陳星宇,陳猛, 李建文,王世忠

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001;2.81804部隊(duì),大連 116031)

精密單點(diǎn)定位在導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度測(cè)試中的應(yīng)用

陳星宇1,陳猛1, 李建文1,王世忠2

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001;2.81804部隊(duì),大連 116031)

摘要：由于導(dǎo)航定位產(chǎn)品在實(shí)際場(chǎng)景中的定位精度測(cè)試評(píng)估方法還不完善,受實(shí)測(cè)條件的限制較大,其中定位精度測(cè)試所用的基準(zhǔn)多采用載波相對(duì)定位的方式獲得,受基站與載體之間距離的限制較大,往往不能很好地評(píng)估產(chǎn)品精度。而精密單點(diǎn)定位在事后動(dòng)態(tài)測(cè)量中可以得到和雙差載波相對(duì)定位相當(dāng)?shù)木?而且不受地域的限制,有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文基于事后動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的方法,提出了一種切實(shí)有效的定位精度測(cè)試評(píng)估方法,并對(duì)某導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

關(guān)鍵詞：GNSS導(dǎo)航定位產(chǎn)品；精密單點(diǎn)定位；定位精度測(cè)試評(píng)估

0引言

近年來,隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的不斷發(fā)展和完善,導(dǎo)航由傳統(tǒng)的GPS時(shí)代進(jìn)入了GNSS時(shí)代。相應(yīng)的導(dǎo)航定位產(chǎn)品也層出不窮，在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。隨著導(dǎo)航技術(shù)及產(chǎn)品的快速發(fā)展,與之相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航產(chǎn)品的測(cè)試評(píng)估技術(shù)也在不斷進(jìn)步。導(dǎo)航產(chǎn)品的評(píng)估,主要指針對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)品的評(píng)估,可分為兩種,即實(shí)際場(chǎng)景測(cè)試評(píng)估和基于衛(wèi)星信號(hào)仿真器的測(cè)試評(píng)估。對(duì)導(dǎo)航用戶一體機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試,重點(diǎn)是驗(yàn)證導(dǎo)航定位產(chǎn)品采集和跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的能力,檢測(cè)產(chǎn)品在不同功率電平和不同條件下計(jì)算定位的能力,通常包括靈敏度測(cè)試、首次定位時(shí)間測(cè)試、定位精度測(cè)試以及各種偏差情況下的復(fù)雜場(chǎng)景測(cè)試[1]。由于靈敏度,首次定位時(shí)間等相應(yīng)的項(xiàng)目測(cè)試屬于接收機(jī)模塊的測(cè)試,在購(gòu)進(jìn)接收機(jī)模塊之前由接收機(jī)模塊生產(chǎn)廠家測(cè)試完成。導(dǎo)航用戶一體機(jī)不僅包括導(dǎo)航定位模塊,還包括慣導(dǎo)模塊,GIS地圖模塊,位置坐標(biāo)計(jì)算等模塊。而慣導(dǎo)模塊在實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試中無法實(shí)現(xiàn),因此對(duì)導(dǎo)航用戶一體機(jī)進(jìn)行實(shí)際場(chǎng)景測(cè)試很有必要。

1997年,Zumberge提出了精密單點(diǎn)定位(PPP)

技術(shù)。PPP技術(shù)是指利用單臺(tái)GNSS接收機(jī),通過引入外部空間和時(shí)間基準(zhǔn)(主要是指衛(wèi)星精密軌道和衛(wèi)星精密鐘差)來獲取接收機(jī)的精密位置的一種定位技術(shù),具有成本低、操作簡(jiǎn)單、定位精度高等優(yōu)勢(shì)[2]。精密單點(diǎn)定位可以實(shí)現(xiàn)亞分米級(jí)的動(dòng)態(tài)定位, 能在不需要地面基準(zhǔn)站的條件下達(dá)到雙差固定解相當(dāng)?shù)木人絒3]。

本文采用精密單點(diǎn)定位動(dòng)態(tài)測(cè)量模式,在導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度測(cè)試評(píng)估試驗(yàn)中為被測(cè)試產(chǎn)品提供位置基準(zhǔn)。通過對(duì)野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,論證了PPP在導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度測(cè)試中的可行性,同時(shí)也為導(dǎo)航用戶一體機(jī)產(chǎn)品定位精度測(cè)試評(píng)估提供了一種可行的評(píng)測(cè)方案。

1精密單點(diǎn)定位模型

PPP通過引入IGS提供的衛(wèi)星精密軌道和鐘差,利用雙頻消電離層組合測(cè)碼偽距和載波相位觀測(cè)量,估計(jì)接收機(jī)坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差、天頂對(duì)流層延遲和載波相位模糊度這四類參數(shù),其單歷元觀測(cè)方程為[4-5]

(1)

2精密單點(diǎn)定位精度分析

測(cè)試過程分為靜態(tài)定位精度測(cè)試和動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試。在靜態(tài)定位精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,基準(zhǔn)點(diǎn)采用靜態(tài)精密單點(diǎn)定位模式進(jìn)行測(cè)量,采用天解結(jié)果作為基準(zhǔn)點(diǎn)最終的位置坐標(biāo)。圖1示出的是精密單點(diǎn)定位內(nèi)符合精度。在動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)采集于鄭州市周邊一段觀測(cè)條件比較好的路段,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所比較空曠,沒有樹木,高樓等的遮擋。同時(shí)在周邊架設(shè)基準(zhǔn)站,進(jìn)行同步觀測(cè),應(yīng)用相對(duì)定位測(cè)量模式檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位精度。圖2示出的是動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位外符合精度。

由以上精密單點(diǎn)定位精度分析可知,靜態(tài)精密單點(diǎn)定位精度在厘米級(jí),動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位精度達(dá)到亞分米級(jí)。盡管達(dá)不到動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的厘米級(jí)水平,但足以代替相對(duì)定位作為導(dǎo)航用戶產(chǎn)品定位精度測(cè)試評(píng)估的基準(zhǔn)。需要注意的是,動(dòng)態(tài)精密定位對(duì)觀測(cè)條件,數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求比較高,所以測(cè)試需在開闊地帶進(jìn)行,保證采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖1　靜態(tài)精密單點(diǎn)定位

圖2　動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位

統(tǒng)計(jì)X/mY/mZ/m差值均值0.0190.0410.02295%統(tǒng)計(jì)值0.0220.0430.023

表2　動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

3導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度測(cè)試評(píng)估

本次對(duì)導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度的測(cè)試主要進(jìn)行了不同環(huán)境情況下的定位精度測(cè)試、信號(hào)中斷后慣導(dǎo)定位精度有效時(shí)間、衛(wèi)星信號(hào)重連后恢復(fù)時(shí)間等測(cè)試。實(shí)驗(yàn)于2015年5月5日進(jìn)行,用NovAtel DL-V3接收機(jī)架設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)用于提供基準(zhǔn)坐標(biāo)。被測(cè)產(chǎn)品為市場(chǎng)中選取的某一導(dǎo)航用戶一體機(jī),承諾定位精度10 m.

3.1定位精度測(cè)試評(píng)估

定位精度的測(cè)試評(píng)估可分為靜態(tài)定位精度評(píng)估和動(dòng)態(tài)定位精度評(píng)估。靜態(tài)定位精度是指導(dǎo)航產(chǎn)品在靜止的情況下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,所測(cè)得的位置坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的差值。動(dòng)態(tài)定位精度是指導(dǎo)航產(chǎn)品在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行定位測(cè)量,將位置信息與PPP求得基準(zhǔn)位置信息進(jìn)行比較。

本次在實(shí)驗(yàn)靜態(tài)定位精度測(cè)試中,首先對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)精密單點(diǎn)定位,采用天解結(jié)果做為基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo);然后將用戶一體機(jī)天線架設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)上,由于用戶一體機(jī)天線定位精度在米級(jí),所以架設(shè)上允許存在厘米級(jí)的偏差;最后將測(cè)得的結(jié)果與基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較,評(píng)價(jià)該產(chǎn)品的精度。而動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試采用車載形式進(jìn)行。將兩臺(tái)NovAtel DL-V3接收機(jī)架設(shè)在導(dǎo)航用戶一體機(jī)天線兩側(cè),而導(dǎo)航用戶一體機(jī)位于基準(zhǔn)接收機(jī)中央,對(duì)基準(zhǔn)接收機(jī)分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位,導(dǎo)航用戶一體機(jī)采用接收機(jī)實(shí)時(shí)輸出的普通單點(diǎn)定位解(承諾定位精度10 m)。以基準(zhǔn)接收機(jī)每個(gè)歷元坐標(biāo)的平均值作為基準(zhǔn)坐標(biāo),與導(dǎo)航用戶一體機(jī)所測(cè)位置進(jìn)行比較,從而評(píng)價(jià)其精度。

具體測(cè)試精度結(jié)果如圖3、圖4、表3、表4所示。

圖3　導(dǎo)航用戶一體機(jī)靜態(tài)定位精度測(cè)試評(píng)估

圖4　導(dǎo)航用戶一體機(jī)動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試評(píng)估

表3　導(dǎo)航用戶一體機(jī)靜態(tài)定位精度測(cè)試

表4　導(dǎo)航用戶一體機(jī)動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)

3.2復(fù)雜場(chǎng)景測(cè)試評(píng)估

復(fù)雜場(chǎng)景測(cè)試是指在各種不同的測(cè)試場(chǎng)景下對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的定位性能進(jìn)行測(cè)試[1]。可能涉及的場(chǎng)景包括

1) 地理環(huán)境影響

當(dāng)導(dǎo)航用戶接收機(jī)處于較為復(fù)雜的地理環(huán)境中,如高樓林立的城區(qū),依據(jù)建筑物的大小和方位的不同,會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生不同的影響。

2) 遮擋

衛(wèi)星信號(hào)完全被建筑物或隧道等遮蔽,導(dǎo)航用戶接收機(jī)將不能繼續(xù)鎖定該信號(hào),遮擋持續(xù)的時(shí)間取決于特定的地理環(huán)境。

由于試驗(yàn)中既要完成復(fù)雜環(huán)境的定位精度測(cè)試,又要保證基準(zhǔn)點(diǎn)的定位精度。因此此場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)采用人為的方式對(duì)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行模擬。

3.2.1高樓密集場(chǎng)景定位精度測(cè)試評(píng)估

在導(dǎo)航用戶一體機(jī)天線兩側(cè)安置可以自動(dòng)豎起放下的擋板用于模擬高樓所帶來的遮擋,同時(shí)保證擋板對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)處接收機(jī)不造成干擾。模擬移動(dòng)載體在城市道路上行駛,道路兩側(cè)有高層,樓層預(yù)計(jì)為50層,高約200 m.依比例換算成擋板高度設(shè)置在接收機(jī)兩側(cè),測(cè)試時(shí)長(zhǎng)約20 min.在實(shí)驗(yàn)過程中,基準(zhǔn)接收機(jī)可見衛(wèi)星數(shù)8顆,導(dǎo)航用戶一體機(jī)可見衛(wèi)星數(shù)5顆。定位精度測(cè)試結(jié)果如圖5和表5所示。

測(cè)試評(píng)估結(jié)果表明,用戶一體機(jī)可以適應(yīng)城區(qū)比較復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境,基本能夠達(dá)到廠家所承諾的定位精度,可以滿足用戶的基本需求。

圖5　模擬城區(qū)樓群對(duì)信號(hào)遮擋時(shí)定位精度測(cè)試評(píng)估

統(tǒng)計(jì)E/mN/mU/m差值均值1.8712.1335.03295%統(tǒng)計(jì)值1.9392.2435.181

3.2.2信號(hào)完全被遮擋場(chǎng)景定位精度測(cè)試評(píng)估

信號(hào)完全被遮擋場(chǎng)景測(cè)試評(píng)估實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試信號(hào)被完全遮擋后慣導(dǎo)模塊導(dǎo)航定位的有效時(shí)間及恢復(fù)信號(hào)接收后,獲得有效定位所需的時(shí)間。因此采用插拔導(dǎo)航用戶一體機(jī)天線的方式對(duì)導(dǎo)航用戶一體機(jī)模擬信號(hào)被完全遮擋的場(chǎng)景。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)段內(nèi),22 503(天內(nèi)秒)接連天線,測(cè)試重新獲得信號(hào)后獲得定位所需時(shí)間;22 840拔掉天線,模擬隧道場(chǎng)景;24 155接連天線,恢復(fù)正常定位狀態(tài)。其中23621～23890期間,無坐標(biāo)輸出。在這個(gè)時(shí)段內(nèi),其中23703～23724和23964～24068,導(dǎo)航用戶一體機(jī)顯示未定位狀態(tài)?；鶞?zhǔn)接收機(jī)可見衛(wèi)星數(shù)8顆,導(dǎo)航用戶一體機(jī)可見衛(wèi)星數(shù)8顆。定位精度測(cè)試結(jié)果如圖6,圖7和表6所示。

圖6　模擬隧道信號(hào)遮擋定位精度測(cè)試評(píng)估

測(cè)試評(píng)估結(jié)果表明,用戶一體機(jī)從開始至定位正確(以承諾10 m的2倍為限值),約需300 s.與產(chǎn)品承諾冷啟動(dòng)定位時(shí)間5 min相符。從拔掉天線到定位失效(以承諾10 m的2倍為限值),約400 s.

圖7　模擬隧道信號(hào)遮擋定位精度測(cè)試評(píng)估(剔除粗值)

統(tǒng)計(jì)E/mN/mU/m差值均值(去除粗值)1.8262.1213.36595%統(tǒng)計(jì)值1.8962.2593.560

4結(jié)束語

本文通過對(duì)導(dǎo)航用戶一體機(jī)測(cè)試評(píng)估結(jié)果的分析表明,精密單點(diǎn)定位以其亞分米級(jí)的定位及測(cè)量模式不受基站限制等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到用戶產(chǎn)品測(cè)試中去,取代相對(duì)定位模式,作為用戶產(chǎn)品測(cè)試評(píng)估時(shí)提供測(cè)量基準(zhǔn)的方法。值得注意的是動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位對(duì)測(cè)量條件、數(shù)據(jù)質(zhì)量要求比較高。因此接下來要對(duì)動(dòng)態(tài)多系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位,精密單點(diǎn)定位快速收斂等方向進(jìn)行研究并應(yīng)用到實(shí)踐中,為導(dǎo)航未來的發(fā)展提供理論保障和技術(shù)支撐。

致謝:感謝信息工程大學(xué)iGMAS分析中心給予的幫助和支持。

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陳星宇(1989-),男,河北唐山人,碩士,現(xiàn)從事精密單點(diǎn)定位和完好性等方向研究。

陳猛(1988-),男,河南商丘人,碩士生,現(xiàn)從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程。

李建文(1971-),男,浙江富陽人,教授,現(xiàn)從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程與應(yīng)用研究。

Application of PPP in the Positioning Accuracy Test of Navigator

CHEN Xingyu1,CHEN Meng1,LI Jianwen1,WANG Shizhong2

(1.InstituteofNavigationandSpaceTargetEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China;2.Troops81804,Dalian116031,China)

Abstract: Because methods of positioning accuracy test and assessment of navigator in practical scene is imperfect and is limited by the environment of practical scene. In these methods, common method uses carrier phase relative positioning to achieve reference point coordinate in the positioning accuracy test of navigator. The accuracy of reference point coordinate is limited by the distance between reference station and the datum station. With the distance enlarged, the accuracy of reference point gradually declines and test mission wound be imperfectly accomplished. However, it can be achieved by dynamic PPP that the accuracy equaled with the accuracy of carrier phase relative positioning. The positioning mode of dynamic PPP has some special advantage, such as single station, global positioning. In this paper, based on dynamic PPP, a new method of positioning accuracy test and assessment is proposed. And used this method, a positioning accuracy test and assessment of navigator demonstrate that the method is feasible.

Keywords:GNSS navigator; PPP; positioning accuracy test and assessment

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.007

收稿日期：2015-11-16

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2016)02-0038-05

作者簡(jiǎn)介

聯(lián)系人： E-mail: chenxingyu0201@163.com