news 2026/2/9 6:29:00

如何确认伪距观测方程各系数的正负

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张小明

前端开发工程师

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如何确认伪距观测方程各系数的正负

观测方程中各项系数的正负号误差的物理定义方程的构建方式共同决定。记住一个核心原则,就能推导出所有情况:

黄金法则:将所有误差项,都视为信号从卫星传播到接收机所经历的“额外时间延迟”(或其等效的“额外距离”)。这个“延迟”会使观测值(伪距)变长。

下面我们基于这个原则,对伪距观测方程进行逐项分析。

标准伪距观测方程(从物理到数学)

假设卫星在时刻 t_sts​ 发射信号,接收机在时刻 t_utu​ 接收到信号。

  • 几何传播时间(真值):\tau = t_u - t_sτ=tu​−ts​

  • 对应的几何距离(真值):\rho = c \cdot \tauρ=c⋅τ,其中 cc 为光速。

然而,我们使用的是有误差的时钟:

  • 卫星钟有钟差 \delta t^sδts(卫星时间 t_{sv}tsv​ 与系统时间 tt 的关系:t_{sv} = t + \delta t^stsv​=t+δts)。

  • 接收机钟有钟差 \delta t_rδtr​(接收机时间 t_{rx}trx​ 与系统时间 tt 的关系:t_{rx} = t + \delta t_rtrx​=t+δtr​)。

观测过程:

  1. 卫星在系统时间tt 发射信号,但它的时钟读数是 t_{sv} = t + \delta t^stsv​=t+δts,并将此时刻编码在信号中。

  2. 接收机在系统时间t + \taut+τ 收到信号,但它的时钟读数是 t_{rx} = (t + \tau) + \delta t_rtrx​=(t+τ)+δtr​。

接收机计算的“伪”传播时间(基于有误差的时钟读数)为:

\tilde{\tau} = (t_{rx}) - (t_{sv}) = [(t + \tau) + \delta t_r] - [t + \delta t^s] = \tau + \delta t_r - \delta t^sτ~=(trx​)−(tsv​)=[(t+τ)+δtr​]−[t+δts]=τ+δtr​−δts

接收机测量的“伪距”为:

P = c \cdot \tilde{\tau} = c \cdot \tau + c\delta t_r - c\delta t^sP=c⋅τ~=c⋅τ+cδtr​−cδts

代入 c \cdot \tau = \rhoc⋅τ=ρ(几何距离),得到:

P = \rho + c\delta t_r - c\delta t^sP=ρ+cδtr​−cδts

再加入其他信号传播延迟:

  • 电离层延迟II:使信号传播变慢,增加传播时间。

  • 对流层延迟TT:使信号传播变慢,增加传播时间。

  • 其他误差和噪声\epsilonϵ:包括多路径、硬件延迟、测量噪声等。

根据黄金法则(所有误差都视为使观测值变长的正延迟),这些项都应该被加上

因此,完整的伪距观测方程为:

P = \rho + c\delta t_r - c\delta t^s + I + T + \epsilonP=ρ+cδtr​−cδts+I+T+ϵ

结论(伪距方程系数):

  • 接收机钟差 \delta t_rδtr​:系数为+c(正)。接收机钟慢,读数偏晚,计算出的伪距变长

  • 卫星钟差 \delta t^sδts:系数为-c(负)。卫星钟快,发射时间标签偏早,计算出的伪距变长。注意:通常我们使用广播星历或精密星历提供的钟差改正数 \delta t^sδts,在应用时是减去这个改正数,所以最终效果是-c * (已知的钟差)

  • 电离层延迟 II:系数为+1(正)。

  • 对流层延迟 TT:系数为+1(正)。

  • 噪声 \epsilonϵ:系数为+1(正)。


重要对比:载波相位观测方程

载波相位观测值 \PhiΦ(单位:周)的方程符号与伪距有根本不同,因为它测量的是相位差,而不是时间差。

\lambda \Phi = \rho + c\delta t_r - c\delta t^s - I + T + \lambda N + \epsilon_{\Phi}λΦ=ρ+cδtr​−cδts−I+T+λN+ϵΦ​

关键区别:

  • 电离层延迟 II:系数为-1(负)。这是因为电离层对载波相位的相位推进效应(与群延迟相反),导致观测到的相位距离变短

  • 整周模糊度 NN:这是一个未知的整数常数,必须被估计出来。它的存在是因为接收机初始无法知道信号的完整周期数。


在RTKLIB和工作中的实际应用

  1. 在RTKLIB代码中 (pntpos.c,rescode函数等)

    • 会看到代码中计算理论观测值(几何距离 + 误差修正)时,对于伪距,其形式通常是:
      range = geometric_range - sat_clock_correction + trop_correction + iono_correction

    • 注意:这里的iono_correctiontrop_correction已经是根据模型计算出的改正数(即-I-T的估计值)。所以代码中是加上这些改正数,相当于在方程中减去误差sat_clock_correction本身是-c\delta t^s的体现,所以是减去。

    • 核心:要区分理论方程中的误差项工程实现中的改正值,它们是相反数关系。

  2. 在构建AGNSS服务器时

    • 当生成或转发差分改正数时,提供的是OSR(观测值域改正数)。这个改正数本质上是参考站测量出的误差(I+T+卫星钟差残余+...)负值。用户端将其加到自己的观测值上,以消除误差。

    • 当生成或转发SSR(状态空间域改正数)时,提供的是卫星轨道、钟差等的修正量。用户端用这些修正量去计算更精确的卫星位置和钟差,然后代入方程。这时符号处理封装在用户端的定位引擎(如RTKLIB)内。

总结记忆口诀:

  • 伪距:除了卫星钟差是,其他使信号“变慢”的延迟(接收机钟差、电离层、对流层)都是。(卫星钟差因其时间标签提前的特殊性,符号相反)。

  • 载波相位:电离层符号与伪距相反,其他与伪距一致(注意模糊度项)。

  • 工程实现:永远记住你操作的是误差还是改正数。改正数 = -误差。

掌握这个符号规则,就能毫无障碍地推导和验证任何定位解算模型,并深刻理解RTKLIB等开源代码中每一步计算的物理意义。

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