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        北斗/GNSS星基增強(qiáng)實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位原理及其在番禺34-1平臺(tái)的應(yīng)用試驗(yàn)

        2022-11-01 06:26:38彭義東王坤石
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        彭義東 周 俊 王坤石

        (1.中海油信息科技有限公司,廣東 深圳 518064;2.中海北斗(深圳)導(dǎo)航技術(shù)有限公司,廣東 深圳 518052)

        0 前言

        近二十年來我國(guó)油氣田開發(fā)中對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位應(yīng)用(厘米級(jí))主要依賴于美國(guó)的GPS 系統(tǒng)和幾家國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)商,存在緊急狀態(tài)不可用以及高精度定位服務(wù)費(fèi)過高的問題。該文利用中海北斗(深圳)導(dǎo)航技術(shù)有限公司“全球BDS/GNSS 星基增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)”提供的北斗/GNSS 實(shí)時(shí)精密軌道和實(shí)時(shí)精密鐘差數(shù)據(jù),使用實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位(PPP)算法,對(duì)中國(guó)海洋石油集團(tuán)番禺34-1 平臺(tái)采集的多系統(tǒng)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了不同衛(wèi)星系統(tǒng)組合的解算,并進(jìn)行了相關(guān)分析。

        1 GNSS 精密單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型

        1.1 觀測(cè)模型

        在導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中,一般使用基于偽距和相位消電離層組合的觀測(cè)方程,如公式(1)所示。

        1.2 估計(jì)方法

        在建立了2 類觀測(cè)方程之后,利用均方根濾波算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。下面給出均方根信息濾波的主要步驟,其狀態(tài)方程如公式(2)所示。

        將上述虛擬觀測(cè)方程和濾波觀測(cè)方程寫為矩陣形式,如公式(5)所示。

        要是目標(biāo)函數(shù)最小,則參數(shù)解要滿足公式(8)。

        1.3 實(shí)時(shí)軌道鐘差恢復(fù)

        當(dāng)用戶接收終端接收并正確解析出軌道和鐘差改正信息后,首先根據(jù)數(shù)據(jù)齡期IODE 參數(shù)和時(shí)間最近條件匹配相應(yīng)系統(tǒng)的廣播星歷,其次用匹配的廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)和鐘差值,最后再利用接收的改正數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度軌道和鐘差恢復(fù)。利用廣播星歷計(jì)算的坐標(biāo)、速度來解算衛(wèi)星相對(duì)地心在切向、法向、徑向的單位向量如公式(10)所示。

        式中:X、V表示廣播星歷計(jì)算出的衛(wèi)星位置和速率向量。

        將實(shí)時(shí)軌道信息中切向、法向和徑向3 個(gè)方向的改正數(shù)與對(duì)應(yīng)方向的單位向量相乘,則可以得到地固系下的改正數(shù),如公式(11)所示。

        式中:、、分別表示GNSS 實(shí)時(shí)軌道中的徑向、切向、法向分量改正數(shù)。

        由此,可通過公式(11)得到衛(wèi)星的實(shí)時(shí)精密軌道X。

        實(shí)時(shí)鐘差如公式(12)所示。

        式中:T為廣播星歷計(jì)算出的鐘差;dt為實(shí)時(shí)鐘差改正數(shù)。

        2 結(jié)果分析

        番禺34-1CEP 海上平臺(tái)是我國(guó)自主研發(fā)建造的首個(gè)深海油氣田采油平臺(tái)。該平臺(tái)為群樁導(dǎo)管架式平臺(tái),底座打入海底基巖,平臺(tái)整體晃動(dòng)較小。該次測(cè)試的接收機(jī)為中海北斗M1 接收機(jī),可觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)類型為BDS2/GPS/GLONASS,數(shù)據(jù)處理使用的實(shí)時(shí)軌道和鐘差產(chǎn)品由“中海北斗CNOSBAS”系統(tǒng)提供,其GPS 軌道三維優(yōu)于3 cm,北斗軌道三維精度優(yōu)于20 cm,GLONASS 軌道三維精度優(yōu)于5 cm,相應(yīng)GPS 鐘差std 優(yōu)于0.06 ns,北斗鐘差std 優(yōu)于0.2 ns,GLONASS 鐘差std優(yōu)于0.1 ns。高精度的實(shí)時(shí)軌道和鐘差為實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)厘米級(jí)定位提供了保障。該次測(cè)試數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2019 年11 月1 日,共計(jì)24 h,數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s。

        2.1 可見衛(wèi)星數(shù)與PDOP

        Pdop 反應(yīng)測(cè)站上空衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型,一般來說,可觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)越多,PDOP 相應(yīng)越小,而越小的PDOP 數(shù)值,表示可能獲得更高精度的定位結(jié)果。番禺平臺(tái)BDS2 單系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)在9 顆~12 顆,PDOP 在2.2 左右,GPS 單系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)在6 顆~10 顆,PDOP 在2.0 左右。BDS2 單系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)大于GPS 系統(tǒng),但是PDOP 卻大于GPS,這是由北斗二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)獨(dú)特的星座構(gòu)型(5GEO+5IGSO+4MEO)造成的。雙系統(tǒng)GPS/BDS2 可見衛(wèi)星數(shù)提高到15 顆~20 顆,PDOP 顯著改善至1.4 左右。三系統(tǒng)融合GPS/BDS2/GLONASS 可見衛(wèi)星數(shù)提高到20 顆~28 顆,PDOP 又進(jìn)一步提高到1.1 左右??梢钥闯觯嘞到y(tǒng)融合時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)目顯著增加,可以進(jìn)一步提高空間幾何強(qiáng)度,相應(yīng)PDOP 值也顯著降低。

        番禺平臺(tái)各衛(wèi)星系統(tǒng)組合可觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)和PDOP 的單天統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1,表1 中數(shù)值為中位數(shù)??梢钥吹?,BDS2 和GPS 單系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)分別為11 顆和8 顆,PDOP 分別為2.14和2.05,北斗觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)多,但PDOP 卻大于GPS,主要是由北斗二號(hào)系統(tǒng)的星座構(gòu)型引起的。GPS/BDS2 雙系統(tǒng)融合能夠?qū)DOP 提高到1.31,而GPS/BDS2/GLONASS 三系統(tǒng)組合可以進(jìn)一步提高至1.12。這也充分說明了多系統(tǒng)融合可以極大程度提高衛(wèi)星的空間幾何構(gòu)型。

        表1 番禺平臺(tái)各衛(wèi)星系統(tǒng)組合可見衛(wèi)星數(shù)與PDOP 值(中位數(shù))

        2.2 收斂時(shí)間分析

        受限于北斗二號(hào)衛(wèi)星構(gòu)型以及相對(duì)較低的軌道和鐘差精度,該文在進(jìn)行精密單點(diǎn)定位處理時(shí),暫不使用BDS2 單系統(tǒng)進(jìn)行PPP 處理,同時(shí)考慮北斗GEO 衛(wèi)星相對(duì)地球位置變化較小,在融合多系統(tǒng)處理時(shí)只使用北斗IGSO 和MEO 衛(wèi)星。隨著北斗三號(hào)的建設(shè)以及能夠接收北斗三號(hào)信號(hào)的接收機(jī)的研制,這一情況將會(huì)出現(xiàn)顯著改善。番禺平臺(tái)各衛(wèi)星系統(tǒng)組合精密定位時(shí)東北高三個(gè)方向的收斂時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表2。從表2 中可以看出多系統(tǒng)融合可以顯著加快精密單點(diǎn)定位的收斂速度。GPS/BDS2/GLONASS 三系統(tǒng)組合進(jìn)行解算時(shí)東方高各方向的收斂時(shí)間均小于30 min。尤其是北方向和高程方向15 min 左右即可收斂至20 cm 以下,同時(shí)收斂后定位結(jié)果比較平滑,更加穩(wěn)定。

        表2 番禺平臺(tái)各衛(wèi)星系統(tǒng)及組合精密定位收斂時(shí)間統(tǒng)計(jì)/min

        2.3 定位精度分析

        為了便于統(tǒng)計(jì),定位精度統(tǒng)計(jì)時(shí)取第3 個(gè)小時(shí)至第24 個(gè)小時(shí)的定位結(jié)果。參考坐標(biāo)通過單天解靜態(tài)方式處理獲得,東北高中誤差均優(yōu)于1 cm,可以作為高精度定位精度分析的參考坐標(biāo)。GPS 單系統(tǒng)、GPS/BDS2 雙系統(tǒng)和GPS/BDS2/GLONASS三系統(tǒng)收斂后的定位時(shí)間序列如圖1、圖2 和圖3 所示,從三系統(tǒng)收斂后的定位時(shí)間序列結(jié)果也充分驗(yàn)證了這一點(diǎn),可以看到三系統(tǒng)定位統(tǒng)計(jì)結(jié)果在東北高3 個(gè)方向上都有一定程度的提高。

        圖1 番禺平臺(tái)GPS 精密定位結(jié)果時(shí)間序列

        圖2 番禺平臺(tái)GPS/BDS2 精密定位結(jié)果時(shí)間序列

        圖3 番禺平臺(tái)GPS/BDS2/GLONASS 精密定位結(jié)果時(shí)間序列

        番禺平臺(tái)各衛(wèi)星系統(tǒng)組合精密定位精度在東北高3 個(gè)方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。表3中GPS單系統(tǒng)定位精度較差主要是由于出現(xiàn)了2 次重新收斂的過程引起的。從雙系統(tǒng)和三系統(tǒng)定位結(jié)果看,利用“中海北斗星基增強(qiáng)數(shù)據(jù)以及星基增強(qiáng)接收機(jī),均能夠達(dá)到DP 系統(tǒng)水平精度優(yōu)于10 cm 的指標(biāo)要求。

        表3 番禺平臺(tái)各衛(wèi)星系統(tǒng)組合精密定位精度統(tǒng)計(jì)RMS/cm

        3 結(jié)語(yǔ)

        該文首先介紹了基于星基增強(qiáng)技術(shù)的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位算法,隨后利用我國(guó)自主研發(fā)建造的首個(gè)深海油氣田采油平臺(tái)“番禺34-1CEP 海上平臺(tái)”實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用不同衛(wèi)星系統(tǒng)組合的方式進(jìn)行了處理,GPS/BDS2/GLONASS 三系統(tǒng)融合從可見星數(shù)、PDOP 值、收斂時(shí)間、定位精度及其穩(wěn)定性幾大關(guān)鍵性能指標(biāo)上看,可見星數(shù)20~28 顆,PDOP 值高到1.1左右,收斂速度顯著提高,尤其是在高程方向,收斂后的穩(wěn)定性較好,定位結(jié)果更加平滑。從定位結(jié)果看,利用國(guó)產(chǎn)星基增強(qiáng)數(shù)據(jù)以及星基增強(qiáng)接收機(jī),均能夠達(dá)到DP 系統(tǒng)水平精度優(yōu)于10cm 的指標(biāo)要求。利用GPS/BDS2/GLONASS 三系統(tǒng)處理時(shí),東方向RMS 為6.15cm,北方向RMS 為2.98cm,高程方向?yàn)?6.47cm,比單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)均有一定程度的提高。

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