伪距测量

用卫星发播的伪随机码与接收机复制码的相关技术

伪距测量（pseudo-range measurement）是在用全球定位系统进行导航和定位时，用卫星发播的伪随机码与接收机复制码的相关技术，测定测站到卫星之间的、含有时钟误差和大气层折射延迟的距离的技术和方法。

基本概念

测得的距离含有时钟误差和大气层折射延迟，而非“真实距离”,故称伪距。它是为实现伪距定位，利用测定的伪距组成以接收机天线相位中心的三维坐标和卫星钟差为未知数的方程组，经最小二乘法解算以获得接收机天线相位中心三维坐标,并将其归化为测站点的三维坐标。由于方程组含有4个未知数，必须有4个以上经伪距测量而获得的伪距。此法既能用于接收机固定在地面测站上的静态定位，又适于接收机置于运动载体上的动态定位。但后者的绝对定位精度较低，只能用于精度要求不高的导航。

伪距测量涉及钟差、真距、设备时延、观测时刻等多个物理量,要实现伪距测量不确定度和设备时延稳定性的精确评估,必须理清他们的基本概念和定义,这在高动态条件下显得尤为重要。

钟差

钟差与时间的空间参考点

钟差是指同一时刻两台钟的钟面时之差。在现代高技术应用中,时间测量的精度要求已达到纳秒甚至皮秒量级。精确的时间信号通常用脉冲信号表示,如1pps、10pps、100pps分别表示1秒钟1个脉冲信号、10个脉冲信号和100个脉冲信号等。众所周知,信号传播是需要花费时间的,因此所谓的钟面时必须指定其时间的空间参考点,也就是说由一台钟给出的时刻必须指明是相对于设备上哪一个空间参考点的,如原子钟的1pps端口或1pps输出的50米电缆端口等等。

真距

在无线电测量中,信号通过发射天线发射,经空间传播后由接收天线接收。所谓的信号空间传播时延是指信号在空间传播过程中所花费的时间。信号空间传播时延反映了信号所走过的真实路程,可将其简单地称为真距。

设备发射时延

设备发射时延定义为信号离开发射天线相位中心时刻的本地钟面时与发射信号的表征时间值(如伪噪声码码片的对应时刻)之差。并不一定是码发生器到发射天线相位中心的信号传播时间。它取决于本地时间参考点的选择。如果将发射站的时间参考点定义在码发生器输出端口,那么是码发生器到发射天线相位中心的信号传播时间。

设备接收时延

设备接收时延定义为接收机标称的信号接收时刻(本地钟面时)与信号实际到达接收天线相位中心时的本地钟面时之差。

伪距

伪距可以定义为信号的本地接收时刻(本地钟面时)与信号所携的表征时间值之差。

意义

卫星导航系统工作的基本原理是用户同时接收不少于4颗卫星的导航信号,从而测得4个以上伪距观测量,在卫星坐标、卫星钟差和卫星不同频点间相对设备时延偏差已知的情况下,计算自己的三维坐标和钟差。因此,伪距是卫星导航系统最基本的观测量,伪距的观测精度直接决定了系统的导航定位精度。高精度伪距测量技术是卫星导航系统的关键技术之一。

高精度伪距测量技术的发展首先需要解决伪距测量不确定度和设备时延的稳定性评估问题。由于伪距的测量精度不但取决于伪距接收机,而且与信号源有关,而信号发射设备与信号接收设备固有的设备时延又很难从伪距观测量中精确剥离,因此,伪距测量设备的时延稳定性和伪距测量不确定度评估是一个值得深入探讨的技术问题。

精度评价

伪距测量值与设备的收发时延密切相关,如果设备的收发时延随时间变化,那么就很难将他们精确剥离。由于设备收发时延不但取决于伪距接收机,而且与信号源有关,从而就进一步增加了单一设备的评价困难。因此假设信号源的发射时延是稳定的。

对于接收机而言,接收时延必须稳定,伪距观测时刻也必须准确。如果信号源的发射时延是稳定的,那么在接收机评价过程中可以简单地扣除设备收发时延的均值,将剩余部分一起作为测量误差来进行综合评价。

需要特别注意的是,设备时延稳定性和伪距测量精度往往与收发设备的运动特性、环境温度、信号强度等测量条件有关,因此要使标定的结果具有普适性和可信性,测量伪距必须尽可能地遍历各种技术状态,如开关机、静态、低动态、高动态及多种信号接收强度等。

为了扣除信号源发射时延的影响,可以将同一厂家生产的两台相同型号的接收机进行同时观测以构造与发射时延无关的统计观测量。

提高精度

(1)伪距、钟差、设备时延等基本物理量是密切相关的,而且都是时间的函数,因此其定义必须严格自洽。从广义上讲,设备时延并不一定是真正意义上的时延,他们取决于时间参考点的选择。在一般情况下其取值可以为正,也可以为负。

(2)在选择设备1pps输出端口为本地时间参考点的情况下,收发组合时延可以采用直接测量钟差的方法测定。两台发射(或接收)设备的发射时延(或接收时延)的相对差值,可以通过与某一台参考接收(或发射)设备进行组合时延测量得到。

(3)对接收机而言,伪距测量精度、设备时延稳定性以及伪距测量时刻标定误差是密切相关的。由于这些误差很难严格分离,因此在实际应用中可以通过钟差测量的方法简单地扣除设备收发时延的均值,将剩余部分一起作为测量误差来对接收机进行综合评价。

(4)要保证测试结果的普适性并获取高可信度的设备时延值,伪距和钟差测量必须尽可能遍历各种技术状态,如开关机、静态、低动态、高动态及多种信号接收强度等。

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