孫豐甲，彭軍，何群，郭建麟，李娜娜

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)具有實(shí)時(shí)、全天候、高精度、抗干擾性好和覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，在軍事、交通運(yùn)輸、精密授時(shí)及大地測(cè)量等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［1-2］。GNSS 包括美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲GALILEO 及中國(guó)BEIDOU 等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS 主要由空間星座、地面監(jiān)控和用戶三大部分組成［3-4］，其中空間星座和地面監(jiān)控部分是用戶應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)(用戶只有通過(guò)接收機(jī)才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用GNSS 進(jìn)行導(dǎo)航與定位的目的)。隨著載波相位測(cè)量技術(shù)及相應(yīng)硬件的不斷發(fā)展和升級(jí)，接收機(jī)從單一提供定位信息功能，發(fā)展到可以提供用戶定位與定向(航向)信息的功能［5-8］。由于接收機(jī)性能的高低會(huì)直接影響到用戶所需要得到的定位與導(dǎo)航準(zhǔn)確度，因此對(duì)接收機(jī)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)是十分必要的。

1 定位定向接收機(jī)校準(zhǔn)內(nèi)容及方法

1.1 接收機(jī)定位精度校準(zhǔn)

接收機(jī)定位精度校準(zhǔn)原理如圖1所示，利用已建成的短基線場(chǎng)，將天線安裝在已知大地坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)上，通過(guò)記錄一定時(shí)段接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到被校接收機(jī)經(jīng)度φ、緯度λ 和高程h 的測(cè)量均值，再通過(guò)坐標(biāo)變換將其轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)(X，Y，Z)，與基點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)值(X0，Y0，Z0)計(jì)算得到被校接收機(jī)定位偏差ΔL 和高程偏差ΔH。

圖1 接收機(jī)定位精度校準(zhǔn)原理圖

1.2 接收機(jī)定向精度校準(zhǔn)

接收機(jī)定向精度校準(zhǔn)原理如圖2所示，利用已建成的方位基準(zhǔn)線，將前天線與后天線分別安裝在基準(zhǔn)線A，B 兩點(diǎn)，通過(guò)記錄一定時(shí)段接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到被校接收機(jī)方位角測(cè)量均值β，與方位基準(zhǔn)值α 進(jìn)行比較，計(jì)算得到被校接收機(jī)定向偏差值Δθ。

圖2 接收機(jī)定向精度校準(zhǔn)原理圖

2 定位定向接收機(jī)校準(zhǔn)過(guò)程及結(jié)果

選取某型定位定向接收機(jī)作為校準(zhǔn)對(duì)象，該接收機(jī)單點(diǎn)定位偏差為2 m，高程偏差為4 m，基線長(zhǎng)度為2 m 時(shí)雙天線定向偏差為0.09°，數(shù)據(jù)最快更新率為20 Hz。

接收機(jī)定位精度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，按設(shè)備使用要求，將接收天線、數(shù)據(jù)線、接收機(jī)和計(jì)算機(jī)正確連接，將接收天線安裝在大地坐標(biāo)已知的基準(zhǔn)點(diǎn)上，如圖3所示，啟動(dòng)電源和相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量軟件，數(shù)據(jù)更新率設(shè)置為1 Hz，在系統(tǒng)進(jìn)入定位狀態(tài)后，記錄并保存不少于20 min 的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為一組測(cè)量值，共需要進(jìn)行3組測(cè)量，得到經(jīng)度、緯度、高程測(cè)量值，經(jīng)坐標(biāo)變換后得到偏差和高程差。圖4 為接收機(jī)定位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖，表1 為接收機(jī)定位校準(zhǔn)結(jié)果。

圖3 接收機(jī)定位校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)圖

圖4 接收機(jī)定位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

表1 接收機(jī)定位校準(zhǔn)結(jié)果

接收機(jī)定向精度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，按設(shè)備使用要求，將接收天線、數(shù)據(jù)線、接收機(jī)和計(jì)算機(jī)正確連接，將雙天線安裝在基線A，B 兩點(diǎn)上(基線長(zhǎng)度為2 m，方位角為150.9046°)，如圖5所示，啟動(dòng)電源和相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量軟件，數(shù)據(jù)更新率設(shè)置為1 Hz，在系統(tǒng)進(jìn)入定向狀態(tài)后，記錄并保存不少于20 min 的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為一組測(cè)量值，共需要進(jìn)行3 組測(cè)量。圖6 為接收機(jī)定向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)曲線圖，表2 為接收機(jī)定向校準(zhǔn)結(jié)果。

圖5 接收機(jī)定向校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)圖

表2 接收機(jī)定向校準(zhǔn)結(jié)果

圖7 接收機(jī)仿真校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)圖

表3 仿真機(jī)校準(zhǔn)結(jié)果

利用衛(wèi)星信號(hào)仿真機(jī)對(duì)定位定向接收機(jī)進(jìn)行仿真校準(zhǔn)，將仿真機(jī)與接收機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接，設(shè)置仿真機(jī)的大地坐標(biāo)值，啟動(dòng)接收機(jī)電源和相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量軟件，數(shù)據(jù)更新率設(shè)置為1 Hz，在系統(tǒng)進(jìn)入定位狀態(tài)后，記錄并保存不少于20 min 的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到的經(jīng)度、緯度、高程信息與標(biāo)準(zhǔn)值比較，圖7 為定位接收機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)圖，表3 為仿真機(jī)校準(zhǔn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)接收機(jī)實(shí)際定位觀測(cè)校準(zhǔn)結(jié)果與仿真機(jī)校準(zhǔn)結(jié)果的比較，可以看出仿真機(jī)校準(zhǔn)結(jié)果優(yōu)于實(shí)際定位觀測(cè)校準(zhǔn)結(jié)果，分析對(duì)接收機(jī)實(shí)際定位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響的因素有以下幾點(diǎn):①觀測(cè)環(huán)境會(huì)影響到捕獲衛(wèi)星個(gè)數(shù)，個(gè)別衛(wèi)星在短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失鎖現(xiàn)象;②衛(wèi)星信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到電離層延遲、對(duì)流程延遲和接收天線性能等因素影響，使得衛(wèi)星信號(hào)信噪比波動(dòng)較大，從而對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

利用已建成的短基線場(chǎng)和仿真機(jī)，對(duì)定位定向接收機(jī)進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)校準(zhǔn)和仿真校準(zhǔn)，通過(guò)校準(zhǔn)結(jié)果比較可知:接收機(jī)實(shí)際觀測(cè)校準(zhǔn)會(huì)受到觀測(cè)環(huán)境、衛(wèi)星信號(hào)傳播途徑(如電離層延遲，對(duì)流層延遲)、接收機(jī)天線相位中心的偏差和接收機(jī)內(nèi)部噪聲等因素的影響，但接近用戶實(shí)際使用情況，可作為接收機(jī)綜合精度評(píng)定方法。仿真機(jī)校準(zhǔn)減少了外部因素影響，可用于對(duì)接收機(jī)硬件及軟件性能進(jìn)行評(píng)定。

［1］顧國(guó)華.GNSS 科學(xué)發(fā)展與前景［J］.全球定位系統(tǒng)，2008，33(4):1-7.

［2］胡曉，高偉，李本玉.GNSS 導(dǎo)航定位技術(shù)的研究綜述與分析［J］.全球定位系統(tǒng)，2009，34(3):59-62.

［3］謝鋼.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)原理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

［4］季宇虹，王讓會(huì).全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)GNSS 的技術(shù)與應(yīng)用［J］.全球定位系統(tǒng)，2010，35(5):69-75.

［5］高成發(fā)，陳安京，陳默，等.GPS 精密單點(diǎn)定位精度測(cè)試與分析［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，14(6):23-26.

［6］陳晨，茅旭初.基于GPS 技術(shù)的短基線快速定向方法及實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，10(29):80-83.

［7］張安潔，張冰蔚.基于GPS 船舶定向算法的分析研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29(2):131-137.

［8］吳煉.GPS 接收機(jī)校準(zhǔn)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.地理空間信息，2012，6(10):112-114.