【航天甲子年50講】 24 導航衛星誤差分析

文：晟宇（視頻講解）

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前言

最近隨著很多真真假假的新聞，導航這個事有點小火熱。假的新聞能那麼火說明基本知識科普的工作任務還很重啊。晟宇正好在講導航衛星，有種要蹭上熱點的感覺啊～

導航定位系統的最關鍵的性能就是它的定位能力，理想的世界裡面我們只要知道衛星的準確位置就可以推算出地面點也就是用戶的位置。

你要覺得世界會這麼簡單那肯定就錯了。現實過程中有一籮筐的問題使得真實情況離我們的預期遠遠的。在利用導航衛星進行定位的過程中要面對各個環節上產生的誤差源，使得我們要達到高精度的定位要面對非常多的挑戰。

搗亂鬼有哪些？（誤差源）

要知道定位有多難就要知道到底有多少因素在搗亂，才能知道面對的問題有多大，各個攻破才能獲得預期的定位精度。

簡單的說來誤差主要產生在三個層面，從時間上來看就是起點上的誤差-衛星本身產生的誤差；導航信息傳播路上走偏走慢了產生的誤差-路徑誤差；最後就是接受者的誤差。

這些誤差疊加在一起使得要獲得高精度的定位需要突破一個個難關。這次分享我們就具體地看看到底每一個地方都具體有哪些誤差。這些誤差又是怎麼在影響定位的精度。

作為測量的基準，衛星自己得搞清楚自己的位置和時間哦

還記得我們之前說到的前提嗎？就是衛星要有一個準確的位置，這是開始用衛星做導航定位的基礎。

而實際在衛星這個層面還存在這樣一些問題。

首先是衛星並不能準確的知道自己在哪裡，這就造成了衛星星曆的誤差。這個誤差的影響很大，因為這是起始的地方，等於開頭就算錯了。所以我們就要想辦法盡量將衛星的軌道測量的準確。而做到這一點就需要我們在地面有更多的測控站點，更好的測控設備，才能獲得更準確的衛星軌道測量。

接下來就是對錶的問題了，時間精度。我們知道導航衛星上面都裝有時間精度非常高的原子鐘，可是信號以光速傳播，這個精度到達地面後造成的誤差也不小，所以需要通過一些校正的手段來解決，同時要研製時間精度更高的星上時鐘。

另外在美國的GPS系統裡面還有一個SA（Selective Availability）誤差，這個誤差是GPS主動添加的誤差，使得星曆的精度下降來讓一般人使用時無法獲得很高的精度，這也是我們需要發展自己的定位系統的原因之一。

最後由於衛星都是高度運動，所以由相對論造成的誤差也不能完全忽視。

繞路了，走錯了，走亂了--路徑誤差

導航衛星的導航信號要從距離地球幾萬公里的軌道上傳輸到地面，而在這個路上首先有大氣層，大氣層不同的地方密度不同。就好象我們看水裡的東西會變形一樣。導航信號和光線一樣也是電磁波，就會受到大氣的影響。到了地面還要受到地形地貌，地面建築的影響等等。

首先是會受到電離層的影響，電離層雖然稀薄一樣會使得導航信號產生折射發生傳播方向的偏離，同時也會影響到傳播的速度。使用不同頻率的信號，或者通過電離層的模型可以對這個誤差進行校正，從而將它的影響降低。

穿過了電離層就來到了更加稠密的底層大氣，對流層。對流層的情況更加複雜，隨著天氣的變化都會對導航信號帶來不同的影響。所以對對流層的校正需要更加動態的模型。

到達地面後如果不是開闊的場地，導航信號遇到了高山峭壁，樓房，樹木都會發生反射，這就造成了我們使用的GPS接收終端會前前後後的受到同一段的導航信號造成解算的偏差。不過隨著接收端技術的提高，如今這一誤差導致的影響已經很低了。

表沒對準，沒看準

最後導航信息被接收機收到了，在接收機這個地方也有一些造成誤差的因素。首先是接收機的時鐘誤差，表沒對準。不過這個可以和比較準的觀測者處理後降低。另外就是和天線等有關的位置的誤差。

誤差影響有多大

原始的誤差量級還是很驚人，如果沒有校正和優化的手段，地面的誤差有可能到幾百米。經多針對每種誤差的校正和利用雙頻等手段後，如今可以獲得的定位精度已經很高了。

但是由於很多過程的是動態變化的，接收機所處的環境也是不同的，所以具體到每一個接收機不同環境不同時刻計算出來的精度都是不同的。

下一次我們最後一次了導航系統，就是講講我們國家正在建設的北斗系統和它的發展歷程吧。

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