误差,变频处理误差主要由变频处理引入滤波器的群时延变化及中频放大器的非线性组成。变频处理误差与信道特性误差一样,都是导航接收机系统误差的重要组成部分。
为了降低变频处理引入误差,要对变频处理滤波器和中频放大器来做工作。变频处理滤波器引入的群时延变化,从相位特性和阻带衰减综合考虑,一般选用切比雪夫三节点滤波器来设计。根据滤波器的特性,当归一化频率ω=f/f3dB较小时,滤波器对信号的时延较小;当ω>0.5时,时延急剧变化。所以,当要求具有较好的相位特性和群时延特性时,应使信号对应的ω尽量小。中频放大器引入误差主要由放大器的非线性引入,信号设计时,保证放大信号工作在放大器的线性区是减小中频放大器引入误差的根本途径。
2 终端误差源
终端是导航接收机处理的核心环节,终端信号处理的性能直接影响导航接收机的精度,终端信号处理通常采用数字信号处理的方法,根据信号处理流程,终端误差源可以分解为采样量化误差、相关量化误差、环路跟踪误差和时差测量误差。通过对各个误差的分析,对整个终端误差源进行影响评估。
2.1 采样量化误差
当前的导航接收机全部为数字接收机,输入中频信号首先进行A/D数字化采样,将模拟中频信号转换为离散数字信号,A/D转换过程中引入的误差为采样量化误差。采样量化误差直接决定了导航接收机的测量精度,是导航接收机的主要误差源之一。采样量化误差与采样芯片、采样频率和采样宽度均有关系,主要由采样时钟频率决定。如果A/D采样时钟频率越高,由A/D引入的采样量化误差就越小。
目前硬件条件下,均采用带通采样,采样频率远远小于系统要求的精度指标,如何通过设计和优化A/D采样时钟频率是减小A/D量化误差的根本途径。采样量化误差减小的主要途径是引入非整倍数采样技术,使采样时钟频率与输入信号之间成非整倍数关系,保证采样时钟对输入信号的无缝隙遍历,从而降低采样量化误差,提高整个导航接收机的测量精度。
2.2 相关量化误差
相关量化误差是指导航接收机在相关积累时相关单元之间的量化引入的误差。数字化的导航接收机的伪码信号处理采用并行匹配算法,相关间隔之间的量化直接影响导航接收机的测量精度。相关间隔越小,测量精度越高,由相关量化带来的误差就越小。
相关量化误差的减小通过优化相关积累的算法来解决。目前,减小相关量化误差的通用技术是窄相关技术,通过引入窄相关技术,将相关量化误差减小,同时通过减小相关间隔来降低其他干扰带来的误差影响。
2.3 环路跟踪误差
环路跟踪误差是指导航接收机对导航信号进行跟踪时引入的误差。环路跟踪误差主要由热噪声误差和动态应力误差组成。其引入误差为δ=δDLL+Re/3(码片),其中δDLL为热噪声误差,Re/3为动态应力误差。
对于延迟锁定环,热噪声误差表示为:
式中,F1为鉴相器相关因子;d为相关间隔;Bn为环路噪声带宽;C/N0为载噪比;T为预积分时间。
延迟锁定环的动态应力误差的经验值为:
式中,n为环路的阶数。
由理论分析得出,环路跟踪误差是由热噪声误差和动态应力误差组成。因此可以通过减小热噪声误差和动态应力误差两方面来减小环路跟踪误差。减小热噪声误差的方法有,增加预积分时间,降低相关间隔或减小环路带宽。减小热噪声误差的途径往往是多种措施综合应用的结果。减小动态应力误差的途径有增加环路跟踪阶数或引入载波辅助码环跟踪技术。
2.4 时差测量误差
导航接收机最终通过伪距测量实现导航定位,根据伪距的定义,伪距测量是测量信号发射信号的本地时刻和接收信号的本地时刻之间时间差。时间差的获得是通过计数方法来获得的。由于计数的频率引入的误差为时差测量误差,时差测量误差是由计数时钟周期确定的,时差量化误差的经验值为: δ=(1/(6f))1/2。
因此,减小时差测量误差的最直接方法是提高计数频率。实际上由于技术上的困难,计数频率的提高受到一定的限制。为了进一步减小时差测量量化误差,同时又不提高计数频率,是减小时差量化误差的研究方向。
3 结束语
导航接收机的测距通道误差源分析涵盖了整个导航接收机的射频链路和终端处理两大方面。通过本文的研究和分析,罗列出了可能影响导航接收机精度的各个误差。通过对每个误差影响原因的分析,指明了减小误差的策略和方向。同时需要指出,任何误差源对导航接收机精度的影响不是孤立的,而是相互关联的。综合评估误差源影响原因和大小,同时提出消除误差源的综合策略是减小导航接收机误差的发展方向,也是提高导航接收机测量精度的根本之路。
参考文献
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导航系统误差 篇5
近年来，卫星导航定位系统在各个领域发挥了越来越重大的作用，尤其在现代战争中发挥着主导作用。卫星导航信号模拟器可以模拟产生各种动态环境下接收机所接收到的导航卫星信号，为接收机的调试和测试提供仿真信号源;也可用于系统级仿真试验，对我国建立和发展自主的卫星导航系统有着非常重要的现实意义。
利用GPS进行测量，接收机收到的卫星信号受到多种误差源的影响，造成定位误差。这些误差源包括卫星时钟误差、星历误差、相对论效应、地球自转影响、电波折射误差、多路径误差、接收机噪声和通道偏差等。其中，接收机测量噪声和通道偏差大小与接收机的设计方法有关，属于内部误差。其它误差源受外界因素影响，与接收机无关，相对于接收机而言属于外部误差。为保证仿真效果，GPS卫星信号模拟器输出信号必须含有外部误差的影响，需要对这些误差源进行仿真。而在这些外部误差影响中最大的是空间环境误差模型，而空间环境误差模型是计算电离层延迟和对流层延迟的。在本文中主要介绍这两种误差模型对GPS卫星信号模拟器的定位影响。
（二）空间环境模型
空间环境模型主要包括基于真实电离层延迟模型计算信号接收时刻的电离层延迟和基于真实对流层延迟模型计算信号接收时刻的对流层延迟。其中电离层延迟是导航定位中一项非常重要的误差源，是影响GPS定位精度的关键因素之一。如何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是卫星信号模拟器要解决的难题。对流层延迟属于公共误差，理论上基准站的用户可以全部消除，但当流动站与基准站的高差超过6000m时，如果不对存在的伪距残余误差进行修正，由对流层延迟引起的高程偏差可达5m。由此可知对流层延迟也是影响卫星导航定位中重要的误差源之一。
1. 电离层误差模型
GPS信号从卫星到接收机的传播路径上要穿过电离层，因此他们将受到电离层的影响。研究表明，当卫星观测截至高度角大于150时，电离层折射引起的信号路径弯曲对GPS定位的影响将大大地被削弱，甚至可以被完全忽略。这样电离层折射对GPS信号的影响主要体现在由信号传播速度的变化而导致的信号传播时间的延迟上，特别是，2000年5月美国政府宣布取消了SA政策以后，电离层延迟被认为是影响GPS定位精度的最大误差源，将严重削弱卫星导航定位精度和准确度。
目前解决电离层延迟误差的方法一般有：双频改正法、差分GPS定位法、半和改正法和电离层模型法。对于双频用户来说，通常可以利用电离层延迟效应与信号频率的平方反比关系，采用双频或多频组合的方式有效地消除导航定位中电离层的影响。而对于单频实时导航定位用户而言，采用有效的电离层延迟模型可以很好的削弱该误差源的影响，由于电离层本身的不稳定，加上目前对其物理特性的了解还有一定的模糊性，还只能采用精度有限的经验模型对其进行描述，常见的两种电离层经验模型有现行的GPS系统导航电文中的电离层模型即Klobuchar模型和全球参考电离层模型即IRI模型。
由于GPS卫星信号模拟器是单频率的，在本文中采用的是电离层延迟模型是经验模型即Klobuchar模型。因此采用Klobuchar模型利用导航电文参数进行单频电离层折射修正。计算电离层改正的步骤如下(此处电离层特征点的高度为hI=350km，所用的角度单位为半周角(180°)，时间单位为秒)。
计算倾斜因子：
式中θ分别为用户相对目标的仰角。
电离层引起的L1频率的时延误差:
可得电离层引起得测距误差为：
对高度低于60km的目标，单频GPS接收机根据Klobuchar模型，利用导航电文发布的8个电离层参数αi、βi (i=0, 1, 2, 3) 计算电离层延迟误差Δρion，该模型修正精度能达到60%左右。卫星信号模拟器同样借助Klobuchar模型产生电离层延迟误差，但是如果模拟器直接采用电文中的8个参数计算电离层延迟误差，则接收机估算的电离层误差Δρion和模拟器加入的误差Δρi'on完全相等，电离层影响全部消除，接收机的定位结果不再包含电离层影响，这就不能反映实际定位情况。因此，模拟器要适当调整Klobuchar模型系数，使得在目标运动区域内，有：
据目标和卫星的位置、测量时刻，模拟器仿真产生GPS信号时，根据Klobuchar模型计算应加入的电离层延时误差Δρi'on。由于该模型修正精度约为60%左右，即Δρion≈06.Δρi'on，因此需对模型参数作适当调整。将(2.7)式直流项由5.0ns变为8.3ns，再改变幅度系数αi，其余参数和计算公式完全借用上节用户电离层误差修正公式，模拟器产生的电离层误差则为：
式中
2. 对流层误差模型
对流层误差模型也是影响定位精度的关键因素之一。当卫星信号经过对流层时，载波、扩频码和导航电文都相对自由空间被同等地延迟了。这种延迟随对流层折射率而变，而其折射率取决于当地的温度、压力和相对湿度。对流层延迟主要影响基线测量两点间的高差精度，高差愈大其影响也愈大。如果修正公式和参数模型不适宜时，每1m高差可能产生1mm的误差，因此如何削弱对流层影响显得尤为重要。
为了估算对流层延迟，人们提出多种大气模型方法，可分为三类：一类是经验气象模型法，一类是参数估计法，还有一类是外部订正法。但是一般都是按照经验气象模型法来估算的，常见的估算方法分为两种：Saastamoinen模型和Hopfield模型。在该文中信号模拟器采用霍普菲尔德 (Hopfield) 模型来模拟对流层误差。
对流层延迟一般泛指非电离大气对电磁波的折射，非电离大气包括对流层和平流层，由于折射的大部分发生在对流层，所以称为对流层折射。从地面向上到40km为对流层，对流层是非色散介质，当GPS L1和L2信号穿过对流层时，与信号传播相关联的相速和群速相对于自由空间传播而言被同等延迟了。这种延迟随对流层折射率变化，而折射率大小取决于当地的温度、压力和相对湿度。如不修正，对流层在天顶方向的延迟约为2.4m，仰角5°时，延迟可达25m左右。折射率可表示为干分量和湿分量之和。干分量是由干燥空气引起的，占对流层延迟误差的90%左右，并且可以非常准确地预测。湿分量是由水蒸气引起的，在大气中分布具有不确定性，较难预测。两种分量延伸到对流层的不同高度，干分量延伸到40km高度，湿分量延伸到10km左右高度。
对流层误差的计算采用霍普费尔德的模型机，GPS接收机为了简化计算，通常采用以下公式修正：
式(2.23)就是模拟器使用的对流层延迟误差计算公式。目前，利用模型进行修正，在地面附近用户可以修正90%～95%的对流层误差，在高空如机载用户这一比例会降低。由于干分量较易预测而湿分量不易预测，故可取系数ηd=.107、ηw=.110，使用户修正后的残差保持5%～10%之间。
（三）GPS卫星信号模拟器与商用接收机的闭环测试
在本实验中，用的是商用型的Jubiter高动态接收机。在验证过程中，分为两种不同的情况分别进行实验：在卫星信号模拟器的软件界面中设置信号仿真的起始时间、载体的起始位置、载体的动态模型的相同设置条件下，分别加入空间环境误差模型和不加入空间环境误差模型来对观测后的数据进行用matlab仿真分析。观察载体的定位结果。
要验证GPS卫星信号模拟器的工作情况，需要相应的GPS接收机[4]的配合。目前系统整机已经正常工作，FPGA输出的数字中频信号，经DA芯片转换为模拟信号，再经射频模块变换到射频发射出来的卫星信号，接收机已经可以正常定位，观察运动载体的定位结果。以下是一个GPS卫星信号模拟器实时产生12颗星的卫星信号的实例，星历采用2009年6月7号的广播星历，可以模拟比较近的日期的卫星信号。
实验条件：模拟静止状态下的GPS卫星信号，由jubiter接收机进行定位，统计定位精度。用matlab软件进行数据处理对加了空间环境模型和不加空间环境模型后的误差结果进行分析。
实验结果分析：由以上三个图可以看出，我们自主研发的卫星信号模拟器在模拟一个半实物时，在加了电离层误差模型、对流层误差模型和不加了电离层误差模型和对流层误差模型的比较结果显示，纬度和经度上变化并不大，基本上没有什么改变，这是属于正常情况的。但是在加了电离层误差模型和对流层误差模型后，高度却提升了10米左右，在定位精度要求极度高的时候，在高度上能够有如此好的改变效果，足以说明此模拟器的性能是很不错的，从而也在实验中验证了空间环境模型算法在实际应用中是可行的。
（四）结论
本文研究表明，在GPS卫星信号模拟器实验中，电离层延迟和对流层延迟对GPS导航定位的结果影响是很大的，在不加空间环境模型的情况下和不加空间环境模型的情况下进行实验的结果区别是非常大的，精度的变化很大。由此可见在一定程度上消除了电离层延迟和对流层延迟对GPS卫星导航定位的影响。从而也验证了空间环境模型在实际应用中的可行性和正确性。
摘要：针对单频GPS接收机受空间环境误差影响较大的特点, 系统地分析了空间环境误差特性在GPS导航中造成的定位误差。详细介绍了空间环境误差的两个典型的误差模型, 即Klobuchar模型和Hopfield模型。并通过卫星信号模拟器进行实验, 在不考虑空间环境误差模型和考虑空间环境误差模型后得到的数据进行分析, 结果表明了考虑空间环境误差模型后, 导航定位精度在有很大的提高, 从而也验证了空间环境模型在实际应用上是可行的。
关键词：电离层模型,对流层模型,导航定位项目安全,质量管理
参考文献
[1]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].电子工业出版社, 2009.
[2]何海波.高精度GPS动态测量及质量控制[D].郑州:解放军信息工程大学, 2002.
[3]姜瑞健, 黄智刚.导航信号模拟器上位机软件设计与实现[J].遥测遥控, 2008 (11) .
[4]边少峰, 李文魁.卫星导航系统概论[M].北京:电子工业出版社, 2005 (2) .