空间环境误差在卫星导航定位中的影响

郭小娟 纪元法

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

空间环境误差在卫星导航定位中的影响

郭小娟 纪元法

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

针对单频GPS接收机受空间环境误差影响较大的特点，系统地分析了空间环境误差特性在GPS导航中造成的定位误差。详细介绍了空间环境误差的两个典型的误差模型，即Klobuchar模型和Hopfield模型。并通过卫星信号模拟器进行实验，在不考虑空间环境误差模型和考虑空间环境误差模型后得到的数据进行分析，结果表明了考虑空间环境误差模型后，导航定位精度在有很大的提高，从而也验证了空间环境模型在实际应用上是可行的。

电离层模型；对流层模型；导航定位项目安全；质量管理

（一）引言

近年来，卫星导航定位系统在各个领域发挥了越来越重大的作用，尤其在现代战争中发挥着主导作用。卫星导航信号模拟器可以模拟产生各种动态环境下接收机所接收到的导航卫星信号，为接收机的调试和测试提供仿真信号源；也可用于系统级仿真试验，对我国建立和发展自主的卫星导航系统有着非常重要的现实意义。

利用GPS进行测量，接收机收到的卫星信号受到多种误差源的影响，造成定位误差。这些误差源包括卫星时钟误差、星历误差、相对论效应、地球自转影响、电波折射误差、多路径误差、接收机噪声和通道偏差等。其中，接收机测量噪声和通道偏差大小与接收机的设计方法有关，属于内部误差。其它误差源受外界因素影响，与接收机无关，相对于接收机而言属于外部误差。为保证仿真效果，GPS卫星信号模拟器输出信号必须含有外部误差的影响，需要对这些误差源进行仿真。而在这些外部误差影响中最大的是空间环境误差模型，而空间环境误差模型是计算电离层延迟和对流层延迟的。在本文中主要介绍这两种误差模型对GPS卫星信号模拟器的定位影响。

（二）空间环境模型

空间环境模型主要包括基于真实电离层延迟模型计算信号接收时刻的电离层延迟和基于真实对流层延迟模型计算信号接收时刻的对流层延迟。其中电离层延迟是导航定位中一项非常重要的误差源，是影响GPS定位精度的关键因素之一。如何建立精确的电离层延迟误差模型，真实地反映目标受电离层影响的程度是卫星信号模拟器要解决的难题。对流层延迟属于公共误差，理论上基准站的用户可以全部消除，但当流动站与基准站的高差超过6000m时，如果不对存在的伪距残余误差进行修正，由对流层延迟引起的高程偏差可达5m。由此可知对流层延迟也是影响卫星导航定位中重要的误差源之一。

1.电离层误差模型

GPS信号从卫星到接收机的传播路径上要穿过电离层，因此他们将受到电离层的影响。研究表明，当卫星观测截至高度角大于150时，电离层折射引起的信号路径弯曲对GPS定位的影响将大大地被削弱，甚至可以被完全忽略。这样电离层折射对GPS信号的影响主要体现在由信号传播速度的变化而导致的信号传播时间的延迟上，特别是，2000年5月美国政府宣布取消了SA政策以后，电离层延迟被认为是影响GPS定位精度的最大误差源，将严重削弱卫星导航定位精度和准确度。

目前解决电离层延迟误差的方法一般有：双频改正法、差分GPS定位法、半和改正法和电离层模型法。对于双频用户来说，通常可以利用电离层延迟效应与信号频率的平方反比关系，采用双频或多频组合的方式有效地消除导航定位中电离层的影响。而对于单频实时导航定位用户而言，采用有效的电离层延迟模型可以很好的削弱该误差源的影响，由于电离层本身的不稳定，加上目前对其物理特性的了解还有一定的模糊性，还只能采用精度有限的经验模型对其进行描述，常见的两种电离层经验模型有现行的GPS系统导航电文中的电离层模型即Klobuchar模型和全球参考电离层模型即IRI模型。

由于GPS卫星信号模拟器是单频率的，在本文中采用的是电离层延迟模型是经验模型即Klobuchar模型。因此采用Klobuchar模型利用导航电文参数进行单频电离层折射修正。计算电离层改正的步骤如下（此处电离层特征点的高度为hI=350km，所用的角度单位为半周角（180°），时间单位为秒）。

计算倾斜因子：

式中 分别为用户相对目标的仰角。电离层引起的L1频率的时延误差：

可得电离层引起得测距误差为：

对高度低于60km的目标，单频GPS接收机根据Klobuchar模型，利用导航电文发布的8个电离层参数计算电离层延迟误差Δion，该模型修正精度能达到60%左右。卫星信号模拟器同样借助Klobuchar模型产生电离层延迟误差，但是如果模拟器直接采用电文中的8个参数计算电离层延迟误差，则接收机估算的电离层误差Δion和模拟器加入的误差Δρ'ion完全相等，电离层影响全部消除，接收机的定位结果不再包含电离层影响，这就不能反映实际定位情况。因此，模拟器要适当调整Klobuchar模型系数，使得在目标运动区域内，有：

据目标和卫星的位置、测量时刻，模拟器仿真产生GPS信号时，根据Klobuchar模型计算应加入的电离层延时误差由于该模型修正精度约为60%左右，即因此需对模型参数作适当调整。将（2.7）式直流项由5.0ns变为8.3ns，再改变幅度系数i，其余参数和计算公式完全借用上节用户电离层误差修正公式，模拟器产生的电离层误差则为：

式中2.对流层误差模型

对流层误差模型也是影响定位精度的关键因素之一。当卫星信号经过对流层时，载波、扩频码和导航电文都相对自由空间被同等地延迟了。这种延迟随对流层折射率而变，而其折射率取决于当地的温度、压力和相对湿度。对流层延迟主要影响基线测量两点间的高差精度，高差愈大其影响也愈大。如果修正公式和参数模型不适宜时，每1m高差可能产生1mm的误差，因此如何削弱对流层影响显得尤为重要。

为了估算对流层延迟，人们提出多种大气模型方法，可分为三类：一类是经验气象模型法，一类是参数估计法，还有一类是外部订正法。但是一般都是按照经验气象模型法来估算的，常见的估算方法分为两种：Saastamoinen模型和Hopfield模型。在该文中信号模拟器采用霍普菲尔德(Hopfield)模型来模拟对流层误差。

对流层延迟一般泛指非电离大气对电磁波的折射，非电离大气包括对流层和平流层，由于折射的大部分发生在对流层，所以称为对流层折射。从地面向上到40km为对流层，对流层是非色散介质，当GPS L1和L2信号穿过对流层时，与信号传播相关联的相速和群速相对于自由空间传播而言被同等延迟了。这种延迟随对流层折射率变化，而折射率大小取决于当地的温度、压力和相对湿度。如不修正，对流层在天顶方向的延迟约为2.4m，仰角5°时，延迟可达25m左右。折射率可表示为干分量和湿分量之和。干分量是由干燥空气引起的，占对流层延迟误差的90%左右，并且可以非常准确地预测。湿分量是由水蒸气引起的，在大气中分布具有不确定性，较难预测。两种分量延伸到对流层的不同高度，干分量延伸到40km高度，湿分量延伸到10km左右高度。

对流层误差的计算采用霍普费尔德的模型机，GPS接收机为了简化计算，通常采用以下公式修正：

式（2.23）就是模拟器使用的对流层延迟误差计算公式。目前，利用模型进行修正，在地面附近用户可以修正90%～95%的对流层误差，在高空如机载用户这一比例会降低。由于干分量较易预测而湿分量不易预测，故可取系数使用户修正后的残差保持5%～10%之间。

（三）GPS卫星信号模拟器与商用接收机的闭环测试

在本实验中，用的是商用型的Jubiter高动态接收机。在验证过程中，分为两种不同的情况分别进行实验：在卫星信号模拟器的软件界面中设置信号仿真的起始时间、载体的起始位置、载体的动态模型的相同设置条件下，分别加入空间环境误差模型和不加入空间环境误差模型来对观测后的数据进行用matlab仿真分析。观察载体的定位结果。

要验证GPS卫星信号模拟器的工作情况，需要相应的GPS接收机[4]的配合。目前系统整机已经正常工作，FPGA输出的数字中频信号，经DA芯片转换为模拟信号，再经射频模块变换到射频发射出来的卫星信号，接收机已经可以正常定位，观察运动载体的定位结果。以下是一个GPS卫星信号模拟器实时产生12颗星的卫星信号的实例，星历采用2009年6月7号的广播星历，可以模拟比较近的日期的卫星信号。

实验条件：模拟静止状态下的GPS卫星信号，由jubiter接收机进行定位，统计定位精度。用matlab软件进行数据处理对加了空间环境模型和不加空间环境模型后的误差结果进行分析。

图1 纬度-40

图2 经度-116

图3 高度-50

实验结果分析：由以上三个图可以看出，我们自主研发的卫星信号模拟器在模拟一个半实物时，在加了电离层误差模型、对流层误差模型和不加了电离层误差模型和对流层误差模型的比较结果显示，纬度和经度上变化并不大，基本上没有什么改变，这是属于正常情况的。但是在加了电离层误差模型和对流层误差模型后，高度却提升了10米左右，在定位精度要求极度高的时候，在高度上能够有如此好的改变效果，足以说明此模拟器的性能是很不错的，从而也在实验中验证了空间环境模型算法在实际应用中是可行的。

（四）结论

本文研究表明，在GPS卫星信号模拟器实验中，电离层延迟和对流层延迟对GPS导航定位的结果影响是很大的，在不加空间环境模型的情况下和不加空间环境模型的情况下进行实验的结果区别是非常大的，精度的变化很大。由此可见在一定程度上消除了电离层延迟和对流层延迟对GPS卫星导航定位的影响。从而也验证了空间环境模型在实际应用中的可行性和正确性。

[1] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].电子工业出版社, 2009.

[2] 何海波.高精度GPS动态测量及质量控制[D].郑州:解放军信息工程大学,2002.

[3] 姜瑞健,黄智刚.导航信号模拟器上位机软件设计与实现[J].遥测遥控,2008(11).

[4] 边少峰,李文魁.卫星导航系统概论[M].北京:电子工业出版社,2005(2).

[5] 赵军祥.高动态智能GPS卫星信号模拟器数学模型研究[D].北京航空航天大学,2003.

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1008-1151(2010)04-0019-02

2010-01-07

郭小娟（1984－），女，湖北武穴人，桂林电子科技大学硕士研究生，研究方向为卫星信号导航。