精密單點定位在導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度測試中的應(yīng)用

陳星宇,陳猛, 李建文,王世忠

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001;2.81804部隊,大連 116031)

精密單點定位在導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度測試中的應(yīng)用

陳星宇1,陳猛1, 李建文1,王世忠2

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001;2.81804部隊,大連 116031)

摘要：由于導(dǎo)航定位產(chǎn)品在實際場景中的定位精度測試評估方法還不完善,受實測條件的限制較大,其中定位精度測試所用的基準(zhǔn)多采用載波相對定位的方式獲得,受基站與載體之間距離的限制較大,往往不能很好地評估產(chǎn)品精度。而精密單點定位在事后動態(tài)測量中可以得到和雙差載波相對定位相當(dāng)?shù)木?而且不受地域的限制,有其獨特的優(yōu)勢。本文基于事后動態(tài)精密單點定位的方法,提出了一種切實有效的定位精度測試評估方法,并對某導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度進(jìn)行測試評估。

關(guān)鍵詞：GNSS導(dǎo)航定位產(chǎn)品；精密單點定位；定位精度測試評估

0引言

近年來,隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的不斷發(fā)展和完善,導(dǎo)航由傳統(tǒng)的GPS時代進(jìn)入了GNSS時代。相應(yīng)的導(dǎo)航定位產(chǎn)品也層出不窮，在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。隨著導(dǎo)航技術(shù)及產(chǎn)品的快速發(fā)展,與之相對應(yīng)的導(dǎo)航產(chǎn)品的測試評估技術(shù)也在不斷進(jìn)步。導(dǎo)航產(chǎn)品的評估,主要指針對導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)品的評估,可分為兩種,即實際場景測試評估和基于衛(wèi)星信號仿真器的測試評估。對導(dǎo)航用戶一體機(jī)性能進(jìn)行測試,重點是驗證導(dǎo)航定位產(chǎn)品采集和跟蹤衛(wèi)星信號的能力,檢測產(chǎn)品在不同功率電平和不同條件下計算定位的能力,通常包括靈敏度測試、首次定位時間測試、定位精度測試以及各種偏差情況下的復(fù)雜場景測試[1]。由于靈敏度,首次定位時間等相應(yīng)的項目測試屬于接收機(jī)模塊的測試,在購進(jìn)接收機(jī)模塊之前由接收機(jī)模塊生產(chǎn)廠家測試完成。導(dǎo)航用戶一體機(jī)不僅包括導(dǎo)航定位模塊,還包括慣導(dǎo)模塊,GIS地圖模塊,位置坐標(biāo)計算等模塊。而慣導(dǎo)模塊在實驗室仿真測試中無法實現(xiàn),因此對導(dǎo)航用戶一體機(jī)進(jìn)行實際場景測試很有必要。

1997年,Zumberge提出了精密單點定位(PPP)

技術(shù)。PPP技術(shù)是指利用單臺GNSS接收機(jī),通過引入外部空間和時間基準(zhǔn)(主要是指衛(wèi)星精密軌道和衛(wèi)星精密鐘差)來獲取接收機(jī)的精密位置的一種定位技術(shù),具有成本低、操作簡單、定位精度高等優(yōu)勢[2]。精密單點定位可以實現(xiàn)亞分米級的動態(tài)定位, 能在不需要地面基準(zhǔn)站的條件下達(dá)到雙差固定解相當(dāng)?shù)木人絒3]。

本文采用精密單點定位動態(tài)測量模式,在導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度測試評估試驗中為被測試產(chǎn)品提供位置基準(zhǔn)。通過對野外實驗結(jié)果進(jìn)行分析,論證了PPP在導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度測試中的可行性,同時也為導(dǎo)航用戶一體機(jī)產(chǎn)品定位精度測試評估提供了一種可行的評測方案。

1精密單點定位模型

PPP通過引入IGS提供的衛(wèi)星精密軌道和鐘差,利用雙頻消電離層組合測碼偽距和載波相位觀測量,估計接收機(jī)坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差、天頂對流層延遲和載波相位模糊度這四類參數(shù),其單歷元觀測方程為[4-5]

(1)

2精密單點定位精度分析

測試過程分為靜態(tài)定位精度測試和動態(tài)定位精度測試。在靜態(tài)定位精度測試實驗中,基準(zhǔn)點采用靜態(tài)精密單點定位模式進(jìn)行測量,采用天解結(jié)果作為基準(zhǔn)點最終的位置坐標(biāo)。圖1示出的是精密單點定位內(nèi)符合精度。在動態(tài)定位精度測試實驗中,動態(tài)精密單點定位數(shù)據(jù)采集于鄭州市周邊一段觀測條件比較好的路段,實驗場所比較空曠,沒有樹木,高樓等的遮擋。同時在周邊架設(shè)基準(zhǔn)站,進(jìn)行同步觀測,應(yīng)用相對定位測量模式檢驗動態(tài)精密單點定位精度。圖2示出的是動態(tài)精密單點定位外符合精度。

由以上精密單點定位精度分析可知,靜態(tài)精密單點定位精度在厘米級,動態(tài)精密單點定位精度達(dá)到亞分米級。盡管達(dá)不到動態(tài)相對定位的厘米級水平,但足以代替相對定位作為導(dǎo)航用戶產(chǎn)品定位精度測試評估的基準(zhǔn)。需要注意的是,動態(tài)精密定位對觀測條件,數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求比較高,所以測試需在開闊地帶進(jìn)行,保證采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖1　靜態(tài)精密單點定位

圖2　動態(tài)精密單點定位

統(tǒng)計X/mY/mZ/m差值均值0.0190.0410.02295%統(tǒng)計值0.0220.0430.023

表2　動態(tài)精密單點定位結(jié)果統(tǒng)計分析

3導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度測試評估

本次對導(dǎo)航用戶一體機(jī)定位精度的測試主要進(jìn)行了不同環(huán)境情況下的定位精度測試、信號中斷后慣導(dǎo)定位精度有效時間、衛(wèi)星信號重連后恢復(fù)時間等測試。實驗于2015年5月5日進(jìn)行,用NovAtel DL-V3接收機(jī)架設(shè)在基準(zhǔn)點用于提供基準(zhǔn)坐標(biāo)。被測產(chǎn)品為市場中選取的某一導(dǎo)航用戶一體機(jī),承諾定位精度10 m.

3.1定位精度測試評估

定位精度的測試評估可分為靜態(tài)定位精度評估和動態(tài)定位精度評估。靜態(tài)定位精度是指導(dǎo)航產(chǎn)品在靜止的情況下對其進(jìn)行測量,所測得的位置坐標(biāo)與真實坐標(biāo)的差值。動態(tài)定位精度是指導(dǎo)航產(chǎn)品在運動過程中進(jìn)行定位測量,將位置信息與PPP求得基準(zhǔn)位置信息進(jìn)行比較。

本次在實驗靜態(tài)定位精度測試中,首先對基準(zhǔn)點進(jìn)行靜態(tài)精密單點定位,采用天解結(jié)果做為基準(zhǔn)點坐標(biāo);然后將用戶一體機(jī)天線架設(shè)在基準(zhǔn)點上,由于用戶一體機(jī)天線定位精度在米級,所以架設(shè)上允許存在厘米級的偏差;最后將測得的結(jié)果與基準(zhǔn)點坐標(biāo)進(jìn)行比較,評價該產(chǎn)品的精度。而動態(tài)定位精度測試采用車載形式進(jìn)行。將兩臺NovAtel DL-V3接收機(jī)架設(shè)在導(dǎo)航用戶一體機(jī)天線兩側(cè),而導(dǎo)航用戶一體機(jī)位于基準(zhǔn)接收機(jī)中央,對基準(zhǔn)接收機(jī)分別進(jìn)行動態(tài)精密單點定位,導(dǎo)航用戶一體機(jī)采用接收機(jī)實時輸出的普通單點定位解(承諾定位精度10 m)。以基準(zhǔn)接收機(jī)每個歷元坐標(biāo)的平均值作為基準(zhǔn)坐標(biāo),與導(dǎo)航用戶一體機(jī)所測位置進(jìn)行比較,從而評價其精度。

具體測試精度結(jié)果如圖3、圖4、表3、表4所示。

圖3　導(dǎo)航用戶一體機(jī)靜態(tài)定位精度測試評估

圖4　導(dǎo)航用戶一體機(jī)動態(tài)定位精度測試評估

表3　導(dǎo)航用戶一體機(jī)靜態(tài)定位精度測試

表4　導(dǎo)航用戶一體機(jī)動態(tài)定位精度測

3.2復(fù)雜場景測試評估

復(fù)雜場景測試是指在各種不同的測試場景下對導(dǎo)航接收機(jī)的定位性能進(jìn)行測試[1]。可能涉及的場景包括

1) 地理環(huán)境影響

當(dāng)導(dǎo)航用戶接收機(jī)處于較為復(fù)雜的地理環(huán)境中,如高樓林立的城區(qū),依據(jù)建筑物的大小和方位的不同,會對衛(wèi)星信號產(chǎn)生不同的影響。

2) 遮擋

衛(wèi)星信號完全被建筑物或隧道等遮蔽,導(dǎo)航用戶接收機(jī)將不能繼續(xù)鎖定該信號,遮擋持續(xù)的時間取決于特定的地理環(huán)境。

由于試驗中既要完成復(fù)雜環(huán)境的定位精度測試,又要保證基準(zhǔn)點的定位精度。因此此場景實驗采用人為的方式對復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行模擬。

3.2.1高樓密集場景定位精度測試評估

在導(dǎo)航用戶一體機(jī)天線兩側(cè)安置可以自動豎起放下的擋板用于模擬高樓所帶來的遮擋,同時保證擋板對基準(zhǔn)點處接收機(jī)不造成干擾。模擬移動載體在城市道路上行駛,道路兩側(cè)有高層,樓層預(yù)計為50層,高約200 m.依比例換算成擋板高度設(shè)置在接收機(jī)兩側(cè),測試時長約20 min.在實驗過程中,基準(zhǔn)接收機(jī)可見衛(wèi)星數(shù)8顆,導(dǎo)航用戶一體機(jī)可見衛(wèi)星數(shù)5顆。定位精度測試結(jié)果如圖5和表5所示。

測試評估結(jié)果表明,用戶一體機(jī)可以適應(yīng)城區(qū)比較復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境,基本能夠達(dá)到廠家所承諾的定位精度,可以滿足用戶的基本需求。

圖5　模擬城區(qū)樓群對信號遮擋時定位精度測試評估

統(tǒng)計E/mN/mU/m差值均值1.8712.1335.03295%統(tǒng)計值1.9392.2435.181

3.2.2信號完全被遮擋場景定位精度測試評估

信號完全被遮擋場景測試評估實驗主要測試信號被完全遮擋后慣導(dǎo)模塊導(dǎo)航定位的有效時間及恢復(fù)信號接收后,獲得有效定位所需的時間。因此采用插拔導(dǎo)航用戶一體機(jī)天線的方式對導(dǎo)航用戶一體機(jī)模擬信號被完全遮擋的場景。

在這個實驗時段內(nèi),22 503(天內(nèi)秒)接連天線,測試重新獲得信號后獲得定位所需時間;22 840拔掉天線,模擬隧道場景;24 155接連天線,恢復(fù)正常定位狀態(tài)。其中23621～23890期間,無坐標(biāo)輸出。在這個時段內(nèi),其中23703～23724和23964～24068,導(dǎo)航用戶一體機(jī)顯示未定位狀態(tài)。基準(zhǔn)接收機(jī)可見衛(wèi)星數(shù)8顆,導(dǎo)航用戶一體機(jī)可見衛(wèi)星數(shù)8顆。定位精度測試結(jié)果如圖6,圖7和表6所示。

圖6　模擬隧道信號遮擋定位精度測試評估

測試評估結(jié)果表明,用戶一體機(jī)從開始至定位正確(以承諾10 m的2倍為限值),約需300 s.與產(chǎn)品承諾冷啟動定位時間5 min相符。從拔掉天線到定位失效(以承諾10 m的2倍為限值),約400 s.

圖7　模擬隧道信號遮擋定位精度測試評估(剔除粗值)

統(tǒng)計E/mN/mU/m差值均值(去除粗值)1.8262.1213.36595%統(tǒng)計值1.8962.2593.560

4結(jié)束語

本文通過對導(dǎo)航用戶一體機(jī)測試評估結(jié)果的分析表明,精密單點定位以其亞分米級的定位及測量模式不受基站限制等優(yōu)勢應(yīng)用到用戶產(chǎn)品測試中去,取代相對定位模式,作為用戶產(chǎn)品測試評估時提供測量基準(zhǔn)的方法。值得注意的是動態(tài)精密單點定位對測量條件、數(shù)據(jù)質(zhì)量要求比較高。因此接下來要對動態(tài)多系統(tǒng)精密單點定位,精密單點定位快速收斂等方向進(jìn)行研究并應(yīng)用到實踐中,為導(dǎo)航未來的發(fā)展提供理論保障和技術(shù)支撐。

致謝:感謝信息工程大學(xué)iGMAS分析中心給予的幫助和支持。

參考文獻(xiàn)

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陳星宇(1989-),男,河北唐山人,碩士,現(xiàn)從事精密單點定位和完好性等方向研究。

陳猛(1988-),男,河南商丘人,碩士生,現(xiàn)從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程。

李建文(1971-),男,浙江富陽人,教授,現(xiàn)從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程與應(yīng)用研究。

Application of PPP in the Positioning Accuracy Test of Navigator

CHEN Xingyu1,CHEN Meng1,LI Jianwen1,WANG Shizhong2

(1.InstituteofNavigationandSpaceTargetEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China;2.Troops81804,Dalian116031,China)

Abstract: Because methods of positioning accuracy test and assessment of navigator in practical scene is imperfect and is limited by the environment of practical scene. In these methods, common method uses carrier phase relative positioning to achieve reference point coordinate in the positioning accuracy test of navigator. The accuracy of reference point coordinate is limited by the distance between reference station and the datum station. With the distance enlarged, the accuracy of reference point gradually declines and test mission wound be imperfectly accomplished. However, it can be achieved by dynamic PPP that the accuracy equaled with the accuracy of carrier phase relative positioning. The positioning mode of dynamic PPP has some special advantage, such as single station, global positioning. In this paper, based on dynamic PPP, a new method of positioning accuracy test and assessment is proposed. And used this method, a positioning accuracy test and assessment of navigator demonstrate that the method is feasible.

Keywords:GNSS navigator; PPP; positioning accuracy test and assessment

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.007

收稿日期：2015-11-16

中圖分類號：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)02-0038-05

作者簡介

聯(lián)系人： E-mail: chenxingyu0201@163.com