1、全球导航卫星系统(GNSS)原理与应用Global Navigation Satellite SystemPrinciples and Applications,第07章 单机GPS性能 单机测量误差 位置、速度与时间估计 可用性、完好性和连续性 单机测量性能,全球导航卫星系统(GNSS)原理与应用Global Navigation Satellite SystemPrinciples and Applications,第07章 单机GPS性能 单机测量误差 位置、速度与时间估计 可用性、完好性和连续性 单机测量性能,单机测量精度,单机测量精度取决于+ 伪距和载波相位测量值+ 导航电文的广播质
2、量 伪距实际精度+ 用户等效距离误差(UERE)* 与卫星关联的各误差源影响的和,单机测量精度,单机GPS的位置与时间精度+ 表示为几何因子与伪距误差因子的积+ 几何精度因子(DOP) 表示卫星-用户的相对几何布局对GPS误差的综合影响+ 假设伪距误差因子为卫星的UERE,卫星-用户几何布局对测量的影响图示,较好布局 较差布局,单机测量误差,卫星与接收机的时钟偏差+ 转变为伪距和载波相位误差+ 码分量穿过大气层时会产生延迟，导致其伪距大于在真空中传输的伪距。+ 载波分量经过电离层产生延迟，实际因电离层发散现象而产生超前。,单机测量误差,码分量导致的总时间偏差(dtD)+ 大气层延迟：dtatm
3、+ 接收机噪声与干扰误差：dtno,in+ 多路径误差：dtmp + 硬件偏差：dthw,距离测量的时间关系图示,真实信号的伪距测量,单机测量误差来源,卫星时钟误差 星历误差 相对论效应 大气层效应 接收机噪声与分辨率 多路径与遮挡效应 硬件偏差 伪距误差预算,单机测量误差来源图示,卫星时钟误差,卫星时钟误差+ 导航电文的时钟校正参数限定卫星时与系统时之间的偏差最大1ms(300Km等效误差)。,星历误差,星历误差+ 星历最佳估计值由控制段(CS)上传至卫星，与其它导航电文参数一起广播给用户。+ 星历校正值是由上传时刻控制段(CS)对卫星位置的最佳估计值拟合而成的。+ 卫星位置残差是矢量，典型
4、值(16)m；星历误差导致的伪距和载波相位误差0.8m(1s)。 星历误差导致的伪距和载波相位误差由卫星位置误差投影到卫星-接收机视线(LOS)计算。,星历误差图示,相对论效应,相对论效应 + 狭义相对论校正：* 卫星与接收机在各向同性光速坐标系移动；+ 广义相对论校正：* 卫星与接收机处于不同重力势。+ 卫星时钟受狭义和广义相对论影响，发射前频率由10.23MHz调整为10.229,999,995,43MHz。,相对论效应,用户校正卫星轨道轻微偏心度的相对论周期效应，最大误差70ns(21m误差)。 信号传输期间地球自转在地心地固系(ECEF)中计算卫星位置导入Sagnac效应，最大误差30
5、m。 信号受到地球重力场造成的空间与时间曲率影响，误差0.001ppm18.7mm。,Sagnac效应图示,大气层效应,介质折射率+ 表示介质中电波速度；+ 定义为电波真空速度与介质速度之比； 色散介质+ 电波传播速度是电波频率的函数+ 信号载频相位速度(相速)不同于携带信号信息的电波关联速度(群速) 非色散介质+ 电波传播与频率无关,大气层效应,电离层发散+ 电离层是色散介质， + 相速超出群速，+ 即信号信息延迟而载波相位超前。 对流层延迟+ 对流层是非色散介质，+ 相速和群速同等延迟。,接收机的噪声与分辨率,延迟锁定环(DLL)的伪距误差源+ 热噪声颤动+ 干扰 C/A码带宽比P(Y)码
6、小，C/A码接收机噪声与分辨率的综合误差要比P(Y)码大。 接收机噪声与分辨率误差会影响锁相环(PLL)的载波相位测量+ C/A码，1.2mm(1s)+ P(Y)码，1.6mm(1s),多路径与遮挡效应,多路径效应是接收机的最主要误差之一。 多路径误差取决于+ 接收机的环境+ 卫星仰角+ 接收机信号处理+ 天线增益场形+ 信号特性 C/A码接收机测量，良好环境的典型多路径误差水平：伪距，20cm(1s)；载波相位，2cm (1s),硬件偏置误差,空间段偏差+ 信号传输中各信号的数字和模拟路径不同+ 各载频与载频间的信号不完全同步+ 单频用户使用导航电文校正L1-L2时序偏移 + C/A码用户校
7、正L1载频C/A-P(Y)码偏差,硬件偏置误差,用户段偏差+ 信号存在延迟，从射频接收到实现伪距和载波相位测量；+ 各频率信号间的硬件偏差与各载频信号间的硬件偏差的幅值较大；+ 硬件多路径* 因接收机射频元件间的阻抗不匹配引起反射导致的误差。,伪距测量误差预算,全球导航卫星系统(GNSS)原理与应用Global Navigation Satellite SystemPrinciples and Applications,第07章 单机GPS性能 单机测量误差 位置、速度与时间估计 可用性、完好性和连续性 单机测量性能,位置、速度与时间的估计,位置，速度与时间(PVT)的估计+ 最小加权二乘法(
8、WLS)+ 附加估计参数+ 卡尔曼滤波(Kalman) 考虑因素+ 卫星几何布局和精度因子(DOP)+ 精度度量+ 最小加权二乘法(WLS)+ 附加状态变量+ 卡尔曼(Kalman)滤波,全球导航卫星系统(GNSS)原理与应用Global Navigation Satellite SystemPrinciples and Applications,第07章 单机GPS性能 单机测量误差 位置、速度与时间估计 可用性、完好性和连续性 单机测量性能,GNSS可用性,可用性+ 导航系统的服务可以使用时间的百分比+ 指定覆盖区域内可以使用的导航服务能力的标志+ 与环境物理特性与发射机设备的技术能力相关
9、+ 某些应用需满足附加条件(完好性)才视为可用的。 考察可用性，确定可视卫星和几何布局+ 利用标称24颗卫星星座时预测GPS可用性+ 考察卫星中断对GPS可用性的影响,GNSS完好性,完好性+ 系统不能使用及时向用户发出警告的能力+ 对系统信息正确性的置信度测量+ 系统无法预定操作向用户及时有效告警的能力 完好性异常的来源+ 系统以及相应段分配的空间信号(SIS)畸变 提高完好性+ 自主完好检测(RAIM)和故障检测与排除(FDE)+ 星基增强系统(SBAS)和地基增强系统(GBAS),GNSS连续性,连续性+ 系统在运行阶段持续时间维持规定性能的概率，前提是系统在运行开始是可用的。+ 系统提供的连续性级别随着针对任何给定应用的所规定的性能要求不同而不同。+ 计划外中断包括一个(多个)卫星子系统发生故障导致其无法提供服务。 很多应用关心的是计划外停工事件，预定维护通常会提前通知，并作出计划安排。,全球导航卫星系统(GNSS)原理与应用Global Navigation Satellite SystemPrinciples and Applications,第07章 单机GPS性能 单机测量误差 位置、速度与时间估计 可用性、完好性和连续性 单机测量性能,
