北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析與評估

陳愷

摘 要：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差還包括衛(wèi)星誤差，以及信號傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生的誤差、用戶接收端的誤差，這些誤差因素造成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在使用的過程中，無法及時完成定位、完成警告，在警報數(shù)值方面存在明顯的誤差，甚至還會因為定位無法使用，導(dǎo)致出現(xiàn)更多故障。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)的各種故障都能夠被測量，最終通過是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運用體現(xiàn)出來，造成使用方面的故障。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星 導(dǎo)航系統(tǒng) 誤差 評估

Error Analysis and Evaluation of Beidou Satellite Navigation System

Chen Kai

Abstract：Beidou satellite navigation system errors include satellite errors， errors generated in the process of signal transmission， and user receiving errors. These error factors cause the satellite navigation system to be unable to complete positioning and complete warnings in time during the process of use. There are obvious errors in numerical values， and even more failures may occur due to unavailability of positioning. Various malfunctions of the satellite navigation system can be measured， and finally reflected through the use of the satellite navigation system， causing malfunctions in use.

Key words：Beidou satellite， navigation system， error， evaluation

航空領(lǐng)域和科研領(lǐng)域內(nèi)，對相關(guān)設(shè)備使用的安全性需求比較高，比如航空領(lǐng)域，航空的安全性和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有直接關(guān)系。為保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運用效果，保證航空安全、用戶飛行安全，研究北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差有很大的必要性，而分析故障來源是比較重要的方向。在文章當(dāng)中，對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析，針對其中的影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析，并且找出原因，可以給相關(guān)行業(yè)的人員提供一定的參考方向。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差分析和誤差計算

北斗衛(wèi)星信號傳輸誤差的影響因素比較多，影響北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度、完整性，誤差的來源大致可以分為衛(wèi)星相關(guān)誤差、傳播過程誤差、接收機(jī)互相關(guān)誤差等。

1.1 衛(wèi)星相關(guān)誤差

衛(wèi)星星歷可以計算衛(wèi)星誤差，根據(jù)具體位置和速度等計算多個要素之間存在的實際偏差，通過衛(wèi)星星歷計算出結(jié)果也被稱為衛(wèi)星星歷誤差[1]。衛(wèi)星地面站通過設(shè)備對每一顆衛(wèi)星的具體位置進(jìn)行綜合評估、計值擬合產(chǎn)生的數(shù)值，最終將這個數(shù)值上行加載給衛(wèi)星，叫做衛(wèi)星廣播星歷。進(jìn)行星歷誤差計算的時候衛(wèi)星位置存在的誤差矢量反射到用戶端，通過表現(xiàn)在測距域表現(xiàn)出來，而產(chǎn)生的誤差能夠?qū)?dǎo)航的精度造成一定影響。國際GPS的IGS分析中心可以獲取精密星歷文件，將精密文件進(jìn)行對比之后求出誤差值，計算具體偏差。計算步驟如下 ：①使用北斗接口控制文件當(dāng)中計算星歷參數(shù)衛(wèi)星軌道的算法，廣播星歷提取出軌道位置參數(shù)之后推算出廣播衛(wèi)星位置。②使用精密星歷提取出對應(yīng)位置的凈賺坐標(biāo)，按照規(guī)范采樣測量，使用拉格朗日插值法計算出精密衛(wèi)星位置、速度矢量，速度矢量可以用來轉(zhuǎn)換坐標(biāo)點。③將運用精密衛(wèi)星位置、廣播衛(wèi)星位置轉(zhuǎn)換成地心慣性坐標(biāo)系來計算機(jī)地心地固坐標(biāo)，再將上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成原點RTN坐標(biāo)系，運用其中R徑向軸、T切向軸、N法向軸等最終計算出徑向切向法上的衛(wèi)星軌道誤差。除了存在衛(wèi)星相關(guān)誤差之外，還有衛(wèi)星鐘差。衛(wèi)星鐘差種類比較多，如鐘差、鐘速、鐘漂產(chǎn)生的誤差和隨機(jī)誤差。北斗系統(tǒng)內(nèi)部存在高精度的原子鐘，在正常工作狀態(tài)下能夠保證北斗導(dǎo)航的精度的，正常處于穩(wěn)定狀態(tài)。星鐘校正參數(shù)和地面基站符合之后注入到衛(wèi)星;但是衛(wèi)星鐘面時間、導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)始終彼此之間差距比較大，因此需要根據(jù)相關(guān)的步驟來計算衛(wèi)星鐘差，從而更好評價衛(wèi)星，保證精度的完整性。計算流程是提取出鐘差參數(shù)之后，按照計算衛(wèi)星相關(guān)誤差的算法計算廣播衛(wèi)星的一次差均值鐘差，之后計算廣播衛(wèi)星鐘差、提取出鐘差值，使用采樣間隔插值。提取精密衛(wèi)星鐘差，兩這鐘差做差得到一次差，減去廣播鐘差，得到衛(wèi)星鐘差值，用T表示[2]。

1.2 傳播誤差

①電離層延遲誤差是由于電離層的區(qū)域內(nèi)不穩(wěn)定所導(dǎo)致的誤差，一般在50～1000km范圍內(nèi)存在這種誤差，這個區(qū)域內(nèi)自然狀態(tài)不穩(wěn)定。電離層內(nèi)含有非常復(fù)雜的帶電電子，信號穿透帶電層之后信息傳輸受到影響，信號的傳輸路徑和傳輸速度也被影響，最終影響定位精度、完整性，這是造成系統(tǒng)誤差的最主要因素。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)關(guān)于是電離層延遲改正相關(guān)的參數(shù)有8個，在研究當(dāng)中，研究電離層延遲改正模型中Klobuchar被人們重視和運用，因此使用該模型來計算。電離層延遲改正報告模型運用8個參數(shù)來進(jìn)行計算，αn、βn（n=0～3），在計算的時候使用8參數(shù)和Klobuchar，計算出B1I信號延遲值：

在上述句式當(dāng)中，t表示接收機(jī)到衛(wèi)星連線和電離層交點的取值，為0～86400，時間（s），tE是測量時刻的 BDT、取秒值。λM是電離層穿吃點地理經(jīng)度。依次分別列出A2、A4，在句式當(dāng)中，φM 是維度位置，是通過衛(wèi)星方位角A、地心張角ψ、用戶地理位置φu所得。

由上述句式得到B1I的信號傳輸路徑延遲數(shù)值ΙB1I，計算出最終的延遲數(shù)值。

②對流延遲

地面到40KM之間就是對流層的范圍，對流層內(nèi)大氣壓比較復(fù)雜，信號傳輸受到對流層內(nèi)的溫度、氣壓和相對濕度的影響，對傳輸信號造成誤差，傳播路徑受到影響，信號傳輸存在問題。比如延遲現(xiàn)象，對流層的延遲有干延遲、濕延遲。干延遲是大氣溫度和壓力因素導(dǎo)致的延遲;濕延遲是大氣濕度和用戶所導(dǎo)致。在具體的計算過程中，可以使用EGNOS來計算，在正常等計算當(dāng)中運用五個氣象參數(shù)值、年平均值、季節(jié)變化平均值來求出最終參數(shù)。

③多路徑誤差

Multipth error是發(fā)射器到接收儀器之間景觀的不同長度路徑的電波，傳播的過程中相互之間形成定位干擾。實際上是GNSS信號傳輸過程被空間反射、折射等，之后進(jìn)入到接收機(jī)內(nèi)，就會產(chǎn)生多路徑誤差現(xiàn)象。為削弱多路徑效應(yīng)，應(yīng)該合理選擇觀測點，確定觀測地點條件良好，避免有遮擋物和反射物體，除此之外還可以抑制多路徑效應(yīng)天線。

1.3 接收機(jī)誤差

GNSS 接收機(jī)本身的誤差有觀測噪聲誤差、接收機(jī)鐘差等，為減少這種誤差的存在，可以延長觀測時間。導(dǎo)航接收機(jī)的核心部分是捕獲導(dǎo)航信號、跟蹤導(dǎo)航信號，接收機(jī)通過對導(dǎo)航信號的跟蹤，進(jìn)行行星地間的偽距測量，偽距測量的精度和接收機(jī)偽碼跟蹤環(huán)路的設(shè)計有密切的關(guān)系，偽碼跟蹤環(huán)路的選擇、環(huán)路濾波器帶寬程度決定了接收機(jī)的跟蹤性能，因此也就決定了接收機(jī)的偽距長度。導(dǎo)航接收機(jī)偽碼跟蹤環(huán)路的結(jié)構(gòu)一般有兩種方式，延遲鎖定環(huán)節(jié)、交替相關(guān)鎖定環(huán)回路兩種，兩者之間的區(qū)別在于前者和跟蹤信號的同時相關(guān)，后者交替相關(guān)。偽碼跟蹤環(huán)通常有幾種鑒相器，例舉兩種：

由于噪聲的影響，接收機(jī)偽碼跟蹤跟蹤環(huán)路在工作過程中會發(fā)生抖動，抖動程度表征了用戶接收機(jī)的偽距測量精度。

1.4 用戶等效測距誤差

用UERE來表示，URE是星歷誤差和衛(wèi)星鐘差的結(jié)合，UEE是用戶設(shè)備誤差，能夠綜合反應(yīng)控制段和空間段對導(dǎo)航信息精度的影響，側(cè)面體現(xiàn)了基本衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計性能。SIS URE是指利用預(yù)報星歷測得衛(wèi)星的位置和鐘差，但是只是預(yù)測值，和實際測量值之間有測距。預(yù)報星歷和鐘差的精度也就反應(yīng)了衛(wèi)星導(dǎo)航的精度，衛(wèi)星位置和鐘差的實際值是指預(yù)測到的任何時刻的真實位置。但是從實際需求出發(fā)，實際值無法獲取。但是在面對需求的時候，可以研究或者是使用精度更高的方式來測量，得到更高精度的衛(wèi)星位置和鐘差參數(shù)值。在實際測量的過程中由于不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座的組成存在差異性，很難進(jìn)行測量。而且目前國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行實現(xiàn)這種測量。

2 誤差結(jié)果分析

在誤差結(jié)果數(shù)據(jù)分析當(dāng)中，所有參數(shù)來源于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，于是采集了某年9月23日到29日6天內(nèi)的測量數(shù)據(jù)，使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣播星歷、以及Propak6接收機(jī)的原始觀測參數(shù)，將數(shù)據(jù)用來計算的主要誤差、UERE。數(shù)據(jù)在采取的過程中，采樣的間隔時間60s，分析測量參數(shù)，分析各項誤差平均值等。①在分析之后得出廣播星歷誤差對北斗定位的精度、完整度有很大影響;②在傳播過程中，選取出合適的高度截止角度5，來計算一天之內(nèi)的誤差數(shù)值。從計算結(jié)果當(dāng)中得出，兩者之間的誤差在2.426m 和3.701m之間[3]。因此經(jīng)過實際的計算結(jié)果知道電離層和對流層的延遲、定位精度等的完好性有一定的影響。③通過計算用戶等效測距誤差UERE，得到用戶等效測距誤差的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

3 結(jié)語

在文章當(dāng)中，選擇機(jī)場周圍的地理環(huán)境來分析導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差。運用真實地評估模型方式分析誤差源、誤差，將其放置在機(jī)場周圍，采集機(jī)場的周圍接收機(jī)接收到的北斗導(dǎo)航原始數(shù)據(jù)，分析誤差、鐘差等等。當(dāng)前北斗衛(wèi)星并沒有實現(xiàn)全球覆蓋，因此研究北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差源可以為航空系統(tǒng)的的精確運用提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]翟顯，劉瑞華，王劍，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析與評估[J].現(xiàn)代導(dǎo)航， 2018，009（001）：10-15，17.

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[3]朱少林，岳東杰，陳健，等.北斗系統(tǒng)星源偽距偏差特性分析及改正[J].測繪通報， 2019，000（003）：11-15，26.