GEOIGSO星座条件下多径效应对双频定位误差的影响分析.doc

Analysis of the multipath effect impact on dual-frequency position error in GEO and IGSO satellite geometryGEO/IGSO星座条件下多径效应对双频定位误差的影响分析Abstract: User position error is affected by various factors in satellite navigation system, such as troposphere error, ionosphere path delay error, clock error, orbital error and multipath effect error, which are the primary factor restrict improving on precision of navigation receiver. In dual-frequency position mode, clock error and orbital error can be eliminated by differential correction, troposphere error can be eliminated by simulated modeling, and ionosphere path delay error can be eliminated by dual-frequency measuring method. For affected by environment, satellite and time, the multipath effect error is difficult to be eliminated by means of measures mentioned above, on the contrary, it will be amplified because of the combination of measurement error. To solve the problem of certain kind of user terminal has lower precision under dual-frequency mode than single-frequency mode in GEO and IGSO satellite geometry, by building a simulated model, this paper analyses the multipath effect impact on dual-frequency position error, and puts forward an improved experiment scheme for the user terminal, through importing anti-multipath pseudorange to the terminal comparing the dual-frequency position precision of user terminal between use anti-multipath effect and without use. The experiment result testifies that when the multipath effect error reaches certain level, the amplify effect of dual-frequency measuring will exceed the effect of eliminating ionosphere path delay error, causing the user terminal has lower precision under dual-frequency mode than single-frequency mode. This paper also analyses the multipath effect change tendency under various constellation and distinct satellite impact on dual-frequency position error, affords beneficial reference to the satellite selection strategy user position terminal. . Keywords: satellite navigation; user terminal; multipath effect; dual-frequency position; error analysis【摘要】卫星导航系统中用户定位误差受多种因素影响，对流层误差、电离层延迟误差、星钟误差、卫星定轨误差及多径误差是制约卫星导航接收机精度提升的主要因素。在双频定位模式下，星钟误差、卫星定轨误差可以通过差分方法消除，对流层误差可通过建模方法消除，电离层延迟误差可以通过双频测量方法消除。而多径误差受环境、卫星及时间影响，难以通过差分等技术方法消除，反而会因测量误差的组合被放大。本文针对某用户接收机在GEO/IGSO星座条件下双频定位精度低于单频定位精度的现象，通过建立仿真模型分析多径效应对双频定位的影响，确认了当多径误差达到一定量级后会导致双频定位精度低于单频定位精度。设计了针对接收机的改进试验，将抗多径处理后的伪距输入接收机，验证了仿真模型的结论。通过比较不同选星策略下抗多径前后单双频定位精度，验证了GEO卫星会带来固有多径误差现象，并给出了PDOP值相同条件下接收机的选星策略。【关键词】卫星导航；用户接收机；多径效应；双频定位；误差分析1 引言卫星导航定位系统的基本作用是向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息，目前已基本取代了无线电导航、天文测量和传统大地测量技术，成为人类活动中普遍采用的导航定位技术1。卫星导航定位系统由三大部分组成，即空间部分、控制部分和用户部分。以GPS系统为例，空间部分由GPS星座组成，包括6个轨道平面，共有31颗卫星在轨。控制部分由若干个监控站、4部地面上行注入天线及1个主控站组成，其功能包括监视卫星信号，对卫星进行跟踪、测量，编算导航电文且向卫星注入电文，对卫星诊断调度等。用户部分是指所有能通过接收导航卫星信号进行定位导航的用户装置及其支持设备。要提高卫星导航系统的定位精度，用户接收机是非常重要的一个环节，卫星导航系统中用户定位误差受多种因素影响，对流层误差、电离层延迟误差、星钟误差、卫星定轨误差及多径误差是制约卫星导航接收机精度提升的主要因素。2 仿真试验现象及多径效应分析2.1 仿真试验现象为验证未作抗多径处理的用户接收机在GEO/IGSO星座条件下的定位精度，使用导航信号源产生仿真数据其进行单双频定位。24小时双频平面定位精度为6.28m（RMS），高程定位精度为10.31m（RMS）；24小时单频定位平面精度为2.70m（RMS），高程定位精度为4.15m（RMS）。试验结果如图1所示，从图中所示可见，在相同条件下，双频定位精度明显差于单频定位精度，且定位精度方差较大。由单双频定位原理可知，影响定位精度的误差因素有：卫星时钟误差、卫星星历误差、相对论效应、电离层延迟误差、对流层延迟误差、接收机噪声误差、多径效应误差。 Figure 1. The contrast between single-frequency and double-frequency position precision results using certain user图 1. 用户接收机单双频定位结果对比对于单频定位和双频定位而言，卫星时钟误差、星历误差、相对论效应、对流层延迟误差等造成的误差是相同的，而接收机在在双频两个频点的接收噪声互不相关。主要区别在于单频定位使用电离层模型参数修正电离层延迟误差，双频定位使用双频测量法修正电离层延迟误差。但是，双频观测消除电离层延迟误差是有代价的，以GPS为例，无电离层伪距测量要比L1和L2测得的伪距误差噪声大，假设L1和L2的多径效应及接收机噪声互不相关，但方差相同，此时双频无电离层伪距噪声大约为L1或L2伪距噪声的3倍2。接收机噪声主要与接收机跟踪环相关，就延迟锁定环（DLL）而论，主要的伪距测量误差源是热噪声和多径的影响。典型的现代接收机噪声和分辨率误差的1值在1dm左右，在正常条件下（无外部干扰）下更小，并且对于多径引起的误差来说是可以忽略的3。因此，为排查双频定位精度低于单频定位精度问题，需分析多径效应对双频定位的影响。2.2 多径效应特性多径主要是指对所期望信号经反射和散射后的复制品的接收。由于反射信号经过的路径总是比直达信号更长，因而相对于直达信号而言多径的到达是有延迟的。当多径较大的时候，接收机非常容易解决这个问题。接收机利用伪码相关就能去处掉不必要的多径信号，但是由附近或者稍远处的信号反射的多径可能比直达信号延迟很短的时间(比如几十或者几百ns)到达，这种多径信号会使接受到的合成信号与接收机本地产生的参考信号之间的相关函数产生畸变，同时也会引起接收信号合成相位的畸变，在伪距和载波相位测量值上引入误差，从而造成位置、速度和时间解算上的误差。由于各自传输路径不同,直达信号与反射、散射信号之间存在相对相位和相对延迟,幅度特性存在差异,导致进入接收环路的信号发生畸变,相关峰鉴别曲线的过零点发生偏移,从而影响测距精度。通常认为多径信号是主要由反射引起的,而将散射信号模型化为一个附加的噪声项,对码跟踪的影响很小4。3 多径效应误差仿真及改进试验验证3.1 多径效应误差仿真文献3中针对独立式GPS的定位精度进行了分析，位置误差同时是伪距误差（UERE）和用户/卫星几何布局（DOP）两者的函数：位置误差=UERE×DOP。而2.1试验中单频定位和双频定位DOP值是一样的，造成双频定位精度较差的原因为伪距误差（UERE）。针对2.1节中提到的影响UERE的几种误差因素：卫星时钟误差、卫星星历误差、相对论效应、电离层延迟误差、对流层延迟误差、接收机噪声误差、多径效应误差。文献3给出了各种误差源的UERE预算，其前提为双频定位用户完全消除了电离层延迟误差，但多径误差仍与单频定位一致，为0.2米。本次试验中的用户终端未采取抗多径处理措施。因此双频测量带来的多径误差要大于单频测量，为验证多径效应对双频定位UERE的影响，做以下仿真试验。根据文献3中GPS精密定位服务的典型UERE预算值，广播时钟误差为1.1m（1），广播星历误差为0.8m（1），相对论效应误差为0.02m（1），残留电离层延迟误差为0.1m（1），残留对流层延迟误差为0.2m（1），接收机噪声和分辨率为0.1m（1），多径误差为0.2m（1）。设卫星与接收机之间实际距离p=2×107m，卫星时钟误差为tSat，卫星星历误差为tEph，相对论效应误差为tXDL，电离层延迟误差为tIon，对流层延迟误差为tTrop，接收机噪声为tNoise，多径效应误差为tMult。则L1和L2频点伪距测量值p1和p2如下所示：p1=p+tSat+tEph+tXDL1+tIon1+tTrop+tNoise+tMult1 (1)p2=p+tSat+tEph+tXDL2+tIon2+tTrop+tNoise+tMult2 (2)其中相对论效应可通过用户机算法进行校正，残余误差是信号受地球重力影响产生的。在双频定位模式下，可使用下式对L1频点上的电离层延迟误差进行估计：L2频点上的电离层延迟误差可使用tIon1乘以以下值进行估算：针对p1、p2两个伪距，分别根据式（1）和式（2）生成1000个样本点，统计L1、L2频点及L1/L2双频定位伪距观测量的方差（1），结果如下：L1频点伪距观测量的方差为4.91m（1），L2频点伪距观测量的方差为7.90m（1），电离层延迟修正后的L1/L2伪距观测量的方差为1.54m（1），可见在多径误差为0.2m时，双频观测很好的消除了电离层延迟误差，伪距测量误差小于单频伪距测量误差。仿真结果如图2所示。 Figure 2. The measuring variance of L1/L2 single-frequency and double-frequency pseudorange when multipath effect error is 0.2m图 2. 多径误差为0.2m时L1/L2单双频伪距观测量方差在其他误差项均不变的情况下，增大多径误差为2m，统计L1、L2频点及L1/L2双频定位伪距观测量的方差（1），结果如下：L1频点伪距观测量的方差为5.30m（1），L2频点伪距观测量的方差为8.07m（1），电离层延迟修正后的L1/L2伪距观测量的方差为5.97m（1），具体结果如图3所示。可见，如多径误差增大10倍，双频伪距测量虽然可以很好的消除电离层延迟误差，但双频伪距观测量精度低于L1伪距观测量精度。 Figure3. The measuring variance of L1/L2 single-frequency and double-frequency pseudorange when multipath effect error is 0.2m图 3 多径误差为2m时L1/L2单双频伪距观测量方差因此，在多径误差相当大的情况下，双频观测虽然仍然可以很好的消除掉电离层误差，但同时由于双频观测对多径误差的放大作用，最终导致双频伪距测量精度低于单频伪距测量精度。3.2 改进试验验证为验证多径效应仿真试验结果，设计接收机的改进试验，由于接收机未进行有效的抗多径效应处理，因此，通过导入同时段经抗多径效应处理的伪距观测数据到接收机，其他条件一样（PDOP小于10，卫星数大于4颗），考察接收机的双频定位精度。最终结果如表1所示。Table 1. The comparison between single-frequency and double-frequency position precision results before and after using anti-multipath pseudorange表 1. 使用抗多径伪距前后的单双频定位误差对比单频定位误差(RMS)双频定位误差(RMS)平面误差高程误差平面误差高程误差使用用户接收机原始伪距测量值2.164.216.159.61使用抗多径后的伪距测量值1.503.571.452.94从表1中可见，经过观测伪距抗多径处理后，单双频在定位精度上都有提高，但双频的定位精度改善程度明显好于单频，经抗多径处理后，双频平面定位精度与高程定位精度均优于单频，验证了仿真试验的结论。4 不同选星策略下多径影响分析在GEO/IGSO星座条件下，由于星座构成的限制，IGSO卫星可视时间较为有限，定位精度受GEO卫星影响较大。国外星基增强系统专家在研究利用星基增强系统GEO卫星播发的导航信号进行测距时发现,由于GEO卫星在空间中几乎是固定的,某些多径干扰随时间的变化是非常缓慢的5。对于接收机来讲，如果多径效应的时变相对于接收机跟踪环的时间常数来说是快速的，多径误差会通过接收机处理被平滑，否则，将产生一个时不变的误差项，即固有多径误差，进而降低了测距性能。为研究GEO和IGSO卫星的多径效应误差对用户接收机定位精度的影响，在不同的选星策略下，分别向用户接收机中导入仿真的宽相关伪距数据及抗多径伪距数据，测试不同类型卫星组合条件下的多径效应误差。试验分别仿真在3IGSO+1GEO、2IGSO+2GEO、1IGSO+3GEO三种星座组合下使用宽相关和抗多径后的伪距测量数据进行定位精度评估，选取PDOP值小于10情况下进行定位精度分析，结果如表2所示。通过表2可得到以下结论：l 在三种不同的星座组合模式下，参与定位的GEO卫星数量越多，单频定位及双频定位平面误差越大；l 由于此接收机在卫星数不足4颗情况下，使用已知的高程值进行定位，故高程误差统计随机性较强；Table 2. The comparison between single-frequency and double-frequency position precision results using wide-mutuality and anti-multipath pseudorange表 2.不同选星策略下使用宽相关与抗多径伪距的单双频定位精度比较使用宽相关伪距使用抗多径伪距单频定位误差（RMS）双频定位误差（RMS）单频定位误差（RMS）双频定位误差（RMS）平面误差高程误差平面误差高程误差平面误差高程误差平面误差高程误差3IGSO+1GEO10.095.0510.448.616.743.174.823.722IGSO+2GEO10.603.2312.6915.419.438.157.8911.591IGSO+3GEO10.991.7112.9415.4011.281.8010.897.20 l 在未采取抗多径措施情况下，星座中卫星类型的构成对单频定位结果影响较小，在DOP值相同情况下，IGSO卫星越多，平面定位精度越高，但程度有限；但是，对于双频定位来讲，IGSO卫星数量的增加对平面定位精度提升较大；l 在使用抗多径措施情况下，星座中卫星类型的构成对单频及双频平面定位精度影响均很大，随着IGSO卫星的增加，单双频平面定位精度均有很大提升，双频提升幅度大于单频。同时可以看出，当星座组成中GEO卫星较多时，抗多径措施并不能很好的消除多径效应，验证了文献5提出的GEO卫星固有多径误差现象。5 总结作为高精度用户的一种测量定位手段，双频测量定位可以很好的消除电离层延迟误差，但是如果不能对双频观测带来的多径效应误差进行处理，当测量定位环境多径影响较大时，会造成双频定位精度低于单频定位精度的后果。本文针对GPS伪距误差进行了仿真分析，验证了多径误差达到一定量级后会导致双频定位精度低于单频定位精度，并通过试验验证了此结论。针对GEO/IGSO特定星座，通过不同选星策略证实了GEO卫星相比IGSO卫星会带来固有多径误差，因此对于用户终端来讲，在PDOP相同的情况下，应优先选择IGSO卫星进行定位。References (参考文献) 1 Elliott D.Kaplan. 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