（检测技术与自动化装置专业论文）导航定位中高分辨率的时间处理技术的研究.pdf

摘要 在导航定位中，精密的时频信号处理技术是影响导航定位精度的关键性因素 之一。本文是根据我国导航系统发展的需要，由国内某航天研究院提出，展开对 导航定位中高精度的时间频率信号处理技术的研究。 本文首先介绍了一种高精度区域导航定位技术，在阐述原理的基础上建立了 相应数学表达模型。同时，分析了影响高精度导航定位的各种误差源，对各种误 差源从产生的机理上做了详细的研究，并结合国内外的导航技术发展，给出了相 应的校正模型。接着根据我国正在建设的二代导航系统，本文详细研究了导航定 位中时间产生的新机理，其中分析研究了双频信号的特点，并基于我们的研究理 论设计了相应的实验，验证了该理论的可行性。最后本文进行了将精密的时空检 测用于高精度的导航定位的原理性的改进中的研究，这里主要包括基于时空关系 的测量途径的研究和在精密定位变化量检测中的超高分辨率相位测量技术的研 究，分别给出了相应的理论研究和实验结果，并分析了影响精度的各种因素，提 出了相应的解决方案。 关键字：双频信号时频信号相位测量 高分辨率 a b s t r a c t p r e c i s et i m ea n df r e q u e n c ys i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti n t h en a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n gs y s t e m t h ep a p e ri st om e e tt h en e e do fd e v e l o p m e n to f n a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n gs y s t e m ，w h i c hi sb r o u g h tf o r w a r db ya r e s e a r c hi n s t i t u t e ，t o c o n d u c ta ni n d e p t hr e s e a r c ha b o u th i g hp r e c i s i o no ft i m ea n df r e q u e n c ys i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nt h en a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n gs y s t e r n a h i 曲p r e c i s i o np o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yw h i c hi su s e di nr e g i o n a ln a v i g a t i o ni s i n t r o d u c e di nt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r b a s e do nt h et h e o r e t i c a l ，m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n sa r ca l s oi n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e t h ep a p e ra n a l y z e sa l lk i n d so fe r r o r s s o u r c ei np o s i t i o n i n gf r o mt h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m ，a n dg i v e st h er e v i s i o nm o d e lt o t h ee r r o r sa b o v e ，w h i c hi sb a s e do i lt h ed e v e l o p m e n to ft h ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g ya t h o m ea n da b r o a d a n dt h e n ，t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ft i m ew h i c hi si nt h e n a v i g a t i o ni si n t r o d u c e db a s e do nt h es e c o n dg e n e r a t i o ns a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m t h e p a p e ra n a l y z e st h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ed u a l f r e q u e n c ys i g n a l ，a n dd e s i g n sa n e x p e r i m e n tt ov e i l 如t h ef e a s i b i l i t yo ft h et h e o r y i nt h ee n d ，p r e c i s em e a s u r e m e n to f t i m e - s p a c er e l a t i o n s h i pw h i c hi s u s e di nh i g h p r e c i s i o np o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d i nt h i sp a r t ，t h ep a p e rm a i n l yg i v e st h er e s e a r c ha b o u tt h em e a s u r e m e n t m e t h o do ft i m e s p a c er e l a t i o n s h i pa n du l t r a h i g hr e s o l u t i o nm e a s u r e m e n to ft h ep h a s e t h et h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s u l t sa r el i s t e da b o u tt h et w o b e s i d e s ，t h ep 即e l a n a l y z e s t h ef a c t o r so ft h ei m p a c to fa c c u r a c y , a n dg i v e st h es o l u t i o n s k e y w o r d s ：d u a l f r e q u e n c ys i g n a l t i m ea n df r e q u e n c yp h a s em e a s u r e m e n t h i g hr e s o l u t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：上噬 日期： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 同期：羞 第一章绪论 第一章绪论 导航是引导航行的意思，也就是引导舰船、飞机等运载体按照预定的要求进 行航行的过程。卫星导航则是利用人造地球卫星来进行导航。利用人造卫星不仅 可以实现全球性的或区域性的高精度导航，而且还可以综合用于通信、授时、搜 救、交通管制、气象服务等等，所以在军事和民用方面得到了广泛的应用。 1 1 全球导航卫星系统的简介( g n s s ) 当前世界上的导航卫星系统主要有：美国的g p s 、俄国的g l o n a s s 、我国 的北斗导航系统及欧盟正在设计的g a l i l e o 系统。1 9 7 8 年2 月2 2 日第一颗g p s 试验卫星的入轨运行，开创了以导航卫星为动态己知点的空基无线电导航定位新 时代。1 9 9 4 年，g p s 系统全面建成，不仅导致无线电导航一场深刻的技术革命， 而且为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海 洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量新技术。导航卫星的应用前 景得到世界的普遍承认和关注，各国不仅在g p s 的应用研究与g p s 信息资源开发 中倾注了巨大的人力和物力，而且不少国家和地区亦在积极研制自己的导航卫星 系统。前苏联于1 9 9 5 年建成了g l o n a s s 系统，我国于2 0 0 0 年基本建成了“北 斗导航卫星系统”，欧盟和欧洲空间局正在联合研制“g a l i l e o 导航卫星定位系 统”。此外，许多国家和地区的不同部门和组织建立了各自的g p s 外部增强系统， 典型的有：欧洲的e g n o s 系统，美国的w a a s 系统，以及美国航天部门的g d g p s 全球差分系统等。可以预见，未来将是一个多系统融合的全球导航卫星系统( g n s s ) 时代。 然而，目前的g p s 系统、g l o n a s s 系统以及我国的北斗导航卫星系统均不 同程度地存在缺陷。g p s 是第一个全球性、全天候、全天时、高精度导航定位和 时间传递系统。空间部分由2 4 颗卫星组成( 目前实际有2 8 颗卫星在轨运行) ，卫星 高度2 0 1 8 2 千米，位于6 个倾角为5 5 度的轨道平面内，周期近1 2 小时。卫星用2 个l 波段频率发射单向测距信号，区别不同卫星采用码分多址。g p s 系统是目前 系统最完善、应用最广泛的全球导航定位系统。但是g p s 系统由美国军方控制， 由于系统设计和政策等原因，对于民间用户和他国军方用户的安全性无法保障， 其评价一个导航卫星定位系统的四项指标：可用性、精度、完好性、连续性也均 不是最优，甚至系统本身无法提供给用户可用性和完好性信息。g p s 系统的这些 缺陷己经成为g p s 进一步扩展应用领域的障碍，也成为竞争者建设其它导航卫星 2 导航定位中高分辨率时间处理技术的研究 定位系统的重要理由。在保护军方利益的前提下，为了让g p s 系统能够发挥更大 的效益，继续保持在市场上的领导优势，美国提出了g p s 系统现代化计划。俄罗 斯计划用2 0 年时间发射7 6 颗g l o n a s s 卫星，1 9 9 5 年完成2 4 颗中高度圆轨道卫 星加i 颗备用卫星组网，耗资3 0 多亿美元，由俄罗斯国防部控制。g l o n a s s 空 间部分也由2 4 颗卫星组成，卫星高度1 9 1 3 0 千米，位于3 个倾角为“8 度的轨道 平面内。系统工作基于单向伪码测距原理，不过它对各个卫星采用频分多址，其 码速率是g p s 的一半。g l o n a s s 未达到g p s 的导航精度。它的主要好处是没有 加s a 干扰，民用精度优于加s a 的g p s ( 美国已经于2 0 0 0 年5 月1 日停止s a 政 策) 。其应用普及情况则远不及g p s ，g l o n a s s 卫星平均在轨道上的寿命较短， 后期增长为5 年。前一时期由于经济困难无力补网，原来在轨卫星陆续退役，目 前在轨卫星较少，不能独立组网，只能与g p s 联合使用，其计划改进型卫星 g l o n a s s m 平均寿命7 年，民用频率将从1 个增加到2 个，正在对外寻求合作 以弥补经费不足。北斗导航卫星系统是全天候、全天时提供导航卫星信息的区域 性导航系统。该系统由2 颗( 另有一颗备份星) 经度上相距6 0 度的地球静止卫星 ( g e o ) 对用户双向测距，由1 个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分 布于全国的参考标校站和大量用户机。它的定位原理是：以2 颗卫星的己知坐标 为圆心，以测定本星至用户机的距离为半径，形成2 个球面，用户机必然位于这2 个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球 表面高度为半径的非均匀球面，求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。 它将导航定位，双向数据通信和精密授时结合在一起，系统自身包含广域差分标 校以提高定位精度。当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户知 道自己的测定位置，而且其调度指挥或其它有关单位也可得知用户所在位置。北 斗导航系统在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务频段，上行为l 频 段( 频率1 6 1 0 - 1 6 2 6 5 m h z ) ，下行为s 频段( 频率2 4 8 3 5 - 2 5 0 0 m h z ) ；登记的卫星 位置为赤道面东经8 0 度、1 4 0 度和1 l o 5 度( 备份星星位) 。北斗导航系统需要中心 站提供数字高程数据和用户机发上行信号，从而使系统用户容量、导航定位维数、 隐蔽性等方面受到限制，在体制上不能与国际上的g p s 、g l o n a s s 及将来的 g a l i l e o 系统兼容。因此，中国现在正在在第一代导航卫星系统成就的基础上发 展第二代导航卫星系统，以满足今后国家对导航卫星应用和长远经济发展的需求。 1 2 时间和频率的发展 时间是一个基本的物理量，它的单位是秒( s ) 。在单位时间内周期运动重复的 次数称为频率，它的单位是赫兹( h z ) 。在s i 中秒是基本单位，赫兹是导出单位。 时间的量纲和频率的量纲是倒数关系。 第一章绪论 历史上都是通过天文观测和计算的方法获得准确的秒。随着科技的进步，时 间单位秒的确定也经过了世界时、历书时和原子时的过程。 根据地球自转所形成的昼夜变化，通过天文观测可以定出的太阳r 被称为视 太阳日。将每太阳日均分为8 6 ，4 0 0 等分，可以得到时间单位秒。但从全年来看， 这个时间单位值仍然是变化的。因为随着季节的变化，每个视太阳日的长短也有 所变化。其中最长和最短的视太阳日之差会达到5 1 秒。为了得到全年一致的时间 单位值，把全年长短不等的视太阳日加以平均，得到一个平太阳日。再将平太阳 日分为8 6 ，4 0 0 等分，每一份便是时闻单位秒。 世界时u t 秒定义为：1 秒等于平太阳日的8 6 ，4 0 0 分之一。只有时间单位和 计时系统( o n 钟) 还不能完全决定时间，即只能得到时间间隔，而不能得到时刻。也 就是说，还需要一个起点。为了统一全世界的时间，经1 8 8 4 年国际子午线会议决 定，以通过英国格林威治天文台的经线作为计算全球经度的起点( o o ) ，每隔1 5 0 定 一条标准经线，在其两侧各7 0 3 0 的地区( 时区) 内均采用标准经线处的地方时，称 为该时区的标准时( 或区时) 。这样，全球一共分成2 4 个时区。相邻时区的标准时 相差l 小时。世界各地的标准时，都归算到零时区的标准时( 格林威治平太阳时) ， 称为世界时。时刻的起点为1 8 5 8 年1 1 月1 7 日零时。 由于科学技术的发展，尤其是稳定、准确的石英晶体振荡器和石英钟的出现 并用于守时，发现了地球的自转是不均匀的，在不同的年度得到的世界时秒长并 不一致，其精度只达到1 0 左右。 t 9 6 0 年第十一届国际计量大会决定采纳基于地球公转周期的历书时e t 秒定 义：“秒为1 9 0 0 年1 月0 日历书时1 2 时起算的回归年的1 3 1 5 5 6 9 2 5 9 7 4 7 。历书 时虽然在理论上是一种均匀时标，但是观测比较困难，而且需要长年累月地进行。 利用对太阳和月亮的综合观测三年的资料才能得到1 0 1 9 的精度l lj 。 随着量子理论和电子学的发展，人们认识道，原子或分子只处于一定的量子 能级。当它从一个能级跃迁到另一个能级时，将辐射或吸收一定频率的电磁波。 这种电磁波的频率稳定性相当高，远远超过世界时和历书时所依据的天文标准， 若用其来定义秒，可以使秒的精度大大提高。 1 9 6 7 年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义：“秒是与铯一1 3 3 原子基 态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9 ，1 9 2 ，6 3 1 ，7 7 0 个周期的持续时间”。 原子时a t 的时刻起点为1 9 5 8 年1 月1 日零时。 目前，铯原子钟的精度已经达到1 0 1 5 量级。也就是数百万年不差一秒。国际 原子时t a i 的稳定性是由分布于世界各地的、隶属于十多个国家的数十家实验室 的原子钟定期比对来保证的。这些原子钟的比对是通过罗兰一c 系统、电视与g p s 系统进行的。比对的不确定度根据比对方法的不同而不同，但都小于0 2 芦。 国际原子时从1 9 7 5 年开始发播，作为统一全世界时标的基础。原子频标的建 4 导航定位中高分辨率时问处理技术的研究 立使人们摆脱了以地球自转为基础的世界时，获得了高度准确的时间频率。但是 这对于那些与地球自转角位置密切相关的、适应于不均匀的世界时的工作，比如 船舶定位、大地测量等来说，则有些不便。也就是出现了准确的时间间隔和不均 匀的时刻之间的矛盾。为了解决这个问题，提出了以“闰秒 作为协调的办法。 当世界时由于地球自转速度的变化而与国际原子时不一致时，则在适当的时刻增 加一秒( 闰秒) 或减少一秒( 负闰秒) ，使两者的时刻基本一致。这就是协调世界时。 协调世界时的秒长与原子时一致，而时刻则是利用闰秒协调来与世界时一致( 两者 的时差控制在士0 9 5 秒以内) 。这就可以满足各方面的需要了。协调世界时的起点是 1 9 6 0 年1 月l 同世界时零时。从1 9 7 2 年起，世界各国的标准频率和时号发播台都 正式播发协调世界时。1 9 7 4 年国际上确定把协调世界时作为国际的法定时间。截 止1 9 8 3 年6 月底，协调世界时已比国际原子时落后了2 1 秒。实施闰秒的具体时 间，一般是在当年的6 月3 0 日或1 2 月3 1 日的最后一分钟，由国际时间局综合世 界各国天文台的观测结果来确定，并提前两个月发出公告，全球统一行动，要求 时间同步到1 毫秒以内，频率同步到l 1 0 - 1 0 以内。 1 3 本文的研究背景和意义 美国、俄罗斯在导航领域起步早，如今其全球卫星导航系统g p s 和g l o n a s s 已经在成功应用予不同领域。特别是美国的g p s ，由于具有全球覆盖、全天候、 高精度、实时连续定位等优良特性，以及用户设备价格低、操作使用方便等优点。 由于我国的第一代主动式卫星导航系统仅适用于中国整个大陆，以及一部分 沿海区域的应用，而且存在用户容量有限、无冗余测距信息、隐蔽性差以及不适 于高动态用户等方面的不足，而我国正在积极筹建第二代卫星导航系统目前仍有 很多技术难题未解决。导航系统在一个国家国防安全中起着不可忽视的作用，因 此解决我国导航中存在的关键技术问题是十分必要的。本文就是基于此提出了一 种新导航定位技术，并且在我国正在建设的二代导航基础上分析研究了与精密导 航定位密切相关的时频信号的处理、测量方法以及更精密的时间信号的产生方法。 1 4 内容概要 本文对新观点的理论验证和实验证明，以及与原有技术的比较都有详细的论 述。 第一章，从导航和时间的概念出发，介绍了卫星导航系统的一些相关知识， 并总结了高精度时间同步在诸多领域的广泛应用和国内外的发展现状，揭示了研 究的必要性和意义。 第一章绪论 5 第二章对区域高精度多共视导航定位技术作了概述。主要阐述多共视导航定 位技术的基本原理及数学表达式。 第三章对导航定位中的误差源做了深入的分析，并结合目前的导航技术发展 现状给出了相应的校正模型。 第四章对导航定位中时间产生的新的机理进行了研究。主要给出了双频信号 的特点，并基于我们的研究理论给出了相应的实验。 第五章将精密的时空检测用于导航定位的原理性的改进中。主要包含了基于 时空关系的测量途径研究、在精密定位变化量检测中的超高分辨率测量技术研究 两个方面的内容，其中包括了基本原理，实验方案及相应的实验结果。 第二章多共视导航定位技术7 第二章多共视导航定位技术 为了大大提高导航定位的精度，本文提出把中介源法扩展到g p s 导航应用技 术中。也就是探讨设立地面校准台( 不同于一般的差分g p s ) ，用地面校准台以及其 准确的位置信息对用户进行导航测量。而卫星的资源包括星载钟、卫星位置等只 是起了中介源的作用。最后的导航精度仅仅取决于系统的中间误差和地面校准台 的资源精度。用这样的方法可以起到特殊的高精度的作用，在原理上类似于卫星 授时的共视法，但是要求地面校准台具有更强的功能和多用户服务的能力。将这 种测量方法称之为多共视导航定位技术。 基于多共视导航定位技术的方法可以把定位精度提高到厘米量级。这方面原 来可以借鉴的技术是卫星授时中的共视法。由参考和参考标准双方同时接收来自 卫星的时间信号，把自己的标准和卫星的信号比对并且和参考标准与卫星的信号 比对结果通过一起处理消除卫星的信号和传输通道中的误差，获得更高的精度。 这种方法的时间比对精度可以达到l n s ，比起单向法的i o n s 精度至少提高了一个 数量级。它们对应的长度空间量分别为3 0 厘米和3 米。 但是基于地面参考标准台的共视法在为导航定位服务的情况下要把时间的服 务目的转换成为三维以上的空间测量的目的，需要的共视的卫星就要多一些，需 要处理的信息也要多得多。而且地面的几个方面对应的用户和参考标准与卫星应 该在基本稳定的区域。好在针对台海对象，区域有一定的限制，上面的要求可以 被满足。普通的利用卫星共视的方法，地面上的双方只要求知道卫星传送下来的 l p p s 的信号。在和自己比对后互换数据就可以解算出用户方的时刻值。而在这种 精密导航、定位目的的情况下，获得最高精度的中介源处理手段采用了高性能的 用户频率源。这样，在以其他方式事先完成地面参考标准台和用户台之间的同步 后，可以在卫星本身的误差被大大抵消的情况下高精度的得到卫星和地面参考标 准台以及用户台之间的距离差值。其精度直接和两个时钟同步精度相关。在对参 考标准台和用户台之间可以用双向法进行预先的同步。 地面参考标准台应该是满足多用户应用的。而且它也必须和地面的通讯设施 结合在一起。它也可以被看作是一个中心系统。应该是向大量的用户开放的系统。 台站本身必须有很强的高速处理能力。它同时对多颗卫星的下传信号进行比对， 获得带有卫星和地面参考标准台信息的数据。这些信息含有相应的位置以及时间 等。如果说卫星相应的位置以及时间信息中有不确定的因素，但是在最后对目标 的位置计算时可以把这些不确定的因素有效的抵消掉。所有的需要被导航定位服 务的对象除了接收卫星的传送信号之外，还应该通过其他的地面通讯设施接受来 导航定位中南分辨率时间处理技术的研究 自地面参考标准台处理后的数据或者接收地面参考标准台的实时参数而由自己计 算出位置等结果。 2 1 多共视导航定位技术的基本数学原理 多共视导航定位技术地面参考标准台与用户进行时间比对的实质是两个地面 站同时观测同一卫星的信号，分别测量卫星信号到达地面参考标准台与用户整秒 时刻的时间差，将测量的两个时问差相减，即为地面参考标准台与用户的钟差， 在最后定位的处理结果中将钟差处理掉，同时将各自传播路径的误差加入到处理 结果中，可得到高精度的比对时间，达到高精度的导航定位。 设地面参考标准台为a 地点的钟时间为t 。，用户为b 的钟时间为t 一，卫星的 时间为t 日，多共视导航定位技术解算地面参考标准台与用户钟差的原理框图如图 2 1 所示。 a 、b 两地钟差的测量原理( 没考虑对时延误差修正) 如下：两地的卫星时间接 收机在同一个共视时间表作用下，在同一时刻接收同一颗卫星信号，接收机输出 代表卫星时间的秒脉冲，送至接收机内置的时间间隔计数器，与本地原子钟输出 的秒脉冲比较，得到本地时刻f 一与t s 差f s 。同时，在b 地得到b 与t 口的差垃嚣。 b 地的数据可通过通信网传到a 地的计算机中，然后两式相减可得两台原子钟之 间的时间差。 a t a s = t 一t s( 2 一1 ) f 嚣2t 口一t s ( 2 - 2 ) f 彳s 一f 嬲= t 一t s t 口+ t s = 乙一t 雪= a t 一矗 ( 2 3 ) 若在某一时刻测得t a b ( f ，) ，经过一段时间f ，即t ，+ f 时刻测的t a b ( + f ) ， 则用下式可求出两台钟在f 时间内平均相对频率偏差： 丛善：些堕划( 2 - 4 ) l t 第二章多共视导航定位技术9 a 她 b 缝 图2 1 多共视导航定位技术的基本原理图 以上阐明多共视导航定位技术地面参考标准台与用户的同步原理时，为清楚 起见，略去了信号传播路径和接收机时延的影响。事实上，它们应含于& 。和址b 。 中，因此要推得钟差t 口- t ，除需知道差值f ，s 一垃船外，还要求知道卫星信号到 达甲乙两站的传播时延的差值。 多共视导航定位技术要求在同步的地面站之间进行预同步并在事后交换数 据；但这种方法也不同于双向法，它不要求地面站向卫星发送信号，因此可以不 用卫星地面站，只要一个价格比较低廉的接收机。在使用多共视导航定位技术时， 要得到最好的结果，两地面站之间的距离应在2 0 0 0 k m 之内。 2 2 用双向法进行参考标准台与用户的预先同步 利用双向法进行地面参考标准台与用户之间的预先同步的原理图如图2 2 所 示。设参考标准台a 主钟的定时信号与它接收到来自用户b 的定时信号的时差为 互，用户的定时信号与它收到来自参考标准台的定时信号的时差为疋，( f i ，) ， ( ，乃) 分别为a ，b 两站的发射设备和接收设备时延，a 、b 两站定时信号的时 差为垃( 参考标准台的钟的读数减去用户钟的读数) ，a 、b 两站到卫星( 或由卫星返 回) 的传播时延分别为( f 。，q ) 和( f ：，g 2 ) ，卫星转发器的时延为，则有： 互= a t + 0 2 + r 2 ) + r o + f l + ( 2 5 ) 瓦= 一垃+ ( + f i ) + + r 2 + 吒 ( 2 6 ) l o 导航定位中离分辨率时问处理技术的研究 ，参考台a f 用户b 图2 2 参考标准台与用户进行预先同步的原理图 设对同一地面站，由发射天线到卫星及由卫星到接收天线的信号传播时延相 同，既有= 。，f ：= f ：，则可推得： 五一互= 2 a t + ( f 2 一t 1 ) + ( 吒一，2 ) ( 2 - 7 ) 出：生量+ l 量+ 王兰( 2 - 8 ) 。 222 式中，互，互和( t 。- t ：) ，( - r 2 ) 都是可测量的。( f 。- t ：) ，( r j r 2 ) 是参考标 准台a 与用户b 所用发射设备和接收设备的时延差，可以预先测定；z ，瓦由甲 乙两站交换数据得到。由此，依照式( 2 8 ) 可求得甲乙两站所用的钟差& 。再由钟 差的累积值可导出相对频率。即参考标准台与用户主钟的相对钟速率。 参考标准台与用户通过卫星对发各自的时间信号，同时接收卫星转发的对方 的信号。通过交换数据，可以计量出传播路径的时间延迟，而不需要知道卫星或 地面站的确切位置。但是两个地面站和卫星上的发送和接收设备的时间延迟必须 进行修正。这是限制双向法的定时准确度的主要因素。目前定时准确度已达到亚 纳秒量级。 2 3 小结 本章提出了多共视导航定位技术的基本原理及数学模型，并给出了用双向法 进行参考标准台与用户的预先同步的基本算法及数学公式。 第三章导航定位中误差源的分析与处理方法 第三章导航定位中误差源的分析与处理方法 在进行导航定位时，必须考虑传播路径的误差。卫星信号传送过程中受到外 界条件、仪器设备等各方面误差的影响，观测值将含有误差。在定位中，影响定 位精度的主要误差来源于以下三个方面： 1 ) 空间卫星的误差。主要是卫星星历误差、卫星钟差和卫星设备延迟误差等。 2 ) 信号传播误差。主要有电离层折射误差、对流层折射误差和多路径效应误 差等。 3 ) 接收机误差。主要有观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差等。 其中，对流层折射、电离层折射和多路经效应主要与电磁波传播有关；相对 论效应、卫星和接收机钟差主要是与频率有关。上述误差还可以按误差性质可分 为系统误差与偶然误差两大类。偶然误差主要包括人为的偶然因素造成的误差， 其中包括信号的多路经效应引起的误差和观测误差等。系统误差是导航定位的主 要误差源，包括接收机钟差、以及大气折射误差等。 在高精度导航定位中，首先必须解决影响定位精度的各种因素，从而可以通 过准确的定位的信息，来实现钟差的修正。在这些误差源中，有些可以精确改正， 有些可以用一定方法消除或减弱，有些则必须用参数模拟。不过，一般来说，消 除这些误差的方法主要有两种：在观测模型中增设误差参数和根据误差特性建立 误差模型。因此，下面将重点讨论上述几种误差，分析、研究其影响的规律，探 讨其消除的方法及模型，简要地给出各种误差的改正模型及公式。 3 1 电离层 电离层是指在存在大量自由电子的5 0 - - 2 0 0 0 k m 大气层区域，其内部分子处于 电离状态，含有大量的自由电子和离子，对电波传播有显著的影响，这种影响主 要集中在离地面6 0 - - 1 0 0 0 k m ，特别是3 5 0 k m 附近的区域。电离层为色散介质，既 可反射低频无线电信号，也可使穿越于其区域的高频无线电波传播的方向、速度、 相位、振幅及偏振状态等发生显著变化。 在太阳辐射( 主要是紫外线和x 射线) 的光致电离和太阳( 主要是电子和质子， 即太阳风) 或其它星体( 如恒星) 高能粒子的碰撞电离作用下，中性的高空大气将形 成由电子、正离子、中性分子及原子等组成的等离子体，即电离层。电子浓度是 与电波传播紧密相关的主要电离层参数，随空问和时间而变化。所谓电子浓度是 指单位体积内所包含自由电子个数。由于不同高空区域的气体成分种类与密度不 1 2导航定位中高分辨率时问处理技术的研究 同，而且使它们发生电离的太阳辐射谱线或频段也不相同，电离层随高度分布不 均匀：从6 0 k m 向上，电子浓度先是随高度增加而增大，到某高度时达极大值，然 后又随高度增加而减少。描述电离层对无线电波影响的主要特征量是电离层总电 子含量t e c t o t a le l e c t r o nc o n t e n t 】，即电离层单位面积柱体内所含电子数，又称“积 分电子含量 ，其值一般为1 0 1 6 - 1 0 1 7 个电子m 2 。电离层总电子含量的昼夜变化 是对称的，且在地方时间的中午时刻达到最小。根据片普曼层计算的电子密度封 面图所估计的垂直电子密度分布的大致情况是：6 0 8 0 0 ( 6 0 1 0 0 0 ，6 0 - 1 5 0 0 ) k m 的电 离层区域的分布着9 1 6 ( 9 6 9 ，9 9 7 ) 的电子数。 3 1 1 电离层介质特性介绍 地球大气基本上可以分为水平分层结构。对于电离层，由于电子生成率的不 同，在一定高度以下，电子数密度的分布不可能是按重力扩散平衡的，可以形成 几个区。这可以从电离层测高仪的频高图上清楚地反映出来。电离层的分层状况 以及各层电子密度峰值大小随时间( 日、季节和太阳周等) 、地理位置( 极区、极光 带、中纬度以及赤道) 和太阳活动( 太阳耀斑等) 的变化非常大【2 l 。 首先，从大尺度的角度看，电离层通常按照电子密度峰值高度分为四个区域： d 区、e 区、f 区和顶部以上。如图3 1 所示，在空间上呈现出电子密度随高度分 层变化的特征：在时间上含有电子密度昼夜变化的信息。可见，白天有太阳辐射 时，电离层各层高度上的电子数密度，可以比夜晚大一到三个数量级，e 区及其以 下变化尤为明显，表明电离层中的物理过程随高度变化很大。这种变化通过表3 1 也能得到说明。 一1 ：j ? ：一。二： 图3 1i r i 算出的中纬度地区( 4 渊) 典裂的白天和夜晚电离层电子密度剖面 不同区域对无线电系统的影响也不同。d 区电子和离子的频繁碰撞导致电波 第三章导航定位中误差源的分析j 处理方法 能量转移，在白天对无线电波的吸收起主要作用。e 区白天反射频率为几兆赫的无 线电波，夜间无太阳辐射，电子密度会降低一到两个数量级。f 区及项部对电波的 反射起主要作用，地面的短波通信和雷达系统主要靠其反射实现。特别在夜晚， 经常有由不稳定性产生的电子密度不规则体结构影响电波传播。f 区的状态是通信 系统设计和运行最关心的问题之一。电离层是一个复杂的非线性动力学系统，其 中存在各种光化学、动力学、电动力学等物理过程和化学反应，因而除了规则的 太阳周、年、月和日变化外，还存在各种异常现象，比如f 区赤道异常。太阳扰 动会产生相应的电离层效应，太阳耀斑爆发会导致电离层突然骚扰( s r o ) 和电离层 暴等。 表3 1 电离层的分布状况 区域名称 d 区e 区f l 区f 2 区 2 0 0 区域范围( t a n ) 6 0 9 09 0 1 5 01 5 0 2 0 0 5 0 0 电子密度值高 7 01 l o1 8 0 2 0 03 0 0 度( k m ) 电子密度峰值 1 0 9 1 0 2 11 0 9 l o l o l l 1 0 ( 电子m 3 ) 1 0 1 2 中性分子密度 4 x ( 1 0 9 - - - 1 0 2 1 )7 x ( 1 0 1 6 1 0 1 98 5 x ( 1 0 1 5 1 0 1 6 - 。 2 x ( 1 0 ( 电子m 3 )1 0 1 2 ) n 2 、0 2 、 大气成分n 2 、o 、0 2 o 、n 2 、0 2 ， 少量n o x 射线、黎曼射 电离原因线光离，宇宙射线 x 射线及紫 厶= 2 0 0 8 0 0 a 的紫外 外线的光电离 碰撞电离线光电离 电子密度白 f l 区间夜间消失，常出现丁 基本特点夜间消失夏天；f 2 区电子密度白天大， 天大，夜间小 夜间小，冬季大，夏季小 矿卅一i 磊磊毫习。 卜，z 一塑f 一；! 堑：堡5 + y zc 。s z 口r。 2 ( 1 一x 一歹z ) i4 ( 1 一x 一，z ) 2i 缈： x = 妥 。y ：千丝会= 千迥b 国 z ：三 ( 3 2 ) 国 其中：国p 为等离子体频率；b o 为地磁场强度；e 为电子电量；, 1 电子质量：札 1 4导航定位中高分辨率时间处理技术的研究 睫 p 3 ， 第三章导航定位中误差源的分析j 处理方法 i ， 图3 2 电磁波传播分析采用的局部参考坐标系 为了描述电离层对星一地链路电波传播影响，人们引入电离层总电子含量 ( t e c ) ，它是一个非常重要的参量： t e c = i n e g 协( 3 - 7 ) 式中积分沿传播路径s 进行，t e c 单位：t e c = i 1 0 1 6 e l m 2 。由于电子密度的、 时空变化，导致其路径积分值t e c 也随着变化。电离层t e c 具有相对规律的日、 季节和太阳周期变化，并且强烈地依赖于地理位置和太阳、地磁活动状态，垂直 路径t e c 的变化值为1 0 1 6 - - 1 0 1 8 电子m 2 。发生电离层暴、亚暴、电离层干扰等扰 等电离层事件时，电离层t e c 突然增长( s i t e c ) 。全球g p s 监测网得到的电离层 t e c 分布图如图3 3 所示，t e c 分布的时空变化显而易见。g p s 为测量t e c 提供 了很好的条件，国内研究者也利用其进行了大量观测研究。 为了描述电离层介质特性，人们建立了很多电离层模式。国际参考电离层模 型( i r i ) 是最为重要的模式之一，与其它模式的比较i r i 显示较好的结果， r i 的版 本定期更新。国际理论物理研究中，i 二, ( i c t p ) 的a r p l 实验室建立的三维全球电离层 电子密度模式n e q u i c k 是一个快速运算模式，已经作为欧空局g a l i l e o 系统电离层 修j 下模式，其修正基于国际i g s 业务网实现。n e q u i c k 已被i t u 采纳作为一个t e c 模式建议，c o y s s o n 等将几种经验模式与观测数据比较研究表明n e q u i c k 具有相 当好的性能。此外，还有全球同化电离层模式( g a i m ) 等。 导航定位中高分辨辜时目* 4 技术的研究 盘器，萨。1 。m r kr i o ” 匪 圈3 3 全球g p s 电离层监测网所得t e c 分布目 312 电离层不规则体及其衷征方法 除了上述的背景电离层外，电离层中存在各种尺度的电子密度不规则体结构， 导致电离层t e c 的时空变化，见图3 3 和卫星信号发生闪烁如图3 4 。电离层不 规则体具有宽广的尺度谱其产生机理弓电子密度梯度不稳定性、大电场引起的 双流不稳定性及中性大气重力波等相联系，并与太阳及地磁活动等有一定关系。 电离层不规则体主要集中于e 层和f 层大尺度不规则体主要表现为e s 层和扩展 f 等结构。 电离层不规则体的观测、形态与形成机理的研究一直是电离层研究中最活跃 的领域之一。研究表明，在赤道和高纬产生的电离层不规m 4 体可能起困于几种相 应的不稳定性之- - ( r a y l e i 曲t a y l o r 、梯度漂移、e x b 、电流迁移、通量管互换等) 再加上电子沉降和剪切机制。在赤道区域，大尺度结构或赤道扩展f 的主要产生 机理是r a y l e i g h t a y l o r 不稳定性；而在高纬，认为电子密度不规则体主要由梯度 漂移f 或e 百1 不稳定性产生。在高纬地区，极光刚烁表现得比赤道闪烁更不规则 可能发生在地方时白天或夜间的任何时刻，增强的地磁活动会带来更强的闪烁。 极咒由来自太阳风的高能电子产生，它们在极区有时可以突破地磁场的屏障从 而电离原子导致电子密度的增加。因为极光效应是由太阳风和地球磁场与太阳磁 场的耦合产生的，这些效应发生的频度和严重程度依赖于太阳活动。在它们对于 穿透电离层的传播效应中，赤道f 区不规则体效应使得高纬区的效应相形见细。 通过对不稳定性机制进行理论上的探究和雷达后向散射、火箭和卫星的就地测量， 表明夜间赤道不规则体在日落后由不稳定性的底部发生，属于r a y l e i g h - t a y l o r 型。 电子密度耗空的电离层泡起于f 2 层峰值以上区域，在电离层洞边缘的陡峭梯度有 助于形成较小尺度的不规则体它们会产生很强的闪烁。 o m ri!-t2-d 第三章导航定位中误差源的分析! j 处理方法1 7 w i d d x u d 聊九l 柚2 r 啊_ 研l w 硼脯 a 钾一- m i 算利嘲 一。一一一： - 一一一一 甜k 、一一 j 一 一一r v 驯hi ： 引5 0l s 期4 1 矗 1 _ 韩舢- 一霸- 哪 c 赫蚺_ 确i l c r ，_ l 抽- 一 _ _ - - 囊l 图3 41 9 7 6 年5 月5 日在a l a s k a 的p o k e r f l a t 接收宽带卫星v h f 信号的电离层闪烁 不规则体可导致信号的极化起伏，它归因于小尺度不规则体的闪烁( 此尺度与 f r e s n e l 半径尺度有关系) ，观测和研究结果发现它在频率高于3 0 0 m h z 的时候可以 忽略，甚至当严重的振幅闪烁存在时亦可如此。对于星载无线电系统的测距、成 像等性能的提高在相当大的程度上依赖于所使用频段范围内电离层的平稳性，电 离层不规则体的时空特性与相应的相位和振幅闪烁最终相关。如果信号带宽内不 同频率的闪烁之间表现为统计不相关，则为频率选择信道。当所用带宽超过电离 层信道的相干带宽时会出现频率选择闪烁，宽带系统更易发生。 电离层闪烁的地理分布如图3 4 所示，闪烁的严重程度在图中用交叉的斜线表 示。振幅闪烁强度可以用信号强度的归一化方差衡量，它反映衰落的深度，而相 位闪烁用相位的方差描述。从全球来看，绝大多数电离不规则体制地磁赤道北河 南2 0 度的地理区域与纬度高于5 5 - - - 6 0 度之上的极区。赤道闪烁大约发生在地方 时2 0 ：0 0 - 0 2 ：0 0 之间，通常可能在v h f u h f 频段发生饱和的r a y l e i g h 振幅衰 落，偶尔在l 波段也可发生饱和和闪烁。赤道附近闪烁比中纬和高纬的闪烁强， 引起闪烁的不规则体主要位于高度2 0 0 - 1 0 0 0 k m 的f 层内，高纬和赤道不规则体 的主要扰动区域在2 5 0 - 4 0 0 k m 之间。有时位于9 0 - 1 0 0 k m 范围内的e 层不规则 体液会产生闪烁，特别是e s 和极光e 层。现在普遍认为当空间波数大于“冻结 尺度时，谱表现为k 4 形式，当尺度大小在“冻结 尺度到外尺度之间，谱为k - 2 3 和k - 2 7 之间。外尺度变化范围为1 0 - 、1 0 0 k m ，而“冻结”尺度变化范围为1 5 0 - - 1 0 0 0 m 。一种观点认为电离层不规则体结构是一个厚层，