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        基于抗干擾陣列天線的北斗RTK 解算與數(shù)據(jù)分析

        2023-10-15 07:36:22中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所應(yīng)俊俊惠沈盈陳秀德

        中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 應(yīng)俊俊 惠沈盈 陳秀德

        在多種型號(hào)雷達(dá)等復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下,由于GNSS衛(wèi)星信號(hào)功率微弱,極易受到干擾信號(hào)影響,在恢復(fù)信號(hào)后,針對(duì)高于10°仰角的衛(wèi)星,天線相位中心仍有1cm左右的偏差。

        對(duì)于高精度測(cè)量型接收機(jī)而言,陣列天線引入的載波相位誤差較大,會(huì)導(dǎo)致整周模糊度固定錯(cuò)誤,進(jìn)而引起較大的位置誤差,因此,衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)受到高度重視。其中,陣列天線抗干擾技術(shù)在空域進(jìn)行信號(hào)處理,利用不同陣元信號(hào)的自適應(yīng)加權(quán)合成,在干擾來(lái)波方向形成零陷,具有很好的抗干擾性能,因而受到廣泛關(guān)注。但陣列天線抗干擾的同時(shí)也對(duì)GNSS 載波相位觀測(cè)值造成一定影響,進(jìn)而導(dǎo)致RTK 定位成功率和精度迅速下降,如何在抗干擾的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度的RTK 定位也成為GNSS 研究的主要方向之一[1-3]。

        1 抗干擾陣列天線設(shè)計(jì)

        高精度測(cè)量對(duì)天線相位中心的穩(wěn)定性要求較高,通用的高精度測(cè)量型天線相位中心偏差都在2mm 以內(nèi),抗干擾陣列天線由于布陣、互耦、單元天線設(shè)計(jì)等原因,其相位中心偏差會(huì)更大,導(dǎo)致定位誤差甚至達(dá)到分米級(jí)以上,無(wú)法應(yīng)用于高精度場(chǎng)景,因此,如何設(shè)計(jì)高穩(wěn)定度的零相位中心天線是關(guān)鍵技術(shù)之一。

        采用基于FSS(頻率選擇表面)/UC-EBG(共面緊湊型電子帶隙)的零相位陣列天線設(shè)計(jì)及標(biāo)校技術(shù)可解決上述問(wèn)題,天線陣設(shè)計(jì)上采用基于FSS/UC-EBG 設(shè)計(jì)的零相位陣列天線技術(shù),通過(guò)加載FSS 天線罩、兩饋點(diǎn)微帶疊層天線陣元、天線地板加載UC-EBG 等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn);同時(shí)采用基于二維矩陣的陣列天線相位中心標(biāo)校技術(shù)進(jìn)行陣列接收天線的相位中心標(biāo)定,經(jīng)過(guò)校正以后,使得陣列天線的相位中心變化量能夠滿足高精度測(cè)量的應(yīng)用需求。

        2 北斗RTK 定位解算

        北斗RTK 差分定位解算通過(guò)用戶抗干擾一體機(jī)接收本機(jī)的載波相位、偽距觀測(cè)數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù),以及通過(guò)通信電臺(tái)接收基準(zhǔn)站抗干擾一體機(jī)的載波相位和偽距觀測(cè)數(shù)據(jù),依據(jù)觀測(cè)誤差的空間相關(guān)性,通過(guò)差分的方法消除觀測(cè)數(shù)據(jù)中的大部分系統(tǒng)誤差,從而實(shí)現(xiàn)高精度(分米或厘米級(jí))的相對(duì)定位。

        用戶抗干擾一體機(jī)u和基準(zhǔn)站抗干擾一體機(jī)r同時(shí)跟蹤衛(wèi)星i和衛(wèi)星j,則雙差偽距、載波相位觀測(cè)方程如式(1)所示[4]:

        對(duì)偽距、載波相位雙差殘差進(jìn)行分析,可以獲取抗干擾一體機(jī)的偽距、載波相位精度水平。將用戶抗干擾一體機(jī)和基準(zhǔn)站抗干擾一體機(jī)的真值坐標(biāo)代入式(1),則載波相位、偽距殘差可表示為如式(2)所示:

        北斗RTK 差分定位解算優(yōu)先使用載波相位差分定位固定解,模糊度不能固定時(shí)使用載波相位差分定位浮點(diǎn)解,無(wú)法進(jìn)行載波相位差分定位時(shí)使用偽距差分定位。當(dāng)差分定位無(wú)效(接收的相同衛(wèi)星數(shù)小于4)或無(wú)法進(jìn)行差分定位時(shí),則使用各車地理位置坐標(biāo)進(jìn)行車間相對(duì)定位坐標(biāo)解算。

        在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下,一旦數(shù)傳電臺(tái)和基準(zhǔn)站設(shè)備開啟,若有強(qiáng)干擾,則啟用偽距差分定位。除數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延,基本可保證實(shí)時(shí)定位。若無(wú)強(qiáng)干擾,則啟用RTK 定位,因基線解固定和收斂,首次定位約耗時(shí)1min,后續(xù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位。

        基于抗干擾一體機(jī),從DSP載波相位提取和高精度數(shù)據(jù)處理軟件方面進(jìn)行了改善,主要策略體現(xiàn)在:(1)在幀同步獲得偽距觀測(cè)量的基礎(chǔ)上,修改了相關(guān)積分時(shí)間,提高了載波相位提取精度;(2)在數(shù)據(jù)處理軟件中,主要基于載波相位差分,以偽距輔助載波相位進(jìn)行差分(碼載權(quán)比為1/100)。

        3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于石家莊市郊收集的BD雙頻靜態(tài)數(shù)據(jù),基線長(zhǎng)度約為4km,截止高度角為10°,采樣間隔為1s,總共收集了2015個(gè)歷元的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集所使用的接收機(jī)為自研的抗干擾一體機(jī),B1頻點(diǎn)為單陣元,B3頻點(diǎn)為抗干擾四陣元。

        為評(píng)估偽距和載波相位觀測(cè)量精度,試驗(yàn)中基于B1/B3雙差觀測(cè)模型計(jì)算固定解雙差殘差。在構(gòu)建雙差觀測(cè)量過(guò)程中,選擇高度角最高的12號(hào)衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星。此外,為了使殘差更好地反映觀測(cè)誤差,試驗(yàn)中代入基線真值,并在殘差計(jì)算中固定為已知值(即未知參數(shù)僅為雙差整周模糊度)。

        如圖1所示為B1頻點(diǎn)載波雙差殘差序列圖,如圖2所示為B3頻點(diǎn)載波雙差殘差序列圖,如表1所示為B1/B3雙差殘差統(tǒng)計(jì)值。

        表1 B1/B3雙差殘差統(tǒng)計(jì)值(各統(tǒng)計(jì)量取絕對(duì)值后取95%)Tab.1 Statistic value of B1/B3 double difference residual (95% after absolute value of each statistic)

        圖1 B1載波雙差殘差序列圖Fig.1 B1 carrier double difference residual sequence diagram

        圖2 B3載波雙差殘差序列圖Fig.2 B3 carrier double difference residual sequence diagram

        從表1可看出,B1頻點(diǎn)、B3頻點(diǎn)載波雙差殘差均小于1/4周(5cm),抗干擾天線雖然導(dǎo)致載波相位噪聲明顯偏大,但是仍然沒有破壞B1/B3頻點(diǎn)載波相位模糊度整數(shù)特性,B3頻點(diǎn)載波雙差殘差均大于B1頻點(diǎn)載波雙差殘差。

        從表2可看出,B3頻點(diǎn)載波雙差殘差最大值與最小值之差比B1頻點(diǎn)載波雙差殘差最大值與最小值之差大。因?yàn)榭垢蓴_天線不濾噪聲,不具備多徑抑制功能,相對(duì)于高精度天線而言,噪聲更大一些。

        表2 B1/B3 雙差殘差峰峰值(不取絕對(duì)值的最大值、最小值,單位:m)Tab.2 Peak value of B1/B3 double difference residual peak (maximum and minimum values without absolute values,unit: m)

        如圖3所示為B1/B3雙頻RTK解算的平面精度序列圖,如圖4 所示為B1/B3 雙頻RTK 解算的高程精度序列圖。水平精度(取95%)達(dá)到0.04m,高程精度(取95%)達(dá)到0.06m。

        圖3 B1/B3 雙頻RTK 平面精度序列圖Fig.3 B1/B3 dual-frequency RTK planar precision sequence diagram

        圖4 B1/B3 雙頻RTK 高程精度序列圖Fig.4 Sequence diagram of B1/B3 dual-frequency RTK elevation accuracy

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)定量分析了抗干擾天線對(duì)載波相位模糊度整數(shù)特性、北斗RTK 定位性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明:抗干擾天線雖然導(dǎo)致載波相位噪聲明顯偏大,但是仍然沒有破壞B1/B3 頻點(diǎn)載波相位模糊度整數(shù)特性,采用多陣元抗干擾天線的B3 頻點(diǎn)載波相位噪聲明顯大于B1 頻點(diǎn)。在進(jìn)行北斗RTK 定位處理時(shí),主要基于載波相位數(shù)據(jù),以偽距輔助載波相位進(jìn)行差分(碼載權(quán)比為1/100),其定位性能水平(取95%)可達(dá)到0.04m,高程(取95%)可達(dá)到0.06m 定位精度。

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