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        基于短基線的北斗動動定位方法的幾點(diǎn)探討

        2016-08-10 08:01:58徐冠楠
        測繪通報(bào) 2016年7期
        關(guān)鍵詞:動動歷元慣導(dǎo)

        章 暢,汪 捷,徐冠楠

        (海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系,湖北武漢430033)

        基于短基線的北斗動動定位方法的幾點(diǎn)探討

        章暢,汪捷,徐冠楠

        (海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系,湖北武漢430033)

        針對北斗動動定位中接收機(jī)信號易受遮擋導(dǎo)致無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行相對基線測量的問題,本文提出了一種利用慣性測量信息輔助動態(tài)模糊度的解算方法。通過載波相位差分觀測方程與慣導(dǎo)觀測方程組合的方式,討論在共視衛(wèi)星數(shù)目在不同觀測條件下的模糊度求解方法。在此基礎(chǔ)上,建立了基于慣導(dǎo)信息輔助的動動定位組合試驗(yàn)系統(tǒng),利用車載試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)測試。結(jié)果表明,在可視衛(wèi)星數(shù)目較少的情況下,BDS定位精度效果優(yōu)于GPS;利用IMU信息輔助提高了定位連續(xù)性和精度。

        北斗動動定位;慣性測量信息;動態(tài)模糊度;車載試驗(yàn)

        傳統(tǒng)的動動定位方程大都基于載波相位雙差模型,在衛(wèi)星數(shù)目為N的情況下未知數(shù)個數(shù)為N-1個模糊度和3個坐標(biāo)未知數(shù)。而根據(jù)觀測方程求解模糊度的特點(diǎn),在觀測歷元較少時(shí),利用如LAMBDA法、最小二乘法等法解算模糊度時(shí)會出現(xiàn)法方程秩虧的現(xiàn)象,導(dǎo)致無法順利求解模糊度。因此如何解決復(fù)雜觀測條件下解算動態(tài)模糊度的問題成為研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。針對雙頻觀測模型,本文提出利用寬巷組合的模式,通過分步消元的方法進(jìn)行模糊度求解。

        一、動態(tài)模糊度解算

        BDS動動定位通常采用雙差觀測模型,現(xiàn)在此基礎(chǔ)上,通過IMU觀測信息融合輔助。在可視衛(wèi)星數(shù)目大于4顆時(shí),既可以根據(jù)傳統(tǒng)的最小二乘法求解模糊度,也可以通過濾波法求解模糊度,不作詳細(xì)討論?,F(xiàn)著重討論可見衛(wèi)星數(shù)目或4顆兩種條件下的模糊度解算方法。

        在可見的衛(wèi)星數(shù)目小于4顆時(shí),由BDS觀測方程可知未知數(shù)個數(shù)大于觀測方程個數(shù),故無法求解模糊度和基線向量。

        假設(shè)INS短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)航輸出的三維位置為RINS,在可見衛(wèi)星數(shù)目小于4顆時(shí),分別聯(lián)立偽距、載波相位以及INS輸出的位置并作線性化可以得到如下組合觀測方程

        需要注意的是,由于可見衛(wèi)星數(shù)目不足4顆的原因,導(dǎo)致模糊度的變量個數(shù)小于4個,有些情況甚至只有1個,對上述組合方程利用最小二乘法解算,便可以得到模糊度浮點(diǎn)解,記為 N21,N21,…,Nn1(2 ≤n≤4)。

        設(shè)慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)矩陣為Cb,RIb為利用慣導(dǎo)輸出信息解算得到的基線向量,Rb為兩個動態(tài)站搭載的衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)天線構(gòu)成的基線在坐標(biāo)系中的向量,φ為慣導(dǎo)平臺誤差角向量。利用本文算法得出的由慣導(dǎo)輸出信息求得的基線向量為

        通過組合濾波輸出的方差陣可以得出利用慣導(dǎo)位置計(jì)算的基線向量方差陣為

        因此,由雙差載波相位觀測方程與慣導(dǎo)輸出的基線向量和方差矩陣得出模糊度向量為

        二、試驗(yàn)驗(yàn)證

        2015年2月10日于武漢市解放大道古田路一段足夠長的15°斜坡上開展測試。其中接收機(jī)均為雙頻Novatel公司的BDS+GPS差分型。

        試驗(yàn)過程中,移動站車輛從一個15°左右的坡上向下駛向移動基站車輛,移動基站車輛在坡下做低速運(yùn)動。接收機(jī)的定位模式設(shè)置為BDS+GPS組合定位,衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°,數(shù)據(jù)更新頻率為1 Hz,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存,整個試驗(yàn)過程時(shí)長為4 h。

        事后對整個試驗(yàn)過程采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,總時(shí)長大約1 h,記為S1,如圖1所示。

        圖1 試驗(yàn)過程相對基線變化

        事后進(jìn)行BDS單歷元與GPS單歷元定位分析。首先對試驗(yàn)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行雙頻事后處理,其中GPS采用L1和L2頻率,BDS采用B1和B2頻率,處理方法和上述單歷元定位方法一致。圖2分別給出了在S1時(shí)段的衛(wèi)星數(shù)變化,利用B1(L1)搜素最佳模糊度的Ratio值和定位誤差PosError,記為σ,計(jì)算方法如下σ=^σ0·PDOP式中,^σ0為驗(yàn)后的單位權(quán)重誤差;PDOP為相對定位的幾何精度衰減因子。通常,往往用σ的大小來檢驗(yàn)定位結(jié)果的正確性。在短基線(小于10 km)情況下,σ一般小于0.05 m,如果出現(xiàn)大于0.10 m的情況,則表明解算結(jié)果錯誤。S1時(shí)段指標(biāo)如圖 2所示。

        為更好地定量分析,對上述結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算(見表1)。

        圖2 試驗(yàn)過程單歷元解算結(jié)果

        表1 試驗(yàn)過程中BDS和GPS相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        從表1可以看出,BDS平均可視衛(wèi)星數(shù)在整個試驗(yàn)過程中多于GPS,并且BDS所有歷元都可以完成正常解算,而GPS在S1時(shí)段有38個無法解算;Ratio值方面,一般而言,Ratio值大于3認(rèn)為模糊度固定成功,由表1可見,BDS對B1模糊度搜索的Ratio平均值大于GPS搜索L1的模糊度Ratio平均值,且BDS的模糊度固定成功率高于GPS;從pos值來看,BDS平均值小于5 cm的歷元均大于99%,而相應(yīng)的GPS只有96%左右。

        對整個過程的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行95%的置信概率統(tǒng)計(jì)精度分析,可以得到BDS系統(tǒng)的水平、垂直和三維定位精度(見表2)。

        表2 BDS系統(tǒng)定位精度結(jié)果

        1.加入IMU信息的輔助分析

        為測試加入IMU信息對BDS動動定位精度的效果,現(xiàn)對流動站采集的IMU信息和BDS差分信息進(jìn)行濾波解算,得到的各歷元基線矢量分量和長度變化如圖3所示。

        將上述解算結(jié)果與商業(yè)動態(tài)組合處理軟件Interial explorer(可解算GPS+IMU組合信息,解算精度高)的結(jié)果進(jìn)行比較,得到其偏差如圖4所示。

        圖3 BDS+IMU濾波解算的分量變化

        圖4 BDS+IMU單歷元解與IE結(jié)果差值序列

        對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行95%置信概率的統(tǒng)計(jì)精度分析,其中n=180,利用相關(guān)公式得出N、E、U向的精度見表3。

        表3 BDS+INS動動定位精度結(jié)果 m

        結(jié)合表2和表3可以看出,經(jīng)過IMU信息輔助的BDS動動定位的水平精度可以達(dá)到0.224 m,垂直定位精度為0.328 m(2σ,95%),優(yōu)于原BDS單系統(tǒng)動動定位效果。

        三、結(jié)束語

        通過本文北斗動動定位試驗(yàn)分析可知,可視衛(wèi)星數(shù)目直接影響動動定位的精度和效果,在可見衛(wèi)星數(shù)目較少的情況下,BDS動動定位精度優(yōu)于GPS;同時(shí)提出了利用IMU信息輔助動動定位的方法并進(jìn)行了相關(guān)測試,結(jié)果表明,經(jīng)過IMU輔助之后的BDS動動定位較單BDS動動定位在精度和實(shí)時(shí)性方面都有所改善。

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        Some Research on BeiDou Kinematic-to-kinematic Positioning Method Based on Short Baseline

        ZHANG Chang,WANG Jie,XU Guannan

        10.13474/j.cnki.11-2246.2016. 0214.

        P228

        B

        0494-0911(2016)07-0014-03

        2015-08-14;

        2016-05-18

        總裝“十二五”預(yù)研基金項(xiàng)目(9140A24020713JB11001);裝備預(yù)研基金(51324040103)

        章 暢(1988—),男,碩士,主要研究方向?yàn)楸倍穼?dǎo)航定位以及測控遙感等。E-mail:626852648@qq.com

        引文格式:章暢,汪捷,徐冠楠.基于短基線的北斗動動定位方法的幾點(diǎn)探討[J].測繪通報(bào),2016(7):14-16.

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