衛星導航接收機誤差分析

王鴻睿 李格 楊慶國

摘要：衛星導航接收機最為重要的一項功能就是保證相應的定位精度，需要將接收機所確定的坐標和真實的位置坐標之間的差距盡量縮小。現階段，在全球范圍內大規模使用的衛星定位用戶的接收機定位誤差主要有三種，分別是與衛星有關的誤差、與空間擴展有關的誤差以及用戶設備誤差，在此基礎上，作者討論了不同情況下衛星導航的接收誤差，并提出了各種可能的糾正錯誤的對策，可以幫助增強設備本身的操作有效性，從而長效性地促進我國衛星導航產業的健康。本文就衛星導航接收機誤差展開探討。

關鍵詞：衛星導航;接收機;誤差分析

引言

隨著我國新能源技術的發展，水能、風能、地熱能等逐漸得到了廣泛應用，尤其是風能憑借著分布廣、易獲取等優勢，發展十分迅速。目前，風力發電機多安裝在偏遠地區，運行環境惡劣，同時基于風電機組自身工作的復雜性，其運行受到諸多因素的干擾，加強抗干擾容錯控制技術研究具有重要意義。

1北斗定位基本原理

北斗定位的基本原理是測量已知位置的衛星與用戶設備之間的距離，以此為基礎來確定目標設備的確定位置。通常情況下，為了確定距離，就有必要測量將衛星信號傳送到具體的接受設備上，并將獲取信號獲得的時間與光速傳播需要的時間進行對比，這是因為在信號傳播過程中，往往會受到電離層與對流層的干擾，這意味著設備本身接收到的傳輸時間并不一定是真實的信號傳播時間，這種有誤差所導致的距離通常被稱為偽距。北斗衛星可以采取被動跟蹤的方式來獲得與目標設備之間的距離，在這一過程中，系統不斷將導航流發送到地面，然后修改電離層和大氣折射所帶來的誤差參數，總而言之，偽距測量誤差是導致信號誤差的關鍵性原因，這意味著北斗衛星需要持續性的發布導航信息，并使得技術人員必須努力保持完全的同步，進而在此基礎上合理測量相應的三維坐標，與此同時，持續性地合理引入數據接收設備，才能夠在減少時差的同時更好地定位接收器，提升北斗定位的準確性。

2北斗定位誤差類別劃分

2.1衛星相關誤差分析

（1）星歷誤差。衛星星歷也可以稱為兩行軌道數據，具體來說，其是一種表達式，主要用于對描述衛星的具體位置以及飛行速度。衛星星歷在在衛星時間、坐標以及方位等等多個數值的測定上，需要結合開普勒定律，在多年的應用中已經形成了較高的精度。衛星星歷是由地面監控站跟蹤監測衛星來求得的，但是衛星在運行時，會受到多個攝動力的影響，但是僅僅應用地面監控站又不易測定其中的作用規律，所以這樣看來，星歷預報也會產生一定的誤差。星歷計算過程中所產生的衛星空間位置和實際位置之間的差距則是衛星星歷誤差，也可以稱為時鐘鐘差。（2）星鐘誤差。北斗衛星所應用的北斗測量都是以北斗時間作為統一標準的，所以北斗時間也由地面控制站來進行確定。北斗衛星上都安置有原子鐘，但是也難免和北斗時間之間形成頻偏問題，這些問題也會隨著使用時間的延長萬里不斷發展。這樣導致的時鐘差就叫星鐘誤差。但是衛星的位置是需要應用時間函數表示的，所以北斗觀測量都是需要將精密測量旱來作為基礎，如果出現了星鐘誤差，則會影響偽碼測距以及載波的相伴測量誤差。在相應的計算公式中，其誤差可能達到30公里，會嚴重影響測量精度。

2.2信號傳播誤差

電離層誤差是信號傳播誤差中最常見的形式，通常來說電離層為地面60公里左右的大氣層，之所以稱其為電離層，是因為這一區間的大氣均處于電離狀態，這使得其極容易影響通過大氣傳播的信號穩定性，在部分情況下，會導致無線電波折射或者反射的情況。具體來說，當北斗衛星信號橫越電離層時信號路徑時，會出現失真的現象，這往往會造成誤差。此外，對流層誤差也是信號傳播誤差中的常見類型。對流層約占大氣質量的99%，該區域大氣密度高，因此信號傳遞的操作就更為復雜，這必然會對信號傳播速度和信號路徑有一定影響。對流層誤差通常表現為隨機誤差和信道延遲誤差，在這一過程中，需要注意的是，由通道延遲測量校準所引起的測量誤差是隨機誤差，而通道延遲誤差本身則屬于系統誤差。

2.3通道時延誤差

通道時延誤差包括接收機通道時延值測量標定誤差和時延值漂移兩部分，前者屬隨機誤差，后者為系統誤差。對于北斗接收機特別是定時型接收機而言，高精度的通道時延測量標定是一大難題。

3解決衛星導航接收機誤差常用方法

3.1做好差分定位

實際上，衛星導航接收器中通常存在很多缺陷。因此，技術人員需要針對上述不同類型的誤差進行應對，并結合實際情況采用有效的方法進行修正，避免因誤導引起的設備故障并進一步改善信號傳播的效率和質量。通常來說，差異定位是常見的故障排除方法，而這種方法有助于更好地解決誤差問題，并盡可能消除不必要的系統外誤差。差分定位的原理很簡單，它主要使用觀測站觀測兩個目標值，最后，找到數據之間的差異，然后，消除一般誤差項，從而使觀測結果更準確，同時，還有效解決了存在的誤差問題。

3.2電離層改進模型

電離層改進模型常采用的有廣播星歷參數改正、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。該模型根據電離層延遲隨地方時變化的規律，將夜晚電離層延遲看作一個常數，而將白天看作余弦函數的正中部分，利用北斗導航系統在其導航電文中提供的αn、βn（n=0，1，2，3）共8個電離層延遲參數進行電離修正。

3.3頻率校準方法

衛星原子頻率標準的輸出信號需要經過計時系統調制后才能發送給用戶。技術人員在校準頻率時，通常使用頻率調制設備和相位調制設備從而提高頻率穩定性。在這一過程中，技術人員進行頻率漂移校是因為較小的頻率漂移校正值不會引起頻率跳躍，從而可以避免降低該衛星導航性能。此外，技術人員除了需要減少跳頻之外，還應該滿足國家對衛星導航和定位應用的需求，進而在衛星的用戶容量、服務區域、動態性能、定位精度和使用方面獲得重大技術突破。

3.4改進對流層模型

考慮到衛星導航接收機固有的誤差問題，技術人員可以不斷改進對流層模型以進一步改進其本身的觀測精度。考慮到對流層占大氣總量的99%以上，而相關數據表明，對流層模型中的數據多是根據18個站點的平均數據計算得出的。因此，技術人員可以使用二星三參數法或三星四參數法等來改進優化對流層模型，盡可能地解決已經發生的問題并減小范圍對誤差的影響，并滿足實際的導航定位需要。

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，兩星三參數或者三星四參數法等等，通過采取這些方法，都能解決定位精度不高、隱蔽性交叉等問題，進而盡量減少測距對于誤差的影響，滿足實際定位的需要。

結語

衛星導航接收機誤差分析是由許多原因所共同組成的，因此，技術人員在分析誤差和解決誤差時，也應當多方考慮，在充分結合實際情況后，不斷改進誤差控制技術。例如，電離層模型和改進對流層模型就能夠有效提升設備可靠性。本文分析并總結了衛星導航接收機誤差問題，希望為相關企業和技術人員使用該設備提供一些理論上的參考。

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