偽距測量

偽距測量（pseudo-range measurement）是在用全球定位系統進行導航和定位時，用衛星發播的偽隨機碼與接收機複製碼的相關技術，測定測站到衛星之間的、含有時鐘誤差和大氣層折射延遲的距離的技術和方法。

基本介紹

• 中文名：偽距測量
• 外文名：pseudo-range measurement
• 領域：測繪科學與技術
• 用途：精度要求不高的導航
• 相關概念：鐘差等
• 地位：衛星導航系統的關鍵技術之一

基本概念

測得的距離含有時鐘誤差和大氣層折射延遲，而非“真實距離”,故稱偽距。它是為實現偽距定位，利用測定的偽距組成以接收機天線相位中心的三維坐標和衛星鐘差為未知數的方程組，經最小二乘法解算以獲得接收機天線相位中心三維坐標,並將其歸化為測站點的三維坐標。由於方程組含有4個未知數，必須有4個以上經偽距測量而獲得的偽距。此法既能用於接收機固定在地面測站上的靜態定位，又適於接收機置於運動載體上的動態定位。但後者的絕對定位精度較低，只能用於精度要求不高的導航。

偽距測量涉及鐘差、真距、設備時延、觀測時刻等多個物理量,要實現偽距測量不確定度和設備時延穩定性的精確評估,必須理清他們的基本概念和定義,這在高動態條件下顯得尤為重要。

鐘差

鐘差與時間的空間參考點

鐘差是指同一時刻兩台鐘的鐘面時之差。在現代高技術套用中,時間測量的精度要求已達到納秒甚至皮秒量級。精確的時間信號通常用脈衝信號表示,如1pps、10pps、100pps分別表示1秒鐘1個脈衝信號、10個脈衝信號和100個脈衝信號等。眾所周知,信號傳播是需要花費時間的,因此所謂的鐘面時必須指定其時間的空間參考點,也就是說由一台鐘給出的時刻必須指明是相對於設備上哪一個空間參考點的,如原子鐘的1pps連線埠或1pps輸出的50米電纜連線埠等等。

真距

在無線電測量中,信號通過發射天線發射,經空間傳播後由接收天線接收。所謂的信號空間傳播時延是指信號在空間傳播過程中所花費的時間。信號空間傳播時延反映了信號所走過的真實路程,可將其簡單地稱為真距。

設備發射時延

設備發射時延定義為信號離開發射天線相位中心時刻的本地鐘面時與發射信號的表征時間值(如偽噪聲碼碼片的對應時刻)之差。並不一定是碼發生器到發射天線相位中心的信號傳播時間。它取決於本地時間參考點的選擇。如果將發射站的時間參考點定義在碼發生器輸出連線埠,那么是碼發生器到發射天線相位中心的信號傳播時間。

設備接收時延

設備接收時延定義為接收機標稱的信號接收時刻(本地鐘面時)與信號實際到達接收天線相位中心時的本地鐘面時之差。

偽距

偽距可以定義為信號的本地接收時刻(本地鐘面時)與信號所攜的表征時間值之差。

意義

衛星導航系統工作的基本原理是用戶同時接收不少於4顆衛星的導航信號,從而測得4個以上偽距觀測量,在衛星坐標、衛星鐘差和衛星不同頻點間相對設備時延偏差已知的情況下,計算自己的三維坐標和鐘差。因此,偽距是衛星導航系統最基本的觀測量,偽距的觀測精度直接決定了系統的導航定位精度。高精度偽距測量技術是衛星導航系統的關鍵技術之一。

高精度偽距測量技術的發展首先需要解決偽距測量不確定度和設備時延的穩定性評估問題。由於偽距的測量精度不但取決於偽距接收機,而且與信號源有關,而信號發射設備與信號接收設備固有的設備時延又很難從偽距觀測量中精確剝離,因此,偽距測量設備的時延穩定性和偽距測量不確定度評估是一個值得深入探討的技術問題。

精度評價

偽距測量值與設備的收發時延密切相關,如果設備的收發時延隨時間變化,那么就很難將他們精確剝離。由於設備收發時延不但取決於偽距接收機,而且與信號源有關,從而就進一步增加了單一設備的評價困難。因此假設信號源的發射時延是穩定的。

對於接收機而言,接收時延必須穩定,偽距觀測時刻也必須準確。如果信號源的發射時延是穩定的,那么在接收機評價過程中可以簡單地扣除設備收發時延的均值,將剩餘部分一起作為測量誤差來進行綜合評價。
需要特別注意的是,設備時延穩定性和偽距測量精度往往與收發設備的運動特性、環境溫度、信號強度等測量條件有關,因此要使標定的結果具有普適性和可信性,測量偽距必須儘可能地遍歷各種技術狀態,如開關機、靜態、低動態、高動態及多種信號接收強度等。
為了扣除信號源發射時延的影響,可以將同一廠家生產的兩台相同型號的接收機進行同時觀測以構造與發射時延無關的統計觀測量。

提高精度

(1)偽距、鐘差、設備時延等基本物理量是密切相關的,而且都是時間的函式,因此其定義必須嚴格自洽。從廣義上講,設備時延並不一定是真正意義上的時延,他們取決於時間參考點的選擇。在一般情況下其取值可以為正,也可以為負。

(2)在選擇設備1pps輸出連線埠為本地時間參考點的情況下,收發組合時延可以採用直接測量鐘差的方法測定。兩台發射(或接收)設備的發射時延(或接收時延)的相對差值,可以通過與某一台參考接收(或發射)設備進行組合時延測量得到。

(3)對接收機而言,偽距測量精度、設備時延穩定性以及偽距測量時刻標定誤差是密切相關的。由於這些誤差很難嚴格分離,因此在實際套用中可以通過鐘差測量的方法簡單地扣除設備收發時延的均值,將剩餘部分一起作為測量誤差來對接收機進行綜合評價。

(4)要保證測試結果的普適性並獲取高可信度的設備時延值,偽距和鐘差測量必須儘可能遍歷各種技術狀態,如開關機、靜態、低動態、高動態及多種信號接收強度等。