機(jī)載GNSS動態(tài)定位定速與定姿理論及算法研究

王潛心

1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙410083；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京100830

機(jī)載GNSS動態(tài)定位定速與定姿理論及算法研究

王潛心1，2

1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙410083；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京100830

航空動態(tài)測量技術(shù)因不受地形條件和氣候條件的限制，可在高寒地區(qū)、陡峭山區(qū)、原始森林等人員難以到達(dá)的地區(qū)進(jìn)行空中測量，其高效的作業(yè)方式是常規(guī)的地面測量手段所無法比擬的。論文圍繞航空動態(tài)測量中移動測量平臺的運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測問題展開研究，涉及機(jī)載GNSS動態(tài)定位中主要誤差的處理、長距離機(jī)載GNSS動態(tài)定位、高精度GNSS定速與定姿方法等諸多關(guān)鍵技術(shù)問題，其主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）由于對流層延遲量與測站的高程密切相關(guān)，當(dāng)兩測站高差為10m時(shí)，其天頂方向?qū)α鲗友舆t量之差將達(dá)2～3mm。而機(jī)載動態(tài)相對定位中，飛機(jī)與地面參考站間的高差一般都在幾公里以上，因此很難通過差分的方式進(jìn)行有效消除。為此提出了“投影延拓法”，該方法先將飛機(jī)的空中運(yùn)行軌跡利用高斯正算投影到地面參考網(wǎng)的平均高程面上，然后應(yīng)用反向距離加權(quán)公式對投影點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插，最后根據(jù)大氣參數(shù)隨高程的變化關(guān)系將投影點(diǎn)延拓至原有位置。試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)流動站比參考站高幾百米甚至幾千米時(shí)，該方法始終能獲取毫米級的對流層延遲量改正值，其誤差只與向上延拓時(shí)大氣模型本身垂直方向上的分辨率相關(guān)。

（2）機(jī)載動態(tài)定位的觀測環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致異常誤差出現(xiàn)十分頻繁，如何有效地控制機(jī)載動態(tài)定位中異常誤差的影響對保證最終成果的精度和可靠度至關(guān)重要。對此提出采用粗差檢測與抗差估計(jì)相結(jié)合的方式來處理機(jī)載動態(tài)定位中的粗差問題，即：在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段利用粗差檢測和較為寬松的判別標(biāo)準(zhǔn)來剔除大的粗差；在參數(shù)估計(jì)階段利用抗差估計(jì)來控制小粗差的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示：對于海量數(shù)據(jù)的機(jī)載動態(tài)定位而言，該方法不僅能有效抵御粗差的影響而且能保證軟件的解算速度。

（3）單基線處理模式是目前GNSS動態(tài)相對定位中最簡單常用的一種解算模式。但在長距離機(jī)載動態(tài)定位中，由于載體飛行距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致流動站與參考站間的共視衛(wèi)星數(shù)減少，PDOP值變大，定位精度下降甚至無解。為此提出采用“自適應(yīng)換站”法來解決這一問題。該方法的主要思想是：整個(gè)解算過程始終保持單基線的動態(tài)定位模式，當(dāng)發(fā)現(xiàn)流動站與原參考站間的距離大于流動站與其他參考站間的距離時(shí)，自動更換周圍最近的參考站作為新參考站；對換站前后的數(shù)據(jù)設(shè)置一定時(shí)間的重疊段，利用等價(jià)消參法將換站前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的自適應(yīng)融合，以保持整個(gè)解算過程的連續(xù)性。試驗(yàn)結(jié)果顯示：該方法不僅可以克服因載體飛行距離過遠(yuǎn)而導(dǎo)致定位結(jié)果精度下降，而且能夠避免因換站所引起前后解的不連續(xù)，定位結(jié)果精度優(yōu)于2cm。

（4）詳細(xì)比較現(xiàn)有3種GNSS定速方法（位置求導(dǎo)法、相位差分法、多普勒定速法）的優(yōu)缺點(diǎn)，給出各自的適用范圍，并依此提出一種GNSS綜合定速法。該方法通過綜合使用GNSS載波相位觀測值和多普勒觀測值來確定載體速度，不僅可改善單獨(dú)使用多普勒觀測值時(shí)的定速精度，而且可克服單獨(dú)使用載波相位觀測值時(shí)受載體機(jī)動性影響較大的弊端，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，其定速結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。試驗(yàn)結(jié)果顯示：綜合法定速的精度優(yōu)于1cm／s。

（5）由于GNSS觀測量是距離而非角度，因此精密定姿一致是GNSS應(yīng)用方面的短板。對此提出基于抗差自適應(yīng)卡爾曼濾波的GNSS定姿方法，其特點(diǎn)是：一是引入了姿態(tài)運(yùn)動方程，并利用自適應(yīng)因子來調(diào)節(jié)運(yùn)動方程和觀測方程對最終解的貢獻(xiàn)；二是引入了抗差估計(jì)的思想，使其能更好的滿足惡劣觀測環(huán)境下的定姿需求；三是當(dāng)一些歷元觀測數(shù)少于必要觀測數(shù)時(shí)，該方法可通過姿態(tài)運(yùn)動方程為用戶提供較可靠的預(yù)報(bào)解，進(jìn)而保持了解的連續(xù)性。試驗(yàn)結(jié)果顯示該方法的定姿精度可優(yōu)于0.01°。

（6）編寫了大型科研GNSS數(shù)據(jù)后處理軟件HALO＿GPS，該軟件被德國地學(xué)研究中心成功應(yīng)用于多個(gè)航空動態(tài)測量項(xiàng)目。為使軟件界面更友好、操作更簡單、結(jié)果更直觀，開發(fā)了商用GNSS定位定速與定姿軟件XHGNSS V1.0，以滿足不同專業(yè)背景用戶的需求。

E－mail：wangqianxin8012＠163.com

Theory and Algorithm of Airborne GNSS Kinematic Position，Velocity and Attitude Determination

WANG Qianxin1，2
1.School of Geosciences and Info－Physics，Central South University，Changsha410083，China；2.Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing100830，China

his doctorate in Geodesy and Surveying Engineering，from School of Geosciences and Info－Physics，Central South University in June 2011，majors in GNSS data processing.

P228

D

1001－1595（2012）02－0628－01

國家科技支撐計(jì)劃（2012BAB16B01）；國家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2011AA120503）；中國測繪科學(xué)研究院科研業(yè)務(wù)費(fèi)（7771115；7771120）

2011－01－18

王潛心（1980—），男，2011年6月獲中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院大地測量學(xué)與測量工程專業(yè)博士學(xué)位（指導(dǎo)老師：陳正陽教授），研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理。

Author：WANG Qianxin（1980—），male，he