GNSS系統(tǒng)工作原理及誤差分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u12352GNSS系統(tǒng)工作原理及誤差分析概述 1300031.1GNSS系統(tǒng)組成 1119991.2偽距定位原理 233911.3誤差來源 41.1GNSS系統(tǒng)組成目前正常運行的GNSS中最為人熟知的是美國的GPS。由于它是全球第一個建設的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在設計衛(wèi)星環(huán)地軌道時，限制較少有較大的自由度。可以通過在近地軌道平面均勻分布導航衛(wèi)星，能有效對全球進行信號覆蓋。雖然與我國自主建設的BDS分布方式不同，但是兩者在基本的系統(tǒng)結構和原理上是相同的。GNSS包括空間段、控制段（地面段）、用戶段三部分。圖2-3為GNSS系統(tǒng)組成示意圖?？臻g段主要由不同繞地軌道上的衛(wèi)星組成。其主要用于提供定位所需的時間和空間基準?？刂贫斡址Q為地面控制段，主要用于維護衛(wèi)星的正常運行。用戶段主要指導航系統(tǒng)接收機等設備終端，通過相關設備實現(xiàn)導航定位以及授時功能。圖2-3GNSS系統(tǒng)組成Figure2-3GNSSsystemcomposition（a）空間段空間段衛(wèi)星數(shù)量與軌道設計對整個系統(tǒng)至關重要。不同GNSS的空間段差異較大。GPS作為全球首個建設的GNSS，衛(wèi)星可使用的近地軌道和通信頻率較為自由。使用24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道上，每顆衛(wèi)星保持55度的傾斜角，繞地球一周約為11小時58分鐘。用于保證任意時刻能實現(xiàn)全球定位，滿足導航定位的需求。我國衛(wèi)星導航事業(yè)起步較晚，衛(wèi)星軌道和通信頻率受限制較多，目前建成的北斗三號由30顆衛(wèi)星組成。為實現(xiàn)衛(wèi)星覆蓋，同時采用傾斜地球同步軌道（InclinedGeoSynchronousOrbit,IGSO）、地球中圓軌道（MediumEarthOrbits,MEO）和地球靜止軌道（GeostationaryEarthOrbit,GEO）多軌道類型的混合星座構成導航星座。MEO分布24顆衛(wèi)星，軌道傾角為55度，GEO軌道有3顆衛(wèi)星，保持與地球相對靜止的狀態(tài)。3顆IGSO衛(wèi)星軌道傾角與GEO衛(wèi)星保持一致，主要用于提高高緯度地區(qū)的定位精度。衛(wèi)星由于運行軌道不同，功能具有一定差別。（b）控制段地面段由監(jiān)測站、主控站和注入站組成。其中最重要的是主控站，負責調度、管理地面控制系統(tǒng)。通過接收各個監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)，計算處理得到如衛(wèi)星鐘改正數(shù)、衛(wèi)星時間同步計算、信號傳播延時修正等相關衛(wèi)星數(shù)據(jù)并生成導航電文，隨后將處理結果和相關指令發(fā)送至注入站進行任務調度維護整個系統(tǒng)的正常工作。同時，主控站以自身設有的高精度原始鐘為系統(tǒng)時間基準，維持整個導航系統(tǒng)的時間同步。注入站兼具時間同步功能，除了將接收到來自主控站的導航電文和其他命令消息通過射頻鏈路注入到各衛(wèi)星中，還可以與衛(wèi)星進行上下行測量，提供測量信息給主控站，由主控站解算衛(wèi)星時鐘。監(jiān)測站主要用于為主控站采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測導航衛(wèi)星的導航信號、運行軌跡以及工作狀態(tài)是否正常，利用環(huán)境傳感器采集氣象數(shù)據(jù)，并最終將相關數(shù)據(jù)發(fā)送給主控站進行數(shù)據(jù)處理。（c）用戶段用戶段主要指使用各類導航系統(tǒng)接收機等設備終端進行定位、導航和授時的用戶。主要用來接收衛(wèi)星導航信號獲得導航電文及其他定位所需參數(shù)，據(jù)此得到導航定位信息。1.2偽距定位原理當用戶使用導航系統(tǒng)進行定位時，需要先得到用戶設備到導航衛(wèi)星的距離。通過直接解析接收的導航電文得到星歷信息，可以解算得到導航衛(wèi)星的三維空間坐標信息，進而計算得到二者之間的距離。但是由于衛(wèi)星和接收機之間存在鐘差以及信號在傳輸過程中，會受到各種因素干擾引入誤差。此時解析得到的距離與真實值存在一定偏差，因此這樣解算得到的距離被稱之為偽距D。計算公式如下 (2-10)式（2-10）中：為衛(wèi)星與接收機之間的實際距離；為時間差；c為光速；為接收時間；為發(fā)送時間?？紤]衛(wèi)星和接收機之間的鐘差時則有 (2-11)式（2-11）中：D為偽距；為鐘差。在實際環(huán)境中，偽距D中還存在由于電流層、多路徑效應引起的信號延時誤差。后續(xù)可以根據(jù)建模進行修正，此時暫不考慮。GNSS主要局域三球相交定位的原理使用偽距進行定位，圖2-4為三星定位的示意圖。首先假定接收機與衛(wèi)星時鐘都與北斗時鐘同步，每顆衛(wèi)星發(fā)出信號時，均將發(fā)送時刻的時間信息作為信號所包含信息的一部分。接收機首先記錄下信號接收時刻，然后將接收時刻與發(fā)送時刻做差得到傳播時間，再乘以光速，便可得到接收機距離衛(wèi)星的距離。圖2-4三星定位原理示意圖Figure2-4SchematicdiagramofSamsungpositioningprinciple記此時距離為R，則接收機必在以此顆衛(wèi)星為球心，半徑為R的球面上。若能同時解算得到與三顆衛(wèi)星的距離，即可確定接收機位置必在三球相交處。具體公式為 (2-12)式（2-12）中：為接收機與第i顆定位衛(wèi)星的實際距離；為接收機的空間坐標；為第i顆衛(wèi)星的空間坐標。圖2-5接收機與衛(wèi)星關系圖Figure2-5Therelationshipbetweenreceiverandsatellite此時，導航衛(wèi)星與接收機的關系如圖2-5所示?？紤]存在鐘差的情況下，可建立下述定位模型(2-13)由式（2-13）可知，有4個未知數(shù)，將其展開，寫成方程組的形式如式（2-14）所示(2-14)因此，理論上當同一時刻接收機觀測到的衛(wèi)星小于4顆時，則方程無解；即導航系統(tǒng)處于失鎖狀態(tài)，無法正常工作；觀測衛(wèi)星個數(shù)剛好4顆時，則方程有唯一解；觀測衛(wèi)星個數(shù)多于4顆時，方程有多解，可以利用算法得到最接近真實位置的解。1.3誤差來源GNSS定位的工作過程是導航衛(wèi)星發(fā)送信號，經(jīng)過電流層、對流層等傳播后到達地球，地面接收機接收到信號再進行解算相關信息。因此整個測量過程主要包括三類誤差：與衛(wèi)星相關的誤差、信號傳播過程相關的誤差以及與接收機相關的誤差[46]。（a）導航衛(wèi)星相關的誤差與衛(wèi)星相關的誤差主要包括鐘差和星歷誤差。在前文中推到過偽距測量的原理，其中最重要的假定是所有衛(wèi)星都與導航系統(tǒng)時間基準保持一致。然而，盡管衛(wèi)星使用高精度原子鐘，但和理想時鐘相比依然存在漂移，導致與導航系統(tǒng)時鐘基準之間存在一定的偏差。衛(wèi)星鐘差修正模型一般使用二階多項式表示 (2-15)式（2-15）中：分別表示時刻衛(wèi)星的鐘差、鐘速和鐘漂。具體參數(shù)由主控站測量，經(jīng)過修正后的鐘差依然存在誤差，精度約為5~10ns。星歷誤差指實際的衛(wèi)星軌道與利用衛(wèi)星星歷計算的理想軌道的差值。根據(jù)定位需求，有多種處理方法。但是在實時單點定位時，一般忽略其誤差，即認為導航電文中的軌道信息不包含誤差。（b）信號傳播過程相關的誤差衛(wèi)星定位信號在傳播時，依次經(jīng)過電離層、對流層，可能經(jīng)過多次反射后才被地面接收。具體過程如圖2-6所示，因此，傳播過程誤差主要可以分為電離層時延誤差、對流層時延誤差和多路徑效應誤差三部分[47]。電離層指距地球表面約60~1000km的大氣層區(qū)域[48]，由于受到紫外線輻射和X射線的影響形成的一種彌散性介質，主要由大量帶電粒子、自由電子組成。對無線電信號進行折射和反射導致定位信號在傳輸時產生延遲。對流層則是指距地面50km左右的大氣層區(qū)域，主要由空氣和水組成，同樣會對定位信號進行折射和反射導致信號延遲。最后信號在近地面?zhèn)鞑r，可能會受到高大建筑物、樹木等地形的影響。發(fā)生反射，導致接收機除了接收到直線傳播的衛(wèi)星信號，還接收到多個經(jīng)過多次反射后的