智奇楠周俊李梟楠?jiǎng)Ⅸi飛馬國(guó)駒
高精度GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
智奇楠1,2,周俊3,李梟楠1,2,劉鵬飛1,2,馬國(guó)駒1,2
(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050081;3.陸軍航空兵學(xué)院陸軍航空兵研究所,北京 101121)
GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性,對(duì)測(cè)繪車(chē)GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述,介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求、分機(jī)設(shè)計(jì)方案及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和測(cè)試情況,該系統(tǒng)滿足專用測(cè)繪車(chē)高精度導(dǎo)航應(yīng)用,可作為各類GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)參考。
組合導(dǎo)航;定位測(cè)姿系統(tǒng);衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);飛行器
GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性,并且能夠輸出位置、速度、姿態(tài)和時(shí)間全維測(cè)量信息,隨著GNSS的應(yīng)用普及和慣性器件成本的逐步降低,GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)顯示出巨大的應(yīng)用潛力,成為各類車(chē)輛、飛行器、行人導(dǎo)航的一個(gè)最主要的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。
本文選擇了一款典型的測(cè)繪車(chē)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)上的定位測(cè)姿系統(tǒng)為原型詳細(xì)闡述GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用多天線GNSS/INS組合導(dǎo)航處理,配備差分基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通信鏈路以及高精度組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理軟件,可測(cè)量測(cè)繪車(chē)的位置、速度和姿態(tài)信息,可滿足專用測(cè)繪車(chē)高精度導(dǎo)航應(yīng)用需求。
測(cè)繪車(chē)GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)是測(cè)繪車(chē)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的核心部件之一,與CCD相機(jī)、激光雷達(dá)、全景相機(jī)等測(cè)量傳感器結(jié)合起來(lái),裝載在測(cè)繪車(chē)上,可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)測(cè)繪功能。該系統(tǒng)提供的位置、速度、姿態(tài)和時(shí)間信息精度是各測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)處理的時(shí)間、空間參考基準(zhǔn),是保證移動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理精度的基礎(chǔ)。測(cè)繪車(chē)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是高精度GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)的最典型應(yīng)用場(chǎng)景之一,需要獲取高精度的位置、速度、姿態(tài)信息和實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步;設(shè)備使用環(huán)境為城市道路環(huán)境,衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)復(fù)雜多變;系統(tǒng)應(yīng)用不僅需要實(shí)時(shí)高精度差分處理,還需要進(jìn)行事后數(shù)據(jù)處理,以獲得更高的精度。因此,從系統(tǒng)配置上看測(cè)繪車(chē)GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)是最全面的。另外,在系統(tǒng)使用中存在以下難點(diǎn):①城市道路環(huán)境衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)遮擋、衰落嚴(yán)重,對(duì)接收機(jī)性能提出了較高要求,需要接收機(jī)具備更高的捕獲速度、跟蹤靈敏度;②慣導(dǎo)單元是核心部件之一,其測(cè)量精度與定位測(cè)姿系統(tǒng)性能直接相關(guān),提升慣性傳感器精度是系統(tǒng)精度保障的關(guān)鍵;③組合定位測(cè)姿系統(tǒng)精度高,動(dòng)態(tài)條件下精度測(cè)試難度大。
移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)目前均采用差分GNSS和INS、DMI等多導(dǎo)航源的集成實(shí)現(xiàn),也稱為高精度POS(Position and Orientation System)系統(tǒng)。國(guó)外在高分辨率對(duì)地觀測(cè)需求的牽引下,高精度POS技術(shù)得到了快速發(fā)展,美國(guó)、加拿大、瑞士、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家均已經(jīng)形成了系列產(chǎn)品,并廣泛應(yīng)用于高分辨率對(duì)地觀測(cè)和移動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域。
目前,國(guó)際上的POS產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了很高的技術(shù)水平,其中NovAtel和Trimble公司產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)擁有較多的客戶。另外,德國(guó)的IGI公司等都有應(yīng)用于移動(dòng)測(cè)量或者航空攝影測(cè)量的GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng),該類型組合定位系統(tǒng)大多采用了緊組合技術(shù),具備高精度基準(zhǔn)站以及數(shù)據(jù)后處理軟件,系統(tǒng)可以達(dá)到非常高的精度。典型高精度POS系統(tǒng)產(chǎn)品性能指標(biāo)如表1所示。
高精度GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)組成及系統(tǒng)連接關(guān)系如圖1所示。
高精度GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)由慣性測(cè)量單元分系統(tǒng)、組合導(dǎo)航接收機(jī)分系統(tǒng)及組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。
慣性測(cè)量單元主要功能是慣性信息的采集輸出以及慣性導(dǎo)航解算。慣性測(cè)量單元主要包括電源轉(zhuǎn)換單元、3個(gè)正交安裝的陀螺儀、3個(gè)正交安裝的加速度計(jì)、數(shù)據(jù)采集處理電路及必要的輔助電路。
導(dǎo)航接收機(jī)分系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站和流動(dòng)站兩部分。
基準(zhǔn)站接收機(jī)由基準(zhǔn)站接收機(jī)、天線及數(shù)傳設(shè)備組成,可完成衛(wèi)星導(dǎo)航觀測(cè)信息測(cè)量、高精度載波相位差分修正信息測(cè)量與傳輸。
流動(dòng)站接收機(jī)由組合導(dǎo)航接收機(jī)主機(jī)、主天線、從天線和數(shù)傳設(shè)備組成。其中,組合導(dǎo)航接收機(jī)主機(jī)包括衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)核心板及組合導(dǎo)航處理板,具備雙天線定向功能,組合導(dǎo)航處理單元接收IMU測(cè)量數(shù)據(jù),并具有捷聯(lián)慣導(dǎo)解算、組合導(dǎo)航濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。
表1 典型產(chǎn)品性能指標(biāo)
廠商N(yùn)ovAtelTrimbleIGI mbH 設(shè)備型號(hào)SPAN-ISA-100CApplanix POS LV 610AEROcontro Compact FOG-Ⅲ GNSS有效定位精度水平1 cm,垂直2 cm XY為2 cm,Z為5 cm2 cm 航向角精度0.01°0.015°0.007° 水平角精度0.007°0.005°0.003° GNSS失鎖60 s定位精度水平4 cm,垂直3 cmXY為10 cm,Z為7 cm6 cm 航向角精度0.01°0.015°0.007° 俯仰角精度0.007°0.005°0.003° 數(shù)據(jù)更新率200 Hz200 Hz600 Hz 處理軟件Inertial Explorer GrafNav/GrafNetApplanix POSPac MMSAEROoffice,GrafNav和BINGO30
組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理軟件包括2部分功能:數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和數(shù)據(jù)后處理。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控部分主要用于實(shí)時(shí)采集高精度GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)、監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)等配置控制。數(shù)據(jù)后處理功能主要用于事后數(shù)據(jù)處理,包括GNSS事后差分定位、GNSS/INS事后組合濾波等。
系統(tǒng)首先完成初始位置和姿態(tài)的獲取。GNSS接收機(jī)開(kāi)機(jī)后通過(guò)天線接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)衛(wèi)星的信號(hào),射頻模塊完成信號(hào)的下變頻處理,轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào),在基帶信號(hào)處理單元中完成基帶信號(hào)處理,獲得測(cè)距信息和導(dǎo)航電文解析,數(shù)據(jù)處理單元完成定位解算,獲得初始位置;利用初始位置和慣性導(dǎo)航傳感器測(cè)量的地球自轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行姿態(tài)初始化。
在完成位置初始化和姿態(tài)初始化之后,系統(tǒng)進(jìn)入組合模式,在組合模式中捷聯(lián)慣導(dǎo)解算單元利用IMU測(cè)量的載體角速度和比力信息,得到慣性導(dǎo)航解。GNSS基帶信號(hào)處理單元利用中頻信號(hào)與本地生成的碼和載波進(jìn)行相關(guān)累積或非相關(guān)累積,得到基帶I、Q信號(hào),通過(guò)環(huán)路跟蹤控制獲得偽距、偽距率的測(cè)量信息,組合處理單元利用偽距偽距率測(cè)量信息以及慣性導(dǎo)航解算的位置速度姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波,實(shí)時(shí)修正慣導(dǎo)解算誤差,得到高精度位置、速度、姿態(tài)、時(shí)間信息。
實(shí)時(shí)RTK數(shù)據(jù)處理軟件可處理同一時(shí)刻基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)與車(chē)載流動(dòng)站接收機(jī)數(shù)據(jù),通過(guò)差分操作消除測(cè)量誤差并進(jìn)行定位解算。實(shí)時(shí)RTK技術(shù)的關(guān)鍵是車(chē)載接收機(jī)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下確定整周模糊度,實(shí)時(shí)RTK技術(shù)能夠達(dá)到厘米級(jí)的定位水平。
通過(guò)里程計(jì)和雙天線測(cè)姿等輔助定位方法保障在惡劣條件下連續(xù)、可靠地輸出位置、速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)。比如靜態(tài)條件下的雙天線測(cè)姿與零速修正輔助導(dǎo)航數(shù)據(jù)測(cè)量;動(dòng)態(tài)條件下GNSS信號(hào)無(wú)覆蓋時(shí),里程儀、方向數(shù)據(jù)輔助慣性的測(cè)量,可提升系統(tǒng)可用性。
慣性導(dǎo)航傳感器的選型直接影響系統(tǒng)指標(biāo),根據(jù)應(yīng)用需求,采用光纖陀螺作為角速率傳感器,采用石英加速度計(jì)作為加速度傳感器,通過(guò)組合濾波技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的位置、速度、姿態(tài)測(cè)量。慣性測(cè)量單元分系統(tǒng)原理如圖2所示。
圖2 慣性測(cè)量單元分系統(tǒng)原理框圖
慣性測(cè)量單元分系統(tǒng)采用光纖陀螺作為敏感器,通過(guò)光電解調(diào)電路,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),輸出角增量,通過(guò)串口通訊提供給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)電路,經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后進(jìn)行對(duì)外輸出。石英撓性加速度計(jì)是單自由度的閉環(huán)式撓性機(jī)械擺式加速度計(jì),當(dāng)沿加速度計(jì)的輸入軸有加速度作用時(shí),差動(dòng)電容傳感器的電容值發(fā)生變化。伺服電路檢測(cè)到這一變化,并把它變換成相應(yīng)的輸出電流,該電流的大小與輸入加速度成正比。信號(hào)采集電路中首先對(duì)三路加速度計(jì)電流輸入信號(hào)進(jìn)行I/V變換,采用精密電阻對(duì)加速度計(jì)電流信號(hào)進(jìn)行采集。
陀螺儀測(cè)量的角速率信息和加速度計(jì)測(cè)量的加速度信息需要通過(guò)數(shù)據(jù)處理才能提供給導(dǎo)航系統(tǒng)使用。在系統(tǒng)整機(jī)集成完成后,需要對(duì)系統(tǒng)誤差和傳感器誤差參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定,從而獲得陀螺加表零偏、比例因子、交叉耦合以及溫度誤差系數(shù),在數(shù)據(jù)采集與處理程序中對(duì)上述系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償后得到慣性導(dǎo)航傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)。在完成載體姿態(tài)變化和速度變化信息測(cè)量和補(bǔ)償之后,對(duì)外輸出慣性測(cè)量信息。
4.2.1 基準(zhǔn)站接收機(jī)及天線
基準(zhǔn)站接收機(jī)天線采用扼流圈天線,能夠接收北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào),生成高精度觀測(cè)值,包括偽距測(cè)量值、載波相位觀測(cè)值以及信號(hào)載噪比等,一方面可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量信息的存儲(chǔ),為數(shù)據(jù)后處理提供數(shù)據(jù);另一方面,可生成并播發(fā)差分修正信息,輔助組合導(dǎo)航接收機(jī)獲得高精度導(dǎo)航結(jié)果。
4.2.2 流動(dòng)站接收機(jī)
流動(dòng)站接收機(jī)由組合導(dǎo)航接收機(jī)主機(jī)、主天線、從天線和數(shù)傳設(shè)備組成。其中,組合導(dǎo)航接收機(jī)主機(jī)采用組合導(dǎo)航處理板+接收機(jī)核心板的實(shí)現(xiàn)方式。接收機(jī)核心板卡采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括射頻單元、基帶信號(hào)處理單元、數(shù)據(jù)處理單元和電源轉(zhuǎn)換單元等,實(shí)現(xiàn)GNSS信號(hào)接收、定位解算、RTK差分處理等功能。組合導(dǎo)航處理板主要實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換、電平接口轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理、捷聯(lián)慣導(dǎo)解算、組合濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等輔助功能。組合導(dǎo)航接收機(jī)硬機(jī)組成如圖3所示。
圖3 組合導(dǎo)航接收機(jī)硬機(jī)組成
4.2.3 數(shù)傳設(shè)備
數(shù)傳設(shè)備采用移動(dòng)4G數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站與組合導(dǎo)航接收機(jī)之間的雙向通信。
組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理軟件包括兩部分功能:數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和數(shù)據(jù)后處理。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控部分主要用于實(shí)時(shí)采集高精度GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置控制。數(shù)據(jù)后處理功能主要用于事后數(shù)據(jù)處理,包括GNSS事后差分定位、GNSS/INS事后組合濾波等。
數(shù)據(jù)采集監(jiān)控模塊由GNSS衛(wèi)星仰角方位角信息顯示模塊、衛(wèi)星原始觀測(cè)信息顯示模塊、衛(wèi)星多普勒信噪比信息顯示模塊、衛(wèi)星偽距殘余誤差信息顯示模塊、陀螺、加速度計(jì)原始輸出波形顯示模塊、GNSS以及慣導(dǎo)原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等組成。
高精度數(shù)據(jù)后處理模塊由GPS/BDS多模RTK定位解算模塊、GPS/BDS多模單點(diǎn)定位解算模塊、GPS/BDS偽距差分以及DGNSS定位解算模塊、純慣性導(dǎo)航定位測(cè)姿解算模塊、GNSS/INS前向?yàn)V波數(shù)據(jù)融合算法、GNSS/INS后向平滑數(shù)據(jù)融合算法、定位解算精度評(píng)估功能組成。
軟件數(shù)據(jù)流如圖4所示,實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程中軟件通過(guò)串口實(shí)時(shí)接收顯示衛(wèi)導(dǎo)和慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,軟件能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換以及后處理,輸出高精度的位置、速度、姿態(tài)信息。
圖4 軟件數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)
組合定位測(cè)姿系統(tǒng)研制完成后,采用高精度測(cè)試基準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跑車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)精度。將組合定位測(cè)姿系統(tǒng)固定安裝在測(cè)試車(chē)中,天線置于車(chē)頂,增加高精度的位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)基準(zhǔn),在初始位置經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量,獲得初始位置,完成系統(tǒng)初始化,然后開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試,選取路線選擇有高低起伏的路徑,并進(jìn)行環(huán)形路徑測(cè)試,整個(gè)路徑起始位置和結(jié)束位置形成閉合路徑,可以更加直觀地驗(yàn)證定位精度。組合定位測(cè)姿系統(tǒng)和高精度位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)采用同一個(gè)天線。組合定位測(cè)姿系統(tǒng)接收天線的射頻信號(hào)和BD/GPS車(chē)載動(dòng)態(tài)RTK數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)提供的觀測(cè)信息,組合定位測(cè)姿系統(tǒng)正常定位,輸出高精度導(dǎo)航信息。高精度位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)采集慣性導(dǎo)航信息、衛(wèi)星導(dǎo)航信息,并與基準(zhǔn)站接收機(jī)測(cè)量獲得的觀測(cè)信息統(tǒng)一在高精度數(shù)據(jù)處理軟件中做數(shù)據(jù)融合處理,獲得高精度基準(zhǔn)信息。與深組合系統(tǒng)解算的位置、速度、姿態(tài)信息進(jìn)行比較,評(píng)估其性能。車(chē)載動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境如圖5所示。
為了驗(yàn)證高精度組合測(cè)姿算法的正確性,進(jìn)行了實(shí)際的跑車(chē)測(cè)試實(shí)驗(yàn),跑車(chē)運(yùn)行過(guò)程中搭載了高精度的激光慣導(dǎo)作為參考,兩個(gè)慣導(dǎo)通過(guò)轉(zhuǎn)接板進(jìn)行牢固連接,保持姿態(tài)關(guān)系的相對(duì)穩(wěn)定。跑車(chē)試驗(yàn)前架設(shè)基準(zhǔn)站,跑車(chē)過(guò)程中同時(shí)保存基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的原始數(shù)據(jù)用于事后處理。事后采用商業(yè)軟件Applanix POSPac計(jì)算的組合導(dǎo)航結(jié)果作為參考基準(zhǔn),評(píng)估研制的GNSS/光纖慣組組合系統(tǒng)精度,通過(guò)計(jì)算誤差得到位置、速度以及姿態(tài)誤差,測(cè)試實(shí)物如圖6所示,對(duì)誤差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示,均滿足移動(dòng)測(cè)繪車(chē)對(duì)位置、速度以及姿態(tài)信息的精度要求。
圖5 車(chē)載動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境
圖6 測(cè)試實(shí)物圖
表2 導(dǎo)航精度統(tǒng)計(jì)表
測(cè)試方法位置精度/m速度精度/(m/s)水平姿態(tài)/方位角/deg 實(shí)時(shí)導(dǎo)航過(guò)程(單點(diǎn)定位組合)1.440 30.0310.008/0.035 后處理0.040.0050.005/0.020
通過(guò)對(duì)GNSS/INS組合定位測(cè)姿系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了高精度定位測(cè)姿,經(jīng)過(guò)跑車(chē)測(cè)試驗(yàn)證,系統(tǒng)精度可以滿足測(cè)繪車(chē)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)使用需求。該方案可以在各類航空攝影測(cè)量系統(tǒng)、移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、無(wú)人駕駛汽車(chē)、無(wú)人機(jī)等位置姿態(tài)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。
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TN96
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.018
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智奇楠(1983—),男,主要研究方向?yàn)榻M合導(dǎo)航技術(shù)。
〔編輯:張思楠〕