叢佃偉，許其鳳

(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.地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054)

GNSS動態(tài)定位性能評價研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

叢佃偉1，2，許其鳳1

(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.地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054)

摘要：定位性能是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)和核心，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位性能評價貫穿于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)、部署、運(yùn)行和擴(kuò)展等各個階段。針對GNSS動態(tài)定位性能評價方法展開研究，對當(dāng)前GNSS動態(tài)定位性能評價方法進(jìn)行分類和分析，指出幾種方法存在的不足之處，提出一種利用攝影/慣導(dǎo)組合測量方法建立GNSS動態(tài)定位性能檢定系統(tǒng)的基本思路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可為建立GNSS動態(tài)定位性能檢定系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：GNSS；動態(tài)定位；測試評估；檢定

0引言

定位性能是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的重要技術(shù)指標(biāo)，也是衡量GNSS技術(shù)水平的重要標(biāo)志。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)靜態(tài)定位性能與時域無關(guān)，其評價方法比較成熟，可以依托大地控制點(diǎn)進(jìn)行接收機(jī)靜態(tài)定位性能評價。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位模式具有定位精度高、定位結(jié)果瞬時性、動態(tài)范圍大、數(shù)據(jù)更新率高等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)給GNSS動態(tài)定位性能評價帶來了巨大的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外圍繞GNSS動態(tài)定位性能評價開展了大量的理論研究、仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際測試工作[1-4]。載體動態(tài)主要集中在低動態(tài)領(lǐng)域，研究方法主要采用GNSS實(shí)時動態(tài)測量(real time kinematic，RTK)方法等作為評定標(biāo)準(zhǔn)。

本文對當(dāng)前GNSS動態(tài)定位性能評價方法進(jìn)行了歸類，對歸類出的理論推算、模擬仿真和測試評估3種評價方法進(jìn)行了介紹，并分析了幾種方法的優(yōu)點(diǎn)及不足之處；最后對動態(tài)定位性能評價的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了探討，介紹了利用多節(jié)點(diǎn)攝影/慣導(dǎo)組合測量方法建立GNSS動態(tài)定位性能檢定系統(tǒng)的基本思路，并闡述了其能夠?qū)崿F(xiàn)的動態(tài)定位性能及作為檢定系統(tǒng)的可行性。

1動態(tài)定位性能理論推算法

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，影響用戶導(dǎo)航定位授時精度的因素包括導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的空間信號(signal-in-space，SIS)的精度性能、接收機(jī)及測量環(huán)境相關(guān)的精度性能以及與用戶使用服務(wù)時的時空要素相關(guān)因素決定的精度性能等3部分。其中，前2個內(nèi)容以用戶等效距離誤差(user equivalent range error，UERE)表示，后面內(nèi)容用精度衰減因子(dilution of precision，DOP)衡量。UERE由用戶測距誤差(user range error，URE)和用戶設(shè)備誤差(user equipment error，UEE)組成，URE綜合反映了控制段、空間段對于精度的影響，基本上反映了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計性能；UEE反映了用戶段對于精度的影響，還包括環(huán)境段產(chǎn)生的影響。DOP值反映接收機(jī)與可見衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)對用戶測距誤差的放大效應(yīng)。美國全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)定義的位置、速度和授時精度評估方程為[5-6]：

(1)

式中:UHNE為用戶水平導(dǎo)航誤差；UVNE為用戶垂直導(dǎo)航誤差；HDOP為水平精度衰減因子；VDOP為垂直精度衰減因子。

定位精度指標(biāo)是基于單點(diǎn)最壞情況、同時有2顆衛(wèi)星運(yùn)行時效DOP最大時的前提下統(tǒng)計出的，DOP取95%值。在忽略環(huán)境段和用戶段等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無法控制的影響因素情況下，認(rèn)為UERE近似等于SIS URE。GPS SPS標(biāo)準(zhǔn)定位性能規(guī)范中通過均勻分布在衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的空間點(diǎn)來估計URE瞬時值，計算方法如為

(2)

式中：T為授時誤差；c為光速；R、A、C分別為軌道徑向、切向、法向誤差。

美國國防部已經(jīng)從1993年開始先后發(fā)布了5個版本的GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)文檔(GPS SPS PS)用于向全球展示并承諾GPS的服務(wù)性能。GPS SPS PS的發(fā)布主導(dǎo)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)及其評估指標(biāo)體系，事實(shí)上已經(jīng)成為目前GNSS的性能評估標(biāo)準(zhǔn)。

俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)依托俄羅斯信息分析中心和俄羅斯太空設(shè)備研究所等機(jī)構(gòu)開展性能監(jiān)測工作。俄羅斯信息分析中心負(fù)責(zé)監(jiān)測GLONASS的服務(wù)性能，發(fā)布系統(tǒng)性能報告。俄羅斯太空設(shè)備工程研究所開發(fā)了與差分校正監(jiān)測系統(tǒng)項(xiàng)目(system of differential correction and monitoring，SDCM)相關(guān)的網(wǎng)站，公開發(fā)布SDCM監(jiān)測站、實(shí)時監(jiān)測結(jié)果、事后監(jiān)測結(jié)果、精密定位結(jié)果和簡要報告等。

根據(jù)我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)公開服務(wù)性能規(guī)范(1.0版)的描述，空間信號精度采用誤差的統(tǒng)計量描述，數(shù)值為正常運(yùn)行條件下任意健康衛(wèi)星的誤差統(tǒng)計值(95%置信度)。空間信號精度主要有用戶距離誤差(URE)、URE的變化率(URRE)、URRE的變化率(URAE)、協(xié)調(diào)世界時偏差誤差(UTC offset error，UTCOE)4個參數(shù)。BDS公開服務(wù)空間信號URE用瞬時URE統(tǒng)計值表示，指在不包含測量誤差和接收機(jī)鐘差條件下利用導(dǎo)航電文參數(shù)得到的偽距值與實(shí)際觀測衛(wèi)星信號得到的偽距值之差。參考GPS關(guān)于定位精度評估方程，可以推導(dǎo)得到BDS URE的計算公式為

(3)

式中：T為授時誤差；c為光速；R、A、C分別為軌道徑向、切向、法向誤差。

動態(tài)定位性能理論推算法利用DOP值和URE對定位性能進(jìn)行理論推估，能總體反映衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能；但忽略了用戶段和環(huán)境段的影響，也未考慮載體動態(tài)特性可能對定位性能的影響：因此可能與系統(tǒng)和用戶實(shí)際獲得的動態(tài)定位性能存在偏差。

2動態(tài)定位性能模擬仿真法

模擬仿真法通過利用軟硬件仿真實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的各個組成(包括空間段、地面段及用戶段)來評估衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可能達(dá)到的定位精度。數(shù)學(xué)仿真單元主要完成衛(wèi)星星座的軌道仿真、空間環(huán)境仿真、用戶軌跡仿真、誤差仿真和觀測數(shù)據(jù)仿真，模擬產(chǎn)生地面接收觀測到的測量數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文；射頻仿真單元根據(jù)輸入的觀測數(shù)據(jù)實(shí)時生成符合衛(wèi)星信號格式和信號質(zhì)量的射頻信號。利用實(shí)際的接收機(jī)接收模擬信號，接收機(jī)的工作方式與實(shí)際測量過程一樣。

為滿足歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)建設(shè)和GPS現(xiàn)代化升級需要，研究人員開發(fā)了多個旨在進(jìn)行GNSS系統(tǒng)性能評估和優(yōu)化的工具軟件。ELCANO軟件用于優(yōu)化導(dǎo)航和通信星座的工具，能夠評估和分析導(dǎo)航系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，諸如在在各種場景條件下進(jìn)行GNSS的性能計算與評估[7]。Galileo研究小組研發(fā)了GSSF仿真軟件工具，除了具有各種星座、空間環(huán)境以及用戶段的仿真外，還可以進(jìn)行各種場景條件下的系統(tǒng)性能評估，為Galileo各種服務(wù)性能的評估以及星座優(yōu)化、性能指標(biāo)分配提供了功能非常強(qiáng)大、使用方便的工具軟件[8]。

國內(nèi)信息工程大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)54所等多家單位進(jìn)行了相應(yīng)的研究并研發(fā)了專用的設(shè)備[9-11]。

系統(tǒng)模擬仿真法的優(yōu)點(diǎn)是可以對接收機(jī)可以進(jìn)行較全面的考核，適用于靜態(tài)、低動態(tài)、高動態(tài)各種情況下的定位性能評估；可以根據(jù)需要模擬各種動態(tài)指標(biāo)生成動態(tài)軌跡進(jìn)行性能仿真，解算結(jié)果與已知軌跡比較即可獲定位解算精度。主要缺點(diǎn)是對動態(tài)定位精度的考核不夠充分，這種方式得到的精度結(jié)果與所搭建系統(tǒng)的模型與實(shí)際情況的契合程度密切相關(guān)。

3動態(tài)定位性能測試評估法

衛(wèi)星導(dǎo)航動態(tài)定位的瞬時性、不可重復(fù)性、定位的高精度m級)增加了對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位性能評估的難度，高精度的傳統(tǒng)測繪手段難以發(fā)揮作用。目前主要有地面無線電測距法、差分GNSS法、GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)(precise point positioning，PPP)法、較差攝影測量法等。

3.1地面無線電測距法

無線電測量定位技術(shù)主要利用電磁波傳播基本特性，通過接收、發(fā)射和處理無線電波，測量無線電發(fā)射臺發(fā)射信號的相位、時間、振幅、頻率等信息，計算載體相對于發(fā)射臺的距離、方向、距離差、速度等，以確定運(yùn)動載體與發(fā)射臺之間的相對位置關(guān)系;若利用3個以上位置已知的發(fā)射臺，可求得載體的動態(tài)位置?？煞譃闇y角(方位角或高低角)、測距、測距差和測速幾種方式，目前精度較高的是測距系統(tǒng)。

地面無線電測距法適用于靜態(tài)、低動態(tài)、高動態(tài)情況。美國早在GPS系統(tǒng)開發(fā)期間，在亞利桑那州建成了YUMA衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)場(1974年)，利用在地面數(shù)個已知點(diǎn)上設(shè)置專用無線電測距儀對發(fā)射無線電信號的載體進(jìn)行測距，來解算動態(tài)載體的3維位置，精度為m級[1]。該方法與GNSS定位原理在本質(zhì)上相同，均為基于無線電測距的空間后方交會方法，難以消除系統(tǒng)性誤差的影響。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的不斷提高，該方法滿足動態(tài)定位精度評估的難度也隨之加大。

3.2差分GNSS法、GNSS PPP法

差分GNSS法、GNSS PPP法是國內(nèi)外采用最多的2種衛(wèi)星導(dǎo)航性能測試方法。差分GNSS法利用差分GNSS設(shè)備的定位結(jié)果評估被檢接收機(jī)的動態(tài)定位精度，可分為偽距差分和載波相位差分2種方式，偽距差分的精度在m級，載波相位差分的精度可達(dá)到dm級。我國BDS建成后，其動態(tài)定位性能評估以差分GPS(偽距差分)作為評估標(biāo)準(zhǔn)，動態(tài)范圍為0～100 km/h，不確定度為5 m。BDS區(qū)域系統(tǒng)建成后，國內(nèi)信息工程大學(xué)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位總站利用差分GNSS和GNSS PPP技術(shù)做了大量的BDS動態(tài)定位性能驗(yàn)證試驗(yàn)(如圖1所示)。在繞城試驗(yàn)線路中，在距離試驗(yàn)場地適當(dāng)?shù)膮^(qū)域內(nèi)的一個已知點(diǎn)上設(shè)置雙頻測量型GPS接收機(jī)，在試驗(yàn)車輛適當(dāng)部位設(shè)置測量型GPS接收機(jī)和多個BDS定位型用戶天線，并用相應(yīng)的接收機(jī)接收數(shù)據(jù)，以實(shí)時或事后差分GPS(載波相位差分)作為比對標(biāo)準(zhǔn)評估BDS接收機(jī)動態(tài)定位結(jié)果。

圖1　利用GPS PPP進(jìn)行城際和遠(yuǎn)洋試驗(yàn)裝備圖

PPP的基本思想是將衛(wèi)星定位誤差分為衛(wèi)星鐘差、軌道誤差、接收機(jī)鐘差、電離層延遲和對流層延遲誤差，將定位中的衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差固定為一個全球網(wǎng)絡(luò)，解算出高精度衛(wèi)星軌道和鐘差(如國際GNSS服務(wù)組織發(fā)布的高精度GPS衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品)；利用電離層組合觀測值消除電離層延遲的影響，將接收機(jī)鐘差和對流層延遲作為未知參數(shù)與測站坐標(biāo)一起求解得到高精度定位成果。國際上比較知名的具有PPP功能的軟件有：美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的GIPSY軟件、瑞士的BERNESE軟件、德國的EPOS軟件、GAMIT、徠卡(Leica)公司的IPAS PPP以及國內(nèi)的TriP軟件等。在BDS區(qū)域系統(tǒng)的城際和遠(yuǎn)洋動態(tài)試驗(yàn)中，曾采用GPS PPP結(jié)果作為評估標(biāo)準(zhǔn)，其理論動態(tài)定位精度可達(dá)到m級以內(nèi)。

地面無線電測距法、差分GNSS法、GNSS PPP法本質(zhì)上也是無線電測量方法，與衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理一樣屬于基于無線電測距的空間后方交會方法，評估系統(tǒng)與被評估系統(tǒng)在觀測量、解算方法等方面存在一定的相關(guān)性，難以消除系統(tǒng)性偏差對評估結(jié)果的影響。差分GNSS法、GNSS PPP方法還屬于利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)評估衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，偽距差分精度難以滿足要求，載波相位差分、GNSS PPP方法對載體的運(yùn)動狀態(tài)有限制，要求在測量過程中接收機(jī)不能失鎖。

3.3攝影測量方法

攝影測量技術(shù)采用光學(xué)定位方法和攝影測量原理，利用像片坐標(biāo)解算其成像目標(biāo)的空間位置。依據(jù)攝站的數(shù)量可分為單攝站攝影定位、多攝站攝影定位；依據(jù)定位方法可分為后方交會法、前方交會法[12]。2004年，信息工程大學(xué)在鄭州建立了GPS接收機(jī)綜合檢定場，除具備進(jìn)行常規(guī)的接收機(jī)檢測能力外，還利用電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)動態(tài)較差攝影定位法實(shí)現(xiàn)了GPS接收機(jī)(2維方向)的動態(tài)性能測試[13];利用安放在車載裝置上的2臺相互垂直的CCD數(shù)碼相機(jī)同時對坐標(biāo)已知的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行攝影，綜合利用攝影裝置與標(biāo)志點(diǎn)角度觀測量與所在區(qū)域高程庫信息來解算攝影裝置的高精度坐標(biāo)：由于受車載方式限制，動態(tài)范圍小于100 km/h[14]。

4定位性能評價方法研究進(jìn)展

前述幾種定位性能的評價方法在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計、研發(fā)、部署、運(yùn)行、擴(kuò)展和應(yīng)用階段具有較高的指導(dǎo)意義；但目前國內(nèi)外尚未建立計量意義上獨(dú)立于衛(wèi)星測量手段的GNSS動態(tài)定位性能檢定系統(tǒng)。

信息工程大學(xué)提出了一種獨(dú)立于衛(wèi)星測量手段的動態(tài)定位性能檢定方法[15]，檢定系統(tǒng)組成如圖2所示，其數(shù)據(jù)處理過程如圖3所示。該方法從GNSS動態(tài)定位檢定允許事后數(shù)據(jù)處理及提高組合定位精度角度出發(fā)，提出了區(qū)別于組合導(dǎo)航濾波算法的多節(jié)點(diǎn)攝影/慣導(dǎo)組合測量方法：將多節(jié)點(diǎn)攝影信息應(yīng)用到捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差傳播模型，利用最小二乘最優(yōu)估計法統(tǒng)一解算慣導(dǎo)誤差參數(shù)，使動態(tài)定位檢定系統(tǒng)在檢定節(jié)點(diǎn)間內(nèi)能輸出均勻的高定位精度和高數(shù)據(jù)更新率數(shù)據(jù)。

圖2　GNSS動態(tài)定位性能檢定系統(tǒng)組成

圖3　攝影/慣導(dǎo)組合定位方法數(shù)據(jù)處理過程

文獻(xiàn)[16]中對多節(jié)點(diǎn)攝影/慣導(dǎo)組合測量方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究并建立了如圖4所示的溯源體系[16]。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際試驗(yàn)，設(shè)計的動態(tài)定位檢定系統(tǒng)水平定位不確定度優(yōu)于0.68 m、垂直方向定位不確定度優(yōu)于1 m，數(shù)據(jù)更新率為200 Hz；實(shí)現(xiàn)了高定位精度和高數(shù)據(jù)更新率的統(tǒng)一，能夠滿足現(xiàn)階段GNSS動態(tài)定位性能檢測的需求：是一種可行的獨(dú)立于衛(wèi)星測量手段的GNSS動態(tài)定位性能評價方法。

圖4　GNSS動態(tài)定位性能檢定系統(tǒng)溯源流程

5結(jié)束語

測試、計量是從客觀事物中提取所需信息，借以認(rèn)識客觀事物并掌握其客觀規(guī)律的一種科學(xué)方法；測試、計量技術(shù)則是通過測試手段實(shí)現(xiàn)上述方法的技術(shù)；基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)是測試計量技術(shù)水平的最高表現(xiàn)形式[17]。

動態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)是動態(tài)定位性能測試評估技術(shù)的最高表現(xiàn)形式；目前國內(nèi)外尚未建立計量意義上的GNSS動態(tài)定位性能檢定規(guī)范：因此我國需要在完善現(xiàn)有GNSS動態(tài)定位評價方法基礎(chǔ)上，探求建立獨(dú)立于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS動態(tài)定位性能檢定方法。GNSS動態(tài)定位性能檢定技術(shù)研究不僅是測試評估方法發(fā)展的需要，對BDS建設(shè)也有重要價值。論文提出的多節(jié)點(diǎn)攝影/慣導(dǎo)組合測量方法是建立GNSS動態(tài)定位性能檢定系統(tǒng)的有益探索。

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Research status and advances of accuracy evaluation methods for GNSS kinematic positioning

CONG Dianwei1，2，XU Qifeng1

(1.Institute of Navigation and Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou 450001，China;2.State Key Laboratory of Geo-information Engineering，Xi’an 710054，China)

Abstract：The positioning accuracy of the GNSS is an important technical indicator.Test and evaluation of positioning performance always play an important role throughout the design stage，development stage，deployment stage，operational stage，and so on.The paper studied on the issue of GNSS kinematic positioning accuracy evaluation methods.It pointed out the disadvantages of the current evaluation methods，and then proposed to build a kinematic positioning calibration system using the photography/SINS integrated measurement technology.Experimental result showed its to feasibility in the simulation and practical test.

Keywords：GNSS；kinematic positioning；test and evaluation；calibration

收稿日期：2015-09-28

基金項(xiàng)目：地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目(SKLGIE2015-M-2-5)。

第一作者簡介：叢佃偉(1982—)，男，山東濰坊人，博士，講師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航及應(yīng)用。

中圖分類號：P228

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-4999(2016)02-0001-05

引文格式：叢佃偉，許其鳳.GNSS動態(tài)定位性能評價研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2016，4(2)：1-5.(CONG Dianwei，XU Qifeng.Research status and advances of GNSS accuracy evaluation methods for kinematic positioning[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：1-5.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160201.