GNSS误差源及差分定位

GNSS误差源：

（一）卫星星历误差

由星历信息所得出的卫星位置坐标与实际位置坐标的偏差就是星历误差。星历信息是由  GPS 地面部分测量计算后传入空间部分的。由于卫星在运动中要受到各种摄动力的作用,  而地面部分又很难精确测量这些作用力,因此所提供的星历数据会有一定的偏差。解决这种误差主要有两种方式:一是改用精密星历,二是进行相对定位。

（二）卫星钟差

卫星钟差主要包括由钟差、频偏、频漂等因素造成的偏差,也包含了随机误差,一般可  用下述二阶多项式来表示:  2 01 2  ( )( )  s oe oe  dt = a + a t - t + a t - t 式中 toe 为一参考历元;a0 为该时刻的钟差;a1 为 toe 时刻的频偏;a1 为 toe 时刻的频漂。  这些数值由 GPS 的地面部分解算出来,并编入到导航电文发送给广大用户使用。经过式(2-40)  的修正后,同步误差不高于 20ns。

（三）接收机钟差

接收机一般采用石英钟,其不仅具有较大的钟差值,且变化迅速,其变化规律更是难以  掌握,采用高次多项式也难以对其进行准确的拟合和预测。因此在定位过程中,通常将接收  机钟差当做用户三维坐标外的第四个未知量来处理,通过求解伪距方程组来获取。此外也可  以使用差分定位的方式来消除其对定位的影响。

（四）电离层延迟

电离层指的是大气层中位于地表上空 50~1000km 范围内的部分。其中的气体分子由于  受到来自宇宙的多种射线影响,从而发生剧烈的电离现象。当 GPS 信号穿过这部分大气时,  不仅传播路径会产生偏折,速度也会改变。所以基于时间测量的伪距与卫星至用户之间的几  何距离存在较大偏差,即电离层延迟。基于模型或差分定位进行修正

（五）对流层延迟

对流层延迟指的是 GPS 卫星信号在穿过距地面 0~50km 范围内的大气层时所发生的延  迟。GPS 信号在穿过该部分大气时,其路径也会出现偏折,从而使伪距和载波相位观测出  现一定的偏差。由于 80%以上的延迟产生在对流层部分,因此不再将该部分大气层进一步  划分为对流层和平流层,而是把它们造成的延迟通称为对流层延迟。基于模型或差分定位进行修正

（六）多路径效应

在定位导航过程中,被附近建筑所反射或衍射的 GPS 信号如果被用户收到,就会和直  接来自卫星的信号发生叠加,从而使伪距和载波相位出现较大的偏差,产生“多径效应”。  在城市环境中,由于建筑众多,导致可用 GPS 卫星数少,多径效应严重,因此将此类环境  称为城市多径环境。在这类环境下,GPS 信号的接收类型分为 LOS、NLOS、Multipath 三种。多径抑制技术

伪距单点定位：

差分定位：

卫星差分定位系统由导航卫星、基准站、以及 用户移动站构成，如图 1 所示[6]。导航卫星可以采 用 GPS 卫星、北斗卫星、GLONASS 卫星，或者同 时采用多卫星系统。基准站一般选择搭建在位置坐 标已知并且视野开阔的位置，降低信号多径效应对 测量的影响。基准站接收机进行定位解算，并将差分等修正量信息广播给附近的用户接收机，辅助用 户接收机进行高精度的导航定位。

（1）位置差分

基准站接收机根据伪距观测量与星历等信息 计算自身位置坐标，并与基准站已知位置坐标作差， 将得到的位置修正量发送给用户接收机。用户接收 机用接收到的修正量校正自身的定位信息，从而得 到精确度较高的自身位置坐标。

设基准站精准位置坐标为 (, ,) xb bb y z ， (, ,) x  b bb y z 为基准站利用导航卫星所得到的定位坐 标，此时位置差分的修正量为：

将此修正量发送给用户接收机，用户接收机对 自身的位置坐标进行修正，便可以得到精确的自身 位置坐标。

（2）伪距差分

基准站接收机根据已知的自身位置坐标与卫 星位置坐标求得与卫星真实几何距离 r，并计算其 与伪距观测量的误差Δρ。将此误差发送给用户接 收机，用户接收机通过此误差修正自身的伪距观测 量，利用修正后的伪距进行定位解算，从而得到较 为精准的自身坐标。 设基准站接收到的第 i 颗卫星的伪距观测量为：

式中， rp p (,) b s 为基准站与卫星的真实几何距离， 该距离可由基准站的已知位置 pb 与通过星历计算 出的卫星位置 ps 求出。基准站播发的伪距修正量为 伪距观测量与真实几何距离的差，可以表示为：

伪距差分在一定程度上避免了位置差分所需要满足的苛刻要求，同时具有差分精度高等优点。 伪距差分中误差来源分析如下： 将上式带入用户接收机的伪距观测量中， 可得：

其中，卫星钟差的残差、卫星星历误差的残差、 电离层对流层误差的残差，相比于单站接收机，这些残差的方差都会大大减小；卫星钟差的残差会在 定位解算中进行估计并消除；由于移动站与基准站 所处位置不同，因此多径效应引起的误差残差的方差会增大；同时基准站与移动站所采用接收机不同， 接收机的系统误差的残差方差也会增大。

（3）载波相位差分

对载波相位的测量可以达到非常高的精度，因 此基于载波相位的差分定位技术相比于伪距差分 具有更高的精度。

因载波相位差分与伪距差分技术原理相同，这里直接给出经载波相位差分修正后的用户接 收机载波相位观测量：