【航天甲子年50讲】 24 导航卫星误差分析



文:晟宇(视频讲解)

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前言


最近随着很多真真假假的新闻,导航这个事有点小火热。假的新闻能那么火说明基本知识科普的工作任务还很重啊。晟宇正好在讲导航卫星,有种要蹭上热点的感觉啊~


导航定位系统的最关键的性能就是它的定位能力,理想的世界里面我们只要知道卫星的准确位置就可以推算出地面点也就是用户的位置。


你要觉得世界会这么简单那肯定就错了。现实过程中有一箩筐的问题使得真实情况离我们的预期远远的。在利用导航卫星进行定位的过程中要面对各个环节上产生的误差源,使得我们要达到高精度的定位要面对非常多的挑战。



捣乱鬼有哪些?(误差源)


要知道定位有多难就要知道到底有多少因素在捣乱,才能知道面对的问题有多大,各个攻破才能获得预期的定位精度。


简单的说来误差主要产生在三个层面,从时间上来看就是起点上的误差-卫星本身产生的误差;导航信息传播路上走偏走慢了产生的误差-路径误差;最后就是接受者的误差。



这些误差叠加在一起使得要获得高精度的定位需要突破一个个难关。这次分享我们就具体地看看到底每一个地方都具体有哪些误差。这些误差又是怎么在影响定位的精度。



作为测量的基准,卫星自己得搞清楚自己的位置和时间哦


还记得我们之前说到的前提吗?就是卫星要有一个准确的位置,这是开始用卫星做导航定位的基础。


而实际在卫星这个层面还存在这样一些问题。


首先是卫星并不能准确的知道自己在哪里,这就造成了卫星星历的误差。这个误差的影响很大,因为这是起始的地方,等于开头就算错了。所以我们就要想办法尽量将卫星的轨道测量的准确。而做到这一点就需要我们在地面有更多的测控站点,更好的测控设备,才能获得更准确的卫星轨道测量。


接下来就是对表的问题了,时间精度。我们知道导航卫星上面都装有时间精度非常高的原子钟,可是信号以光速传播,这个精度到达地面后造成的误差也不小,所以需要通过一些校正的手段来解决,同时要研制时间精度更高的星上时钟。







另外在美国的GPS系统里面还有一个SA(Selective Availability)误差,这个误差是GPS主动添加的误差,使得星历的精度下降来让一般人使用时无法获得很高的精度,这也是我们需要发展自己的定位系统的原因之一。


最后由于卫星都是高度运动,所以由相对论造成的误差也不能完全忽视。


绕路了,走错了,走乱了--路径误差


导航卫星的导航信号要从距离地球几万公里的轨道上传输到地面,而在这个路上首先有大气层,大气层不同的地方密度不同。就好象我们看水里的东西会变形一样。导航信号和光线一样也是电磁波,就会受到大气的影响。到了地面还要受到地形地貌,地面建筑的影响等等。







首先是会受到电离层的影响,电离层虽然稀薄一样会使得导航信号产生折射发生传播方向的偏离,同时也会影响到传播的速度。使用不同频率的信号,或者通过电离层的模型可以对这个误差进行校正,从而将它的影响降低。




穿过了电离层就来到了更加稠密的底层大气,对流层。对流层的情况更加复杂,随着天气的变化都会对导航信号带来不同的影响。所以对对流层的校正需要更加动态的模型。






到达地面后如果不是开阔的场地,导航信号遇到了高山峭壁,楼房,树木都会发生反射,这就造成了我们使用的GPS接收终端会前前后后的受到同一段的导航信号造成解算的偏差。不过随着接收端技术的提高,如今这一误差导致的影响已经很低了。



表没对准,没看准


最后导航信息被接收机收到了,在接收机这个地方也有一些造成误差的因素。首先是接收机的时钟误差,表没对准。不过这个可以和比较准的观测者处理后降低。另外就是和天线等有关的位置的误差。



误差影响有多大


原始的误差量级还是很惊人,如果没有校正和优化的手段,地面的误差有可能到几百米。经多针对每种误差的校正和利用双频等手段后,如今可以获得的定位精度已经很高了。


但是由于很多过程的是动态变化的,接收机所处的环境也是不同的,所以具体到每一个接收机不同环境不同时刻计算出来的精度都是不同的。



下一次我们最后一次了导航系统,就是讲讲我们国家正在建设的北斗系统和它的发展历程吧。


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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我www.zaih.com图标