衛(wèi)星導(dǎo)航原理

1、2 導(dǎo)航是人類最早的需求之一；導(dǎo)航系統(tǒng)是人導(dǎo)航是人類最早的需求之一；導(dǎo)航系統(tǒng)是人類最早的科學(xué)系統(tǒng)之一類最早的科學(xué)系統(tǒng)之一 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是目前使用最廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是目前使用最廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的代表是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的代表 GPS已經(jīng)成為美國國家基礎(chǔ)設(shè)施，成為繼已經(jīng)成為美國國家基礎(chǔ)設(shè)施，成為繼互聯(lián)網(wǎng)后又一個十分成功的兩用現(xiàn)代國防系互聯(lián)網(wǎng)后又一個十分成功的兩用現(xiàn)代國防系統(tǒng)統(tǒng)3 導(dǎo)航是將航行體從起始點導(dǎo)引到目的地的技術(shù)或方法導(dǎo)航是將航行體從起始點導(dǎo)引到目的地的技術(shù)或方法 導(dǎo)航過程中要解決三個問題，即導(dǎo)航過程中要解決三個問題，即要去哪（目標(biāo)位置）要去哪（目標(biāo)位置）我在哪（自

2、身位置）我在哪（自身位置）怎樣到（行進路徑）怎樣到（行進路徑） 導(dǎo)航的基本過程：確定目的地位置導(dǎo)航的基本過程：確定目的地位置確定自身位置確定自身位置決定決定行進方向（路線）行進方向（路線） 確定自身位置是導(dǎo)航的關(guān)鍵（確定自身位置是導(dǎo)航的關(guān)鍵（PositioningPositioning） 導(dǎo)航系統(tǒng)就是能夠向運載體提供位置、速度與航向等即時導(dǎo)航系統(tǒng)就是能夠向運載體提供位置、速度與航向等即時運動狀態(tài)信息的系統(tǒng)運動狀態(tài)信息的系統(tǒng) 4 步行從一點到另一點的導(dǎo)航過步行從一點到另一點的導(dǎo)航過程：程： 確定目的地位置：可能自已已經(jīng)確定目的地位置：可能自已已經(jīng)了解其位置，或指引路徑的人已了解其位置，或指引路徑

3、的人已了解此位置了解此位置 確定自身當(dāng)前位置（與建筑物確定自身當(dāng)前位置（與建筑物A正對，距正對，距A約約10米）米） 確定前進路徑（延指向建筑物確定前進路徑（延指向建筑物B的公路方向前進，在花壇的公路方向前進，在花壇C所在所在路口右轉(zhuǎn)，之后行進路口右轉(zhuǎn)，之后行進100米，路米，路左側(cè)）。如有可能，還可以目測左側(cè)）。如有可能，還可以目測到花壇到花壇C的距離、并根據(jù)自身的的距離、并根據(jù)自身的行進速度估計到達目的地的時間。行進速度估計到達目的地的時間。出發(fā)點目的地ABCA56 關(guān)鍵問題都是確定一點的幾何位置。關(guān)鍵問題都是確定一點的幾何位置。 二者區(qū)別在于工作條件不同、技術(shù)要求不同。二者區(qū)別在于工作條

4、件不同、技術(shù)要求不同。 定位精度要求較高（通常厘米級或更高）；導(dǎo)定位精度要求較高（通常厘米級或更高）；導(dǎo)航精度要求較低。航精度要求較低。 定位是靜止?fàn)顟B(tài)，允許多次觀測和事后處理；定位是靜止?fàn)顟B(tài)，允許多次觀測和事后處理；而導(dǎo)航則多是動態(tài)的，需實時處理。而導(dǎo)航則多是動態(tài)的，需實時處理。 導(dǎo)航要求在時間上連續(xù)性；而定位則沒有要求。導(dǎo)航要求在時間上連續(xù)性；而定位則沒有要求。7 都將運載體引導(dǎo)至目的地。都將運載體引導(dǎo)至目的地。 導(dǎo)航僅提供信息，而不進行控制；而制導(dǎo)則導(dǎo)航僅提供信息，而不進行控制；而制導(dǎo)則既提供信息，也進行控制其姿態(tài)和軌道。既提供信息，也進行控制其姿態(tài)和軌道。8 為了描述衛(wèi)星運動、處理觀測

5、數(shù)據(jù)和表示航行體為了描述衛(wèi)星運動、處理觀測數(shù)據(jù)和表示航行體位置，需要建立參考坐標(biāo)系。位置，需要建立參考坐標(biāo)系。 坐標(biāo)系的選擇在很大程度上取決于任務(wù)要求、完坐標(biāo)系的選擇在很大程度上取決于任務(wù)要求、完成過程的難易程度、計算的復(fù)雜性等。成過程的難易程度、計算的復(fù)雜性等。 典型的是用典型的是用笛卡爾坐標(biāo)系笛卡爾坐標(biāo)系（Cartesian Cartesian Coordinate System,Coordinate System,也稱為也稱為“空間直角坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系”）中測度的位置和速度矢量去描述衛(wèi)星和航行體的中測度的位置和速度矢量去描述衛(wèi)星和航行體的狀態(tài)。狀態(tài)。 笛卡兒坐標(biāo)系三要素笛卡兒坐標(biāo)系三

6、要素10 原點位于地球質(zhì)心原點位于地球質(zhì)心 XYXY平面與地球赤道面重合平面與地球赤道面重合 X X軸相對恒星靜止，指向特定方向軸相對恒星靜止，指向特定方向 Z Z軸與軸與XYXY平面垂直，指向北極方向平面垂直，指向北極方向 Y Y軸由右手坐標(biāo)系規(guī)則確定軸由右手坐標(biāo)系規(guī)則確定 多用于描述衛(wèi)星軌道多用于描述衛(wèi)星軌道 在某些文獻中稱為在某些文獻中稱為 J2000 J2000坐標(biāo)系：用坐標(biāo)系：用20002000年年1 1月月1 1日日UTCUTC（USNOUSNO）12:0012:00時的赤道面取向作為基礎(chǔ)。時的赤道面取向作為基礎(chǔ)。X X軸的方向軸的方向從地球質(zhì)心指向春分點、從地球質(zhì)心指向春分點、Y

7、 Y和和Z Z軸的規(guī)定仍如軸的規(guī)定仍如上述。上述。 原點位于地球質(zhì)心原點位于地球質(zhì)心XYXY平面與地球赤道平面重合平面與地球赤道平面重合X X軸指向赤道上某一固定點（通常為軸指向赤道上某一固定點（通常為0 0經(jīng)度方向）經(jīng)度方向）Y Y軸指向與軸指向與X X軸垂直軸垂直Z Z軸與赤道平面正交指向地理北極，形成右手坐標(biāo)系軸與赤道平面正交指向地理北極，形成右手坐標(biāo)系 相對地球指向不變，適于描述航行體位置相對地球指向不變，適于描述航行體位置13 在在ECEFECEF下下 地球是靜止不動的地球是靜止不動的 圍繞地球運行的天圍繞地球運行的天體或衛(wèi)星的軌道不體或衛(wèi)星的軌道不遵守開普勒定律遵守開普勒定律ECE

8、F下衛(wèi)星的運行軌道下衛(wèi)星的運行軌道GSOMEOGEOGEO 取某一時刻的取某一時刻的ECEFECEF坐坐標(biāo)系，將其坐標(biāo)軸固標(biāo)系，將其坐標(biāo)軸固定下來，即為定下來，即為ECIECI坐標(biāo)坐標(biāo)系系 ECIECI坐標(biāo)系繞坐標(biāo)系繞Z Z軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)某一角度后即可得到某一角度后即可得到任意時刻的任意時刻的ECEFECEF坐標(biāo)坐標(biāo)系系16 對對 P（位置，（位置，Position）; V（速度，（速度，Velocity） T（時間，（時間，Time）的計算，通常稱之為的計算，通常稱之為PVT解算。解算。171r2211122222uuuurxxyyrxxyy2r1S2SR18衛(wèi)星1衛(wèi)星2衛(wèi)星319 三維空間中

9、，若某點三維空間中，若某點到三個已知參考點的到三個已知參考點的距離能獲得，則該點距離能獲得，則該點坐標(biāo)可以被唯一地確坐標(biāo)可以被唯一地確定定衛(wèi)星1衛(wèi)星2衛(wèi)星3x1,y1,z1x3,y3,z3x2,y2,z2221111222222223333rxxyyzzrxxyyzzrxxyyzz20 當(dāng)某一運動物體任意時刻的位置參數(shù)已知，當(dāng)某一運動物體任意時刻的位置參數(shù)已知，則可通過位置與速度的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，確定物則可通過位置與速度的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，確定物體的速度參數(shù)體的速度參數(shù) 從參考點向某點發(fā)送參考點的時間信息，從參考點向某點發(fā)送參考點的時間信息，當(dāng)兩點間距離已知，可通過距離計算傳播當(dāng)兩點間距離已知，可通過距離計

10、算傳播時延，進而根據(jù)接收到的時間信息計算本時延，進而根據(jù)接收到的時間信息計算本點的時間點的時間21： “北斗一號北斗一號”系統(tǒng)系統(tǒng)（BD2RDSSBD2RDSS）是利用地球是利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供快速定位同步衛(wèi)星為用戶提供快速定位、數(shù)字報文通信和授、數(shù)字報文通信和授時服務(wù)的一種新型、全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航定時服務(wù)的一種新型、全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。位系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由兩顆地球同步衛(wèi)星、一顆在軌備份該系統(tǒng)由兩顆地球同步衛(wèi)星、一顆在軌備份衛(wèi)星、一個中心控制系統(tǒng)、一個標(biāo)校系統(tǒng)和各類用衛(wèi)星、一個中心控制系統(tǒng)、一個標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機組成，各部分通過出站鏈路（中心控制系統(tǒng)戶機組成，各部分通

11、過出站鏈路（中心控制系統(tǒng)衛(wèi)星衛(wèi)星用戶）和入站鏈路（用戶用戶）和入站鏈路（用戶衛(wèi)星衛(wèi)星中心控制中心控制系統(tǒng)）相連接。系統(tǒng)）相連接。 地面控制中心標(biāo)校站用戶機“北斗一號”工作原理圖衛(wèi)星1衛(wèi)星2衛(wèi)星3 實際上北斗一號使用實際上北斗一號使用雙球定位加地球定位，雙球定位加地球定位，由于還要測高，因此由于還要測高，因此在全國不同地區(qū)設(shè)置在全國不同地區(qū)設(shè)置標(biāo)校站標(biāo)校站地球 北斗一號衛(wèi)星只進行信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)，不發(fā)送導(dǎo)航電文! 北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用主動式定位原理，用戶設(shè)備北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用主動式定位原理，用戶設(shè)備既接收來自兩顆北斗一號衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號，又要向衛(wèi)星既接收來自兩顆北斗一號衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號

12、，又要向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)該信號，進而由地面中心站解算出各個用戶的所在點位，轉(zhuǎn)發(fā)該信號，進而由地面中心站解算出各個用戶的所在點位，并用通信方式告知用戶所測得的位置。并用通信方式告知用戶所測得的位置。1 1、由中心站算出各個用戶的所在點與二個顆衛(wèi)星、由中心站算出各個用戶的所在點與二個顆衛(wèi)星的距離；的距離；2 2、中心站存貯有各個地區(qū)的標(biāo)校站測得的大地高；、中心站存貯有各個地區(qū)的標(biāo)校站測得的大地高；3 3、中心站根據(jù)用戶與二顆衛(wèi)星的二個球面及地球、中心站根據(jù)用戶與二顆衛(wèi)星的二個球面及地球面交叉點計算用戶的位置并發(fā)給用戶。面交叉點計算用戶的位置并發(fā)給用戶。26 測量站在測量站在T1時刻發(fā)出時刻發(fā)出信號，導(dǎo)航終

13、端收到信號，導(dǎo)航終端收到信號后立即向測量站信號后立即向測量站發(fā)出響應(yīng)，測量站收發(fā)出響應(yīng)，測量站收到該信號后根據(jù)接收到該信號后根據(jù)接收時刻時刻T2與與T1計算雙計算雙方距離。方距離。T21122crc tTT 2T1Ttc為信號傳播速度27c c為光速，為光速，T Ts s為信號發(fā)送時刻，為信號發(fā)送時刻，T Tu u為接收機收到信號為接收機收到信號的時刻（稱作的時刻（稱作TOA-TOA-Time Of ArriveTime Of Arrive）；）； 傳輸時延tTusrc tc TT 通過觀測電磁波從空間一點傳播到另一點的通過觀測電磁波從空間一點傳播到另一點的傳播時間，可以測定兩點間的距離。傳播

14、時間，可以測定兩點間的距離。281TLT2TsT21rc tc TT 2LTT1sTTLsc TTsTsT 上述時鐘與系統(tǒng)時鐘的誤差均稱為上述時鐘與系統(tǒng)時鐘的誤差均稱為“”（“clock offsetclock offset”或或“time biastime bias”），其定義為），其定義為（某時刻）某一時鐘讀數(shù)與系統(tǒng)時間之差（某時刻）某一時鐘讀數(shù)與系統(tǒng)時間之差2LtTT 29 由于此值是通過將信號由于此值是通過將信號傳輸速度傳輸速度與使用與使用并不同步的時鐘測并不同步的時鐘測得的時間差得的時間差相乘而確定的距離，它包含有相乘而確定的距離，它包含有鐘差項鐘差項，因而不，因而不等于真實的傳播距

15、離，稱此值為等于真實的傳播距離，稱此值為“”（）。）。RuususuucTtTcTTc trc t utLuuTTtsT接收機鐘差為接收機鐘差為 讀取的接收機時鐘值為讀取的接收機時鐘值為 衛(wèi)星的發(fā)送時刻為衛(wèi)星的發(fā)送時刻為 30接收機應(yīng)維護一組與接收信號接收機應(yīng)維護一組與接收信號同步同步的的載波載波和和擴頻碼擴頻碼，它們分別稱為，它們分別稱為“復(fù)現(xiàn)載波復(fù)現(xiàn)載波”與與“復(fù)現(xiàn)碼復(fù)現(xiàn)碼”；假設(shè)復(fù)現(xiàn)碼與接收信號中的擴頻碼完全同假設(shè)復(fù)現(xiàn)碼與接收信號中的擴頻碼完全同步步31 在觀測時刻進行如下工作：在觀測時刻進行如下工作：獲取接收機當(dāng)前時刻計時值獲取接收機當(dāng)前時刻計時值TL；觀察本地產(chǎn)生的復(fù)現(xiàn)碼時鐘計數(shù)器以

16、及碼時鐘發(fā)生器，并根據(jù)其觀察本地產(chǎn)生的復(fù)現(xiàn)碼時鐘計數(shù)器以及碼時鐘發(fā)生器，并根據(jù)其狀態(tài)，確定當(dāng)前時刻接收信號的發(fā)出時刻狀態(tài)，確定當(dāng)前時刻接收信號的發(fā)出時刻Ts；在得到上述兩個基本觀測量后，計算發(fā)送點與接收點的偽距。在得到上述兩個基本觀測量后，計算發(fā)送點與接收點的偽距。 t衛(wèi)星（或發(fā)送站）發(fā)送碼傳到接收機的碼T接收機產(chǎn)生的復(fù)現(xiàn)碼觀測時刻 TLTs通過對復(fù)現(xiàn)碼通過對復(fù)現(xiàn)碼和復(fù)現(xiàn)載波進和復(fù)現(xiàn)載波進行測量，可獲行測量，可獲得偽距。得偽距。32 如果接收機可測得到各衛(wèi)星的如果接收機可測得到各衛(wèi)星的真實真實距離，那么，距離，那么，通過對三個觀測方程組成的方程組求解即可得通過對三個觀測方程組成的方程組求解即可

17、得到用戶（接收機）的坐標(biāo)到用戶（接收機）的坐標(biāo)222111122222222223333uuuuuuuuurxxyyzzrxxyyzzrxxyyzztu為用戶鐘差？222jjuuuujjjuuuufx , y ,z ,txxyyzzct 33 觀測方程中待求解的狀態(tài)量有觀測方程中待求解的狀態(tài)量有4個，因此至個，因此至少需要建立少需要建立4個方程才能得到解算結(jié)果。個方程才能得到解算結(jié)果。衛(wèi)星1衛(wèi)星2衛(wèi)星3衛(wèi)星4x4,y4,z4,t4x3,y3,z3,t3x2,y2,z2, t2x1,y1,z1,t1xyzxu,yu,zu,tu123434 通過對通過對4個衛(wèi)星進行偽距觀測，可得到如下個衛(wèi)星進行偽

18、距觀測，可得到如下方程組方程組22211111222222222223333322244444uuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuufx ,y ,z ,txxyyzzctfx ,y ,z ,txxyyzzctfx ,y ,z ,txxyyzzctfx ,y ,z ,txxyyzzct已知量？未知量？如何解？已知量？未知量？如何解？35xyymxm？y0 x0 00 x xdfxyyxdxxx0y0 00 x xdfxyyxdxx0 xy0 001mx xxyydf xdx 00 xxx 00yf x0mxx36求方程2=x2，x的值迭代3次，初始值為1。由y=x2，得

19、出其一階展開為 y=y0+2x0(x-x0)第一次：令x0=1則y0=x02=1 所以2=1+2(x-1)得出x=1.5第二次：令x0=1.5則y0=2.25 所以2=2.25+3x(x-1.5)得x=1.4167第三次：令x0=1.4167則y0=2.007 所以x=1.41423700 xxx 200yx00122xyx 利用方程線性化和迭代方法求利用方程線性化和迭代方法求x x2 2=2=2。初始值。初始值x x0 0=1=1，迭代迭代3 3次。次。第一次 0 5x.01 5x.02 25y.第二次 0 0833x. 01 4167x.02.00704y 第三次 0 0025x. 01

20、4142x.01.999961y 初始值為初始值為x x0 0=0=0時再求解？時再求解？定位精度定位精度38d衛(wèi)星軌道偏差衛(wèi)星軌道偏差iSVCT衛(wèi)星鐘偏差衛(wèi)星鐘偏差iion電離層延遲電離層延遲itrop對流層延遲對流層延遲MPant衛(wèi)星軌道偏差衛(wèi)星軌道偏差隨機誤差隨機誤差天線相位天線相位中心誤差中心誤差rC t 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)多徑誤差多徑誤差rand用戶等效距離誤差用戶等效距離誤差用戶等效距離誤差（用戶等效距離誤差（UERE） 各種偏差和誤差最終都要反映在用戶的測各種偏差和誤差最終都要反映在用戶的測量結(jié)果上，即距離測量誤差上。通常均把量結(jié)果上，即距離測量誤差上。通常均把各種誤差的影響投

21、影到觀測站至衛(wèi)星的距各種誤差的影響投影到觀測站至衛(wèi)星的距離上，以相應(yīng)的距離誤差表示，稱為用戶離上，以相應(yīng)的距離誤差表示，稱為用戶等效距離偏差等效距離偏差 402UEREi廣播星歷是由地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)對衛(wèi)星的跟廣播星歷是由地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)對衛(wèi)星的跟蹤測量結(jié)果，經(jīng)外推計算得到的。蹤測量結(jié)果，經(jīng)外推計算得到的。星歷誤差通常在徑向最??；切向和橫向的分星歷誤差通常在徑向最小；切向和橫向的分量要大得多。量要大得多。提高預(yù)測精度和減小預(yù)測時間（運控系統(tǒng)）。提高預(yù)測精度和減小預(yù)測時間（運控系統(tǒng)）。 鐘差表示：鐘差表示： 一般導(dǎo)航電文采用二階多項式表示此偏差：一般導(dǎo)航電文采用二階多項式表示此偏差： t衛(wèi)星鐘差計

22、算時刻，衛(wèi)星鐘差計算時刻，信號發(fā)出時的系統(tǒng)時間信號發(fā)出時的系統(tǒng)時間 觀測時刻衛(wèi)星信號中提取的時間（即信號發(fā)出觀測時刻衛(wèi)星信號中提取的時間（即信號發(fā)出的時刻）值的時刻）值 toc衛(wèi)星鐘差參數(shù)參考時刻，衛(wèi)星鐘差參數(shù)參考時刻，a0,a1,a2時鐘偏移、時時鐘偏移、時鐘漂移和時鐘頻率漂移，由導(dǎo)航電文播發(fā)。鐘漂移和時鐘頻率漂移，由導(dǎo)航電文播發(fā)。422012SVococtaattattiSVstttist Sagnac效應(yīng)是由于效應(yīng)是由于ECEF參考系隨時間變化參考系隨時間變化引起的。引起的。 Sagnac效應(yīng)：衛(wèi)星信號從衛(wèi)星到用戶機的效應(yīng)：衛(wèi)星信號從衛(wèi)星到用戶機的傳輸需要一個傳輸時延，這將導(dǎo)致在傳輸需要

23、一個傳輸時延，這將導(dǎo)致在ECEF坐標(biāo)系中計算衛(wèi)星位置時引入一個誤差。坐標(biāo)系中計算衛(wèi)星位置時引入一個誤差。4344ts時刻衛(wèi)星位置（xs,ys,zs）tr時刻（xs,ys,zs）表示的位置ts時刻ECEF地球自轉(zhuǎn)議方向接收機 衛(wèi)星ECEF坐標(biāo)由星歷和信號發(fā)送時刻計算得到 通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：45tr時刻坐標(biāo)系時刻坐標(biāo)系ts時刻坐標(biāo)系時刻坐標(biāo)系衛(wèi)星衛(wèi)星222Rsisisisisisixxyyzzcossin0()sincos0001RRerserszzerserstttttttt 繞Z軸逆時針旋轉(zhuǎn) 時鐘在不同的運動速度和重力勢條件下的運行快時鐘在不同的運動速度和重力勢條件下的運行快慢會發(fā)生

24、變化。慢會發(fā)生變化。 信號源和信號接收機相對于地心慣性坐標(biāo)系運動信號源和信號接收機相對于地心慣性坐標(biāo)系運動時，需要有狹義相對論的校正。時，需要有狹義相對論的校正。 信號源和信號接收機處于不同重力勢時都需要有信號源和信號接收機處于不同重力勢時都需要有廣義相對論的校正。廣義相對論的校正。 在發(fā)射前把衛(wèi)星的時鐘頻率調(diào)整為在發(fā)射前把衛(wèi)星的時鐘頻率調(diào)整為10.22999999543MHz，此時在海平面，此時在海平面 上用戶觀測到的頻率是上用戶觀測到的頻率是10.23MHz，用，用 戶不必校正這種效應(yīng)。戶不必校正這種效應(yīng)。46 用戶需要修正由于衛(wèi)星軌道的輕微偏心度所引起用戶需要修正由于衛(wèi)星軌道的輕微偏心度

25、所引起的另一種相對論周期效應(yīng)：的另一種相對論周期效應(yīng)： 衛(wèi)星處于近地點時，衛(wèi)星速度較高，而重力勢較低。衛(wèi)星處于近地點時，衛(wèi)星速度較高，而重力勢較低。 衛(wèi)星處于遠(yuǎn)地點時，衛(wèi)星速度較低，而重力勢較高。衛(wèi)星處于遠(yuǎn)地點時，衛(wèi)星速度較低，而重力勢較高。 這種效應(yīng)可以按照以下公式補償：這種效應(yīng)可以按照以下公式補償： 這種相對論效應(yīng)最大能達到這種相對論效應(yīng)最大能達到70ns，對衛(wèi)星時鐘進，對衛(wèi)星時鐘進行相對論效應(yīng)修正可以更準(zhǔn)確地估計傳輸時間。行相對論效應(yīng)修正可以更準(zhǔn)確地估計傳輸時間。47sinrktFe aE104.442807633 10F 48電離層電離層對流層對流層1000km50km40km地球地球

26、 電離層是受到太陽輻射作用，部分氣體分子被電電離層是受到太陽輻射作用，部分氣體分子被電離，形成帶正電的粒子和自由電子而形成的。離，形成帶正電的粒子和自由電子而形成的。 電離層總電子含量電離層總電子含量(TEC -Total Electron Content)- - 底面積為一個單位面積時沿信號傳播路徑貫穿底面積為一個單位面積時沿信號傳播路徑貫穿 整個電離層的一個柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。整個電離層的一個柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)。 TEC隨一天的時間、用戶衛(wèi)星仰角、隨一天的時間、用戶衛(wèi)星仰角、 季節(jié)、電離通量、磁活動性、季節(jié)、電離通量、磁活動性、 日斑周期和閃爍而變化。日斑周期和閃爍而變化。49電離層電

27、離層地球地球衛(wèi)星衛(wèi)星 當(dāng)電磁波穿過電離層時，傳播速度和傳播當(dāng)電磁波穿過電離層時，傳播速度和傳播路徑均會發(fā)生變化，以信號傳播時間和光路徑均會發(fā)生變化，以信號傳播時間和光速相乘得到的距離就不等于信號的實際傳速相乘得到的距離就不等于信號的實際傳輸距離，從而導(dǎo)致測距誤差。輸距離，從而導(dǎo)致測距誤差。 電離層引入的偽距觀測誤差范圍在電離層引入的偽距觀測誤差范圍在3m45m范圍，與觀測的時間、衛(wèi)星仰角有關(guān)。范圍，與觀測的時間、衛(wèi)星仰角有關(guān)。50 傳輸時間乘光速與真實距離傳輸時間乘光速與真實距離S之差（延時誤之差（延時誤差）為差）為 由此看出，電離層是色散介質(zhì)由此看出，電離層是色散介質(zhì)51240.28TECf

28、 1）直接構(gòu)造）直接構(gòu)造“無電離偽距無電離偽距”法法稱為為無電離層偽距稱為為無電離層偽距（ionosphere-free pseudo-range）5212140.28fTECSf121ffS2221ff22240.28fTECSf 2）偽距修正法）偽距修正法531211111122122212212111fffffffffffffSfff 雙頻改正可以消除95的電離層影響 單頻接收機：只接收一個頻點導(dǎo)航信號的單頻接收機：只接收一個頻點導(dǎo)航信號的RNSS終端終端 單頻接收機只能通過單頻接收機只能通過RNSS系統(tǒng)廣播信息中系統(tǒng)廣播信息中提供的電離層修正參數(shù)消除電離層誤差。提供的電離層修正參數(shù)消除

29、電離層誤差。54 Klobuchar模型模型 此模型假定，垂向電離層延時在白天可用本地時的余弦函此模型假定，垂向電離層延時在白天可用本地時的余弦函數(shù)的數(shù)的1/2近似表示，在夜間用一恒定值近似表示。近似表示，在夜間用一恒定值近似表示。554h8h12h16h20h24h天天頂頂時時延延地方地方時時/T根據(jù)GPS的實測數(shù)據(jù)，在中緯度地區(qū)可消除約50%的電離層時延。經(jīng)在全球范圍、對各種衛(wèi)星仰角的統(tǒng)計，1殘留誤差約7m。 對流層大氣密度遠(yuǎn)大于電離層，且大氣狀態(tài)受地對流層大氣密度遠(yuǎn)大于電離層，且大氣狀態(tài)受地面氣候、天氣影響。面氣候、天氣影響。 對于頻率低于對于頻率低于15GHz的電磁波，對流層是非色散的

30、電磁波，對流層是非色散介質(zhì)，對流層時延值與信號頻率無關(guān)。介質(zhì)，對流層時延值與信號頻率無關(guān)。 由于大氣層中的水汽分布在時間和空間上變化很由于大氣層中的水汽分布在時間和空間上變化很大，因而很難準(zhǔn)確預(yù)測，成為限制對流層延遲改大，因而很難準(zhǔn)確預(yù)測，成為限制對流層延遲改正精度的主要因素。對碼相位和載波相位延遲約正精度的主要因素。對碼相位和載波相位延遲約為為225m。 5657 對流層延遲改正模型使用最廣泛的是對流層延遲改正模型使用最廣泛的是Hopfield模模型、型、Saastamoinen模型、模型、Black模型等。映射函數(shù)模型等。映射函數(shù) 常用的是常用的是Niell映射函數(shù)。映射函數(shù)。 在各種模型

31、中，對流層時延與大氣壓力、溫度、在各種模型中，對流層時延與大氣壓力、溫度、水蒸氣壓力、溫度下降速率和水蒸氣下降速率氣水蒸氣壓力、溫度下降速率和水蒸氣下降速率氣象元素有關(guān)。象元素有關(guān)。 殘余約殘余約0.3m。58 對所期望信號經(jīng)反射或散射后的復(fù)制品的接收。對所期望信號經(jīng)反射或散射后的復(fù)制品的接收。 反射路徑總是大于直達路徑。反射路徑總是大于直達路徑。 合成后的信號畸變帶來偽距測量和載波相位測量合成后的信號畸變帶來偽距測量和載波相位測量的誤差。的誤差。直接路徑間接路徑 REL 觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準(zhǔn)的。觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準(zhǔn)的。 一般認(rèn)為，天線的相位中心位置應(yīng)與

32、天線幾何中心一般認(rèn)為，天線的相位中心位置應(yīng)與天線幾何中心位置一致。位置一致。 實際上，天線相位中心的瞬時位置隨信號入射的強實際上，天線相位中心的瞬時位置隨信號入射的強度和方向不同而有變化。度和方向不同而有變化。 影響較小，但對精密定位則不能忽略。影響較小，但對精密定位則不能忽略。59 接收機內(nèi)，一般均設(shè)有高精度的石英鐘，其日頻接收機內(nèi)，一般均設(shè)有高精度的石英鐘，其日頻率穩(wěn)定度為率穩(wěn)定度為10-7。 在單點定位時，將鐘差作為位置參數(shù)，在方程中在單點定位時，將鐘差作為位置參數(shù)，在方程中與觀測站的位置參數(shù)一并求解。與觀測站的位置參數(shù)一并求解。 定位精度要求較高時，可采用外接頻標(biāo)的辦法。定位精度要求較高時，可采用外接頻標(biāo)的辦法。60 熱噪聲顫動和干擾對延遲鎖定環(huán)（熱噪聲顫動和干擾對延遲鎖定環(huán)（DLL）及鎖相）及鎖相環(huán)（環(huán)（PLL）跟蹤的影響。）跟蹤的影響。 此誤差約為信號周期的此誤差約為信號周期的1%量級量級 GPS C/A碼，碼，DL