王浩源,孫付平,肖凱

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,河南 鄭州 450001; 2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450001)

PPP/INS組合系統(tǒng)研究進(jìn)展與展望

王浩源1,2,孫付平1,2,肖凱1,2

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,河南 鄭州 450001; 2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450001)

隨著GNSS多系統(tǒng)的建設(shè),精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)向著實(shí)時固定解方向發(fā)展,PPP/INS組合系統(tǒng)因無需布設(shè)基準(zhǔn)站,在導(dǎo)航測繪領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。本文系統(tǒng)總結(jié)了GNSS多系統(tǒng)、PPP模糊度固定、INS輔助對PPP/INS組合系統(tǒng)的貢獻(xiàn),以及組合系統(tǒng)在濾波方法、平滑算法、隨機(jī)模型建立等方面的工作,并展望了PPP/INS組合系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

精密單點(diǎn)定位;慣性導(dǎo)航系統(tǒng);組合系統(tǒng);模糊度固定;濾波

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是現(xiàn)代導(dǎo)航定位的兩大主要手段,兩者融合互補(bǔ),構(gòu)成定位、測速、定姿一體化的GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。目前,在移動測圖系統(tǒng)、航空測量系統(tǒng)等導(dǎo)航測繪領(lǐng)域,普遍使用的是基于載波相位觀測值的DGNSS/INS(Difference GNSS)組合系統(tǒng),具有快速高效獲取完整導(dǎo)航參數(shù)的優(yōu)勢,工作原理是基于流動站與基準(zhǔn)站之間的時空相關(guān)性,進(jìn)行站星間雙差消除GNSS觀測誤差,這就限制了系統(tǒng)的作業(yè)范圍,同時需布置基準(zhǔn)站增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性[2]。

精密單點(diǎn)定位(PPP),使用單臺GNSS雙頻接收機(jī)的偽距和載波相位觀測量,利用國際GNSS服務(wù)組織(IGS)提供的精密軌道和鐘差產(chǎn)品,綜合考慮各種誤差的精確模型改正,進(jìn)行單點(diǎn)絕對定位的技術(shù)。PPP技術(shù)集成了標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位和相對定位的優(yōu)點(diǎn),具有作業(yè)靈活,不受作業(yè)距離限制等特點(diǎn),可應(yīng)用于大面積航空測量、海上測量以及不易架設(shè)基準(zhǔn)站的偏遠(yuǎn)地區(qū)[3]。但在城市峽谷、橋梁隧道等遮擋環(huán)境下,可見衛(wèi)星的數(shù)量不能滿足定位要求,同時模糊度參數(shù)的初始收斂或信號中斷后的重新收斂時間較長,PPP定位的可靠性和穩(wěn)定性受限。

PPP/INS組合系統(tǒng)可以有效彌補(bǔ)上述不足,一方面PPP可以克服DGNSS需要布設(shè)基準(zhǔn)站的不足,擺脫基準(zhǔn)站對作業(yè)范圍的限制,進(jìn)一步拓展應(yīng)用場景;另一方面INS可以克服PPP重新收斂時間較長的不足,充分利用INS短時精度高和導(dǎo)航參數(shù)完整的優(yōu)勢,快速高效獲取導(dǎo)航測繪信息,在特定場合下能夠成為DGNSS/INS組合系統(tǒng)的替代選擇。

1 PPP/INS組合系統(tǒng)前期發(fā)展

在DGNSS/INS組合系統(tǒng)取得深入研究與廣泛應(yīng)用后,不少學(xué)者相繼開展了PPP/INS組合系統(tǒng)的研究,表1示出了2010年以前PPP/INS組合系統(tǒng)的研究情況。從定位精度方面來看,PPP/INS組合基本能取得和DGNSS/INS組合相當(dāng)?shù)木?因操作靈活,在難以布設(shè)基準(zhǔn)站接收機(jī)的地方能夠成為替代選擇。PPP/INS組合的解算質(zhì)量存在差異,與觀測環(huán)境和數(shù)據(jù)采集時長有關(guān)。當(dāng)觀測環(huán)境良好時,PPP/INS松組合和緊組合精度相當(dāng);當(dāng)觀測環(huán)境較差或出現(xiàn)GNSS信號短期中斷時,松組合定位精度將下降,與僅PPP相比基本沒有改進(jìn),而緊組合依然改善明顯,提供更魯棒的定位結(jié)果。在初始收斂段及GNSS信號中斷恢復(fù)后的重新收斂段,PPP/INS組合系統(tǒng)的定位精度仍不理想,因?yàn)樵赑PP處理中,是把模糊度作為浮點(diǎn)解進(jìn)行估計,需要一定時間才能收斂到真值[4]。針對后處理應(yīng)用,當(dāng)觀測時間較長(大于4 h)時,可通過前后向平滑算法來提高收斂段精度,當(dāng)觀測時間較短時,可通過多向?yàn)V波處理(即前向,后向,再前向,每次保留已收斂的濾波狀態(tài))來改善收斂段的精度[5]。針對實(shí)時應(yīng)用,需要發(fā)展適用于PPP的快速模糊度收斂技術(shù)。

表1 2010年以前PPP/INS組合研究情況

在2010年以前的PPP/INS組合系統(tǒng)的研究中,都是基于GPS單系統(tǒng)和高精度INS的組合,需要良好的觀測環(huán)境才能取得較理想的精度,同時系統(tǒng)成本較高,限制了其發(fā)展與應(yīng)用。隨著GNSS多系統(tǒng)、PPP模糊度固定技術(shù)、基于微機(jī)電傳感器(MEMS)的INS的發(fā)展,可用衛(wèi)星數(shù)明顯增加、站星間空間幾何強(qiáng)度明顯改善、模糊度參數(shù)的收斂速度明顯提高、INS短時精度高的潛力被挖掘,近兩年,PPP/INS組合系統(tǒng)再次成為研究熱點(diǎn)。

2 PPP/INS組合系統(tǒng)研究進(jìn)展

2.1GNSS多系統(tǒng)對PPP/INS組合的貢獻(xiàn)

PPP/INS組合系統(tǒng)的定位精度主要由PPP決定:一方面受可用衛(wèi)星數(shù)和站星間空間幾何構(gòu)型影響,可通過GNSS多系統(tǒng)有效解決;另一方面受偽距觀測質(zhì)量和載波相位連續(xù)性的影響,與用戶觀測環(huán)境有關(guān),難以控制[9]。目前,美國的GPS和俄羅斯的GLONASS具備完整星座,可提供全球覆蓋的完全運(yùn)行能力;中國的BDS從2012底開始為亞太地區(qū)提供區(qū)域服務(wù),目前正在全球組網(wǎng);歐盟的GALILEO已完成了在軌驗(yàn)證階段,在2016年底提供初始服務(wù)。目前,超過80顆GNSS衛(wèi)星在軌運(yùn)行,在開放條件下可同時使用超過20顆衛(wèi)星進(jìn)行定位、導(dǎo)航與授時(PNT)服務(wù),相比之下,單GPS系統(tǒng)僅含32顆衛(wèi)星,每個歷元的可用衛(wèi)星至多有14顆,通常要更少。文獻(xiàn)[10]的研究表明,通過使用GNSS多系統(tǒng)數(shù)據(jù),衛(wèi)星的可用性、空間幾何強(qiáng)度及精度衰減因子將明顯改善,同時PPP在精度、可用性和連續(xù)性方面的性能也將明顯提升。文獻(xiàn)[11]對三系統(tǒng)(GPS+GLONASS+BDS)PPP和戰(zhàn)術(shù)級INS緊組合進(jìn)行了研究,一組機(jī)載實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,相比僅GPS解,多系統(tǒng)PPP不僅使位置時間序列更加穩(wěn)定,而且提供了更好的定位精度,在北、東、天三個方向上分別提高20%、50%和30%.同時,隨著衛(wèi)星截止高度角從10°增加到35°,多系統(tǒng)PPP/INS組合在水平方向的位置精度幾乎沒有損失,結(jié)果還表明,GNSS多系統(tǒng)數(shù)據(jù)對PPP/INS組合的速度和姿態(tài)精度的影響有限,這主要取決于INS自身性能。文獻(xiàn)[12]對三星座(GPS+GLONASS+GALILEO)PPP和基于MEMS的慣性系統(tǒng)的緊組合進(jìn)行了研究,對GNSS觀測量進(jìn)行了非差和星間單差的無電離層線性組合處理,兩組跑車實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)GNSS測量更新可用時,可實(shí)現(xiàn)厘米到分米級的定位精度,與僅使用GPS相比,GLONASS和GALILEO的加入提高了定位精度,星間單差模式能獲得更好的定位精度;在GNSS短時中斷期間,定位精度會降到分米級,非差和星間單差模式精度相當(dāng)。

2.2PPP模糊度固定對PPP/INS組合的貢獻(xiàn)

傳統(tǒng)的PPP/INS組合都是基于模糊度浮點(diǎn)解,這需要較長的收斂時間,且定位精度不可靠,與DGNSS/INS組合穩(wěn)定的厘米級定位精度還有差距。PPP模糊度固定技術(shù)已被證明可以有效縮短收斂時間和提高定位精度,其關(guān)鍵在于處理觀測值中的偏差項(xiàng),進(jìn)而恢復(fù)模糊度的整數(shù)特性,PPP模糊度解算方法主要分為三種,即小數(shù)偏差法、整數(shù)相位鐘法和鐘差解耦法。目前,武漢大學(xué)提供基于小數(shù)偏差法的公開產(chǎn)品(ftp://gnss.sgg.whu.edu.cn/products),法國CNES中心提供基于整數(shù)相位鐘法的公開產(chǎn)品(ftp://cddis.gsfcnasa.gov/gnss/products),用戶可從服務(wù)端下載產(chǎn)品用于模糊度固定。文獻(xiàn)[13]推導(dǎo)了基于整數(shù)相位鐘法的模糊度固定解PPP/INS緊組合的觀測模型和系統(tǒng)模型,兩組跑車實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的組合模型在模糊度首次固定后能達(dá)到穩(wěn)定的厘米級定位精度,測速定姿性能也與DGNSS/INS組合相當(dāng),相比基于模糊度浮點(diǎn)解的組合,模糊度固定解PPP/INS組合具有更短的收斂時間,在GNSS短時間中斷后模糊度能實(shí)現(xiàn)快速重新收斂與重新固定。文獻(xiàn)[14]也對PPP和基于MEMS的INS緊組合進(jìn)行了研究,模糊度固定方法基于進(jìn)行了星間單差處理的整數(shù)相位鐘法,一組跑車實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,組合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)厘米級定位精度,與傳統(tǒng)基于模糊度浮點(diǎn)解的PPP相比,統(tǒng)計收斂后的定位精度,在北、東、天三個分量上分別提高19.51%、61.11%和23.53%,通過執(zhí)行模糊度固定,水平方向尤其是東向定位精度改善明顯。

2.3INS輔助對PPP/INS組合的貢獻(xiàn)

PPP的連續(xù)性和可用性在很大程度上受到觀測環(huán)境的限制,當(dāng)可用衛(wèi)星數(shù)低于4顆時,單獨(dú)PPP無法正常工作,此時集成INS的緊組合系統(tǒng),依然能進(jìn)行解算,INS輔助能提高PPP的定位性能,增加系統(tǒng)的魯棒性。在標(biāo)準(zhǔn)PPP算法中,卡爾曼濾波器的位置預(yù)測值由基于偽距計算的單點(diǎn)定位提供,而在PPP/INS緊組合系統(tǒng)中,INS可以為卡爾曼濾波器提供更準(zhǔn)確的位置預(yù)測值,這將有助于整體導(dǎo)航性能的提升。

由于PPP中的主要觀測值是載波相位觀測量,通常由于高動態(tài)、信號遮擋或低衛(wèi)星高度角而頻繁發(fā)生周跳,為了確保導(dǎo)航性能需進(jìn)行探測和修復(fù)。常用的周跳探測方法有電離層殘差法、偽距載波相位組合法、多普勒法和TurboEdit法。目前大多數(shù)周跳探測方案都是為DGNSS或DGNSS/INS組合系統(tǒng)而設(shè)計的,需要至少兩臺GNSS接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)觀測量差分,因此它們不適用于PPP或PPP/INS組合系統(tǒng)。INS具有短時精度高的優(yōu)勢,可通過INS輔助進(jìn)行周跳探測與修復(fù),替代PPP中模糊度參數(shù)的重新初始化。文獻(xiàn)[15]通過慣性輔助,聯(lián)合使用寬巷相位和超寬巷相位組合來探測頻率L1和L2上的周跳,由于波長較長,在觀測量殘余誤差較大的情況下,也能提高周跳探測的魯棒性和效率,分別使用戰(zhàn)術(shù)級INS和基于MEMS的低成本INS進(jìn)行實(shí)驗(yàn),兩種等級的INS都能以非常高的置信水平探測周跳。文獻(xiàn)[16]將慣性信息引入到寬巷相位組合觀測量中以避免來自偽距的高噪聲和多徑影響,構(gòu)造慣性輔助的決策變量,相比傳統(tǒng)的MW組合精度更高,能有效的探測和修復(fù)小周跳(從1到6)和大周跳(從10到20)。文獻(xiàn)[17]提出聯(lián)合星間單差相位新息和星間單差電離層殘差修復(fù)周跳,為避免修復(fù)錯誤,對周跳修復(fù)量進(jìn)行質(zhì)量控制并設(shè)置多重修復(fù)準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)了瞬時重新收斂并獲得了更好的定位效果,并指出當(dāng)GNSS信號中斷時長超出限值時不再進(jìn)行修復(fù)。

3 PPP/INS組合中濾波方法、平滑算法、隨機(jī)模型

PPP/INS組合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是PPP與INS之間的信息融合,一是組合濾波模型的構(gòu)建,要符合系統(tǒng)實(shí)際特性;二是后處理平滑算法的選取,能有效提高整體導(dǎo)航精度;三是隨機(jī)模型的建立,要充分考慮觀測環(huán)境的變化。

PPP/INS組合中常用的參數(shù)估計方法是擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF),它是以誤差方差最小為估計準(zhǔn)則,基于噪聲服從高斯分布的假設(shè),狀態(tài)模型和觀測模型在近似的導(dǎo)航參數(shù)處通過一階泰勒級數(shù)展開進(jìn)行線性化,由于忽略了高階項(xiàng),在GNSS信號中斷期間,尤其是在使用基于MEMS的慣性系統(tǒng)時,可能導(dǎo)致解的發(fā)散。替代方案有無跡卡爾曼濾波(UKF)和粒子濾波(PF)。UKF是一種線性回歸估計濾波器,通過非線性狀態(tài)模型傳播加權(quán)sigma點(diǎn)來捕獲系統(tǒng)的后驗(yàn)均值和協(xié)方差估計,但其仍基于高斯分布假設(shè)。PF避免了系統(tǒng)模型的線性化,是一種適用于非線性、非高斯系統(tǒng)的非參數(shù)估計方法,但由于需要大量的粒子來近似非線性模型,計算成本較高。文獻(xiàn)[18]通過融合UKF和PF形成UPF(Unscented Particle Filter)用于PPP/INS組合,可以顯著減少所需粒子數(shù),同時保留系統(tǒng)噪聲的非高斯特性,通過與EKF、UKF、PF對比,當(dāng)GNSS觀測更新可用時,性能相當(dāng),當(dāng)存在GNSS中斷時,UPF可將定位精度提高15%。文獻(xiàn)[19]首先證明聯(lián)邦局部濾波器和自適應(yīng)濾波器在形式上是等價的,然后基于自適應(yīng)因子構(gòu)建聯(lián)邦濾波器中的信息分配因子,提出的自適應(yīng)聯(lián)邦濾波器可以獲得與集中式卡爾曼濾波器相當(dāng)?shù)慕馑憔?同時通過并行濾波計算提高了解算效率。

在GNSS信號完全中斷段,PPP/INS組合進(jìn)入純慣導(dǎo)工作模式,導(dǎo)航誤差隨著時間不斷累積;GNSS信號恢復(fù)時,模糊度參數(shù)也需要較長的收斂時間才能達(dá)到真值。在對組合數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理時,通常使用平滑算法來提高整體導(dǎo)航性能,RTS(Rauch-Tung-Striebel)平滑算法在DGNSS/INS組合中取得了良好的效果,但并不能提高模糊度參數(shù)重新收斂段的性能,文獻(xiàn)[20]提出將前后向平滑算法應(yīng)用于PPP/INS緊組合,跑車實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法能夠提高GNSS信號完全遮擋段和重新收斂段的導(dǎo)航精度。

觀測噪聲協(xié)方差陣受觀測環(huán)境影響較大,對濾波器性能更敏感,文獻(xiàn)[14]考慮實(shí)際觀測環(huán)境(如多徑或不正常觀測)的影響,采用改進(jìn)的Sage-Huge自適應(yīng)算法構(gòu)建最優(yōu)協(xié)方差陣,在動態(tài)定位中能夠改善定位性能。文獻(xiàn)[9]為了削弱低質(zhì)量的GNSS觀測量和不準(zhǔn)確的狀態(tài)模型對GNSS多系統(tǒng)PPP/INS緊組合性能的影響,在算法實(shí)現(xiàn)中采用基于Helmert方差分量估計的自適應(yīng)卡爾曼濾波,以削弱觀測中不合理的先驗(yàn)協(xié)方差并補(bǔ)償不準(zhǔn)確的狀態(tài)模型,可以使GNSS多系統(tǒng)PPP/INS組合解更魯棒。

4 PPP/INS組合系統(tǒng)展望

通過總結(jié)PPP/INS組合的研究進(jìn)展,歸納出兩大發(fā)展趨勢:

一是向著實(shí)時方向發(fā)展,IGS組織實(shí)施了RTS(Real-Time Service)和MGEX(Multi-GNSS Experiment)兩大項(xiàng)目,旨在全球范圍內(nèi)提供多頻多系統(tǒng)的高精度實(shí)時PPP服務(wù),PPP朝著實(shí)時固定解的方向發(fā)展[21]。已有學(xué)者證明了非差非組合PPP模型具有更好的定位精度和收斂速度,隨著精密產(chǎn)品的改進(jìn),同時引入精確的先驗(yàn)電離層約束或?qū)α鲗蛹s束,可以進(jìn)一步提高PPP的性能,PPP/INS組合系統(tǒng)也將有著更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

二是向著低成本方向發(fā)展,隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,成本更低、性能更好的基于MEMS的INS將會出現(xiàn);隨著GNSS多星座的快速發(fā)展,單頻用戶也能獲得很好的連續(xù)觀測效果;在非極端觀測條件下,松組合能獲得與緊組合相當(dāng)?shù)男阅?而算法復(fù)雜性卻大大降低。以上這些都將推動PPP/INS組合走向?qū)嵱?在消費(fèi)級應(yīng)用中也有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

隨著GNSS多系統(tǒng)的發(fā)展,帶來更多觀測量的同時也帶來了更多的狀態(tài)參數(shù),如系統(tǒng)間偏差、頻間偏差等,如何有效估計這些偏差參數(shù)并提高解算效率值得深入研究;模糊度固定技術(shù)的可靠性還無法保證,有效的質(zhì)量控制策略也有待進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)束語

本文系統(tǒng)總結(jié)了PPP/INS組合系統(tǒng)的研究進(jìn)展,介紹了前期的發(fā)展情況和近期的研究熱點(diǎn),分別從GNSS多系統(tǒng)、PPP模糊度固定、INS輔助方面總結(jié)了三者對PPP/INS組合系統(tǒng)的貢獻(xiàn),從濾波方法、平滑算法、隨機(jī)模型的建立方面總結(jié)了三者對PPP/INS組合系統(tǒng)性能的優(yōu)化,最后展望了PPP/INS組合系統(tǒng)在實(shí)時化和低成本化方向的發(fā)展趨勢。不久的將來,PPP/INS組合系統(tǒng)有望走向成熟,在導(dǎo)航測繪領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用,為國家“綜合PNT”體系[22]做出貢獻(xiàn)。

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ResearchProgressandProspectofPPP/INSIntegrationSystem

WANGHaoyuan1,2,SUNFuping1,2,XIAOKai1,2

(1.CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China;2.BeidouNavigationTechnologyCollaborativeInformationCenter,Zhengzhou450001,China)

With the construction of GNSS multi-system, precise point positioning (PPP) technology is developing in the direction of real-time and ambiguity-fixed solution. The PPP/INS integration system has a wide application prospect in the navigation and surveying field, since the convenience of not laying base station. In this paper, the contributions of GNSS multi-system, PPP ambiguity fixing, INS-aided to the PPP/INS integration system are systematically summarized. And the progresses of filtering method, smoothing algorithm and stochastic model establishment in integration system are generalized. The development trend of the PPP/INS integration system is discussed.

Precise point positioning; inertial navigation system; integration system; ambiguity fixing; filtering

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.011

P228.4

A

1008-9268(2017)05-0053-06

2017-07-15

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:41674042)

聯(lián)系人: 王浩源E-mail:2286737444@qq.com

王浩源(1993-),男,安徽阜陽人,碩士研究生,研究方向?yàn)榫軉吸c(diǎn)定位與組合導(dǎo)航。

孫付平(1964-),男,河南長葛人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榇蟮販y量與組合導(dǎo)航。

肖凱(1989-),男,四川瀘州人,博士研究生,研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航與組合導(dǎo)航。