【GNSS测试技术（一）】GNSS基础原理介绍

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1、GNSS概述

        GNSS（全球卫星导航系统）是一种基于卫星信号的定位技术，通过使用分布在地球轨道上的卫星，为用户提供全球范围内的定位、导航和授时服务。目前有如下GNSS定位系统：

2、GNSS系统组成

        卫星导航系统的主要组成部分包括：空间段、控制段和用户段。

空间段：由卫星或航天器 (SV) 组成，用于传输包含卫星轨道、位置、传输时间的导航电文。控制段：指地面监测站和主控中心，用于跟踪卫星信号、收集伪距测量数据和大气层模型数据、提供导航信息更新、大气信息和校正信息以及进行卫星控制。用户段：是指 GNSS接收机。

3、GNSS定位原理

        卫星导航系统GNSS接收机通过三边测量法来计算自身位置。它使用导航电文中的传输时间和位置数据，测量卫星信号的时延，并由此计算接收机与卫星的距离(伪距)。首先，距离某颗卫星特定距离(伪距)的GNSS接收机所有的可能位置构成了一个球面。两个球面的交集是一个圆环。三个球面的交集则是两个点。最后需要第四个数据来确定接收机的正确位置。第四个数据可以是地球表面，也就是说，如果接收机位于地球表面，则位于地球表面上的点就是接收机的正确位置。对于更普遍的解决方案，则需要第四颗卫星的伪距，来进行定位。同时通过对四颗卫星进行测量，不仅可以确定接收机的位置信息，即经度、纬度和高度，还可以校正接收机的时钟误差，确定正确时间。

卫星导航系统GNSS卫星信号的传输功率很低。在地球表面，功率电平大约为-155至-160dBW(-125至-130dBm)。在复杂的城市环境，特别是存在遮挡的时候，信号功率还会更低。GNSS接收机通过低噪声放大器和信号处理，来恢复GNSS信号。 

4、GNSS误差来源

        GNSS系统的误差来源可以分为4类：与信号传播有关的误差、与卫星有关的误差、与接收机有关的误差以及与地球转动有关的误差，如下表：

GNSS系统误差
误差来源		对测距的影响（米）
与信号传播有关的误差	电离层延迟误差	1.5-15
	对流层延迟误差
	多路径效应误差
与卫星有关的误差	卫星星历误差	1.5-15
	卫星时钟误差
	卫星轨道误差
	相对论效应
与接收机有关的误差	接收机时钟误差	1.5-5
	天线相位中心误差
与地球转动有关的误差	地球潮汐的影响	1
	地球自转的影响

4.1、电离层延迟误差

        电离层是处于地球上空50~1000km 高度的大气层。该大气层中的中性分子受太阳辐 射的影响发生电离，产生大量的正离子与电子。在电离层中，电磁波的传输速率与电子密度有关。因此直接将真空中电磁波的传播速度乘以信号的传播时间得到的距离，很大可能与 卫星至接收机间的真实几何距离不相等，这两种距离上的偏差叫电离层延迟误差。

        电离层 延迟误差是影响卫星定位的主要误差源之一，它引起的距离误差较大，一般在白天可以达到 15m 的误差，在夜晚则可以达到3m 的误差；并且在天顶方向引起的误差最大可达50m，水 平方向引起的误差最大可达150m。

        针对电离层延迟误差的改进措施通常包括利用双频观测、利用电离层模型辅以修正和利用同步观测值求差。

4.2、对流层延迟误差

        对流层是地球大气层的低层，位于地面上方约10公里至50公里的高度范围内。对流层中存在气象变化、温度梯度和湿度变化等现象，这些因素会对GNSS信号的传播产生影响。对流层误差主要表现为信号传播速度的变化和折射效应，这会引起定位误差。对流层误差通常在地面观测（如基站观测）中更为显著，尤其在较长的测量路径上更容易受到影响。

4.3、多路径效应误差

        接收机接收信号时，如果接收机周围物体所反射的信号也进入天线，并且与来自卫星的信号通过不同路径传播且于不同时间到达接收端，反射信号和来自卫星的直达信号相互叠 加干扰，使原本的信号失真或者产生错误，造成衰落。这种由于多径信号传播所引起的 衰落被称作多径效应，也称多路径效应。

        多径效应误差是卫星导航系统中一种主要的误差源，可造成卫星定位精确度的损害，严重时还将引起信号的失锁。改进措施通常包括将接收机天线安置在远离强发射面的环境、选择抗多径天线、适当延长观测时间、降低周期性影响、 改进接收机的电路设计、改进抗多径信号处理和自适应抵消技术。

4.4、卫星星历误差

        由星历所给出的卫星位置与卫星实际位置之差称为卫星星历误差。卫星星历误差主要 由钟差、频偏、频漂等产生。针对卫星在运动中受到的多种摄动力的综合影响，对于目前的 技术来说，要求地面监测站实现准确、可靠地测出这些作用力，并掌握其作用规律是比较困 难的，因此卫星星历误差的估计和处理尤为关键。

        改进措施通常包括忽略轨道误差、通过轨 道改进法处理观测数据、采用精密星历和同步观测值求差。

4.5、相对论效应

        根据相对论的理论，由于卫星的高速运动使得卫星钟的频率比静止在地球上的同类钟的频率有所增加。

4.6、卫星时钟误差

        卫星钟的精确度会受到多种因素的影响，例如温度变化、电子器件的老化等，这些因素可能导致卫星钟与地面时钟之间存在微小的差异，进而引入定位误差。 

4.7、卫星轨道误差

        卫星在轨道上运动时，可能会受到地球的引力、月球的引力、太阳的引力以及其他天体的引力扰动。这些扰动会导致卫星轨道的微小变化，从而影响定位精度。

4.8、接收机时钟误差

        接收器本身的硬件设计和性能也可能引入定位误差，例如时钟不准确、信号采样率低等。

4.9、天线相位中心误差

        由于天线设计或安装不精确，天线接收到的信号可能与天线的几何中心不完全对齐，导致定位误差。

4.10、地球潮汐的影响

        由于地球固体潮和负荷潮引起测站位移，使得不同时间的测量结果互不一致。

4.11、地球自转的影响

        由于地球的自转的影响引起卫星坐标的变化。

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