建立GNSS動態定位性能檢定基準的必要性和初步設想

+ 叢佃偉 許其鳳 信息工程大學導航與空天目標工程學院

建立GNSS動態定位性能檢定基準的必要性和初步設想

+ 叢佃偉 許其鳳 信息工程大學導航與空天目標工程學院

動態定位性能是衛星導航系統的重要技術指標，本文從5個方面探討了建立GNSS動態定位檢定基準的重要意義，就動態定位檢定基準所應具備的條件進行了詳細的分析，給出了初步的建設方案。攝影/慣導組合測量定位方法在原理上與衛星導航定位方法有本質區別，工作模式、基本觀測量與衛星導航定位方法均不同，避免了可能存在相同或相近的系統性偏差。攝影/慣導組合測量定位方法能具備高動態定位、高精度定位、高數據更新率以及溯源驗證4個必備條件，非常適合作為GNSS動態定位檢定基準的選擇方案。開展衛星導航系統動態定位檢定理論與方法的研究和實踐工作，完成動態檢定基準的建設和溯源驗證，建立國際上首個衛星導航系統動態定位（三維）檢定規范，對于北斗衛星導航系統的建設和推廣應用具有重要意義，本文所做工作算是研究GNSS動態定位檢定基準的開端。

全球導航衛星系統；測試評估；動態定位；檢定基準；溯源；攝影測量

1　引言

全球導航衛星系統（GNSS）能夠同時提供導航、定位、授時功能，是現代國防和國民經濟建設的重要基礎設施，是建立統一時空基準的有效方式，是一個國家或地區的重要戰略資源。衡量衛星導航系統的服務性能有精度、完好性、可用性、連續性等指標，衛星導航系統性能測試評估方法是衛星導航領域的研究熱點，定位性能是衛星導航系統的重要技術指標，也是衡量導航系統技術水平的重要標志，近年來國內外對定位性能的測試評估開展了大量的理論研究與實踐工作［1-3］。

靜態定位精度在一定程度上可以反映出衛星導航系統定位性能，但不能完全反映載體在動態（尤其是高動態）條件下所能達到的實際定位精度，為合理評價衛星導航系統的定位性能，必須要開展動態定位性能的測試評估工作，國內外利用GPS RTK（Real - time kinematic，實時動態定位）、PPP（Precise point positioning，精密單點定位）、傳統無線電測量及地面高速攝像等方法作為比對技術進行了動態定位性能評估的工程實踐［4-5］。

“測試、計量是人們從客觀事物中提取所需信息，借以認識客觀事物并掌握其客觀規律的一種科學方法，測試測量技術則是通過測試手段實現上述方法的技術， 基準標準技術是測試計量技術水平的最高表現形式”［6］。動態定位性能檢定基準是動態定位性能測試評估技術的最高表現形式，基準溯源性的要求是：建立一條具有規定不確定度的不間斷比較鏈，使GNSS動態定位值能夠與規定的參考標準（通常是國家測量標準或國際測量標準）聯系起來［7］。但由于衛星導航系統動態定位的高定位精度、定位結果瞬時性、動態范圍大、數據更新率高等特點，目前的測試評估方法難以按照計量規范要求進行嚴謹的溯源驗證工作，公開文獻檢索顯示國內外尚未建立GNSS動態定位檢定基準。

本文主要對建立GNSS動態定位性能檢定基準的重要意義、檢定基準具備的性能及初步設想進行了探討。

圖1.衛星導航系統主要組成

2　建立GNSS動態定位性能檢定基準的意義

2.1北斗衛星導航系統自身建設的需要

對衛星導航系統功能、性能的測試評估貫穿于衛星導航系統的設計、研發、部署、運行和擴展等各個階段。衛星導航信號質量、所測衛星幾何分布、衛星鐘的穩定性、廣播星歷、信號傳播環境、接收機偽距測量精度、定位解算數學模型、載體運動速度及加速度等諸多因素均會影響GNSS導航定位性能。由于部分誤差源（如大氣傳播延遲、多路徑效應等）的誤差特性往往和理論特性相差較大，很難嚴格建模，按照衛星導航系統各分項分配指標疊加的理論定位不確定度，不能真實反映系統的性能和實際定位不確定度（用戶所能取得的）。

衛星導航系統建成后，需要通過實際的動態定位性能檢定工作以驗證建成系統是否滿足設計指標要求，檢定結果是發布衛星導航系統公開服務性能規范中定位精度指標的重要支撐，其檢定結果較其它測試評估手段更具備說服力。同時動態定位性能檢定結果能為下一步系統性能改善和增強提供參考依據。

2.2動態定位性能測試評估方法發展的需要

對于GNSS動態定位性能的測試評估方法，目前國內外主要采用將衛星導航定位結果與其它定位方法（甚至采用其它衛星導航系統）獲得的測量結果進行比對評估的方法，國內衛星導航定位總站、信息工程大學、武漢大學等單位均進行了大量的研究和實踐工作，取得了豐富的成果。比對評估方法主要利用GPS RTK或PPP（精密單點定位）技術展開，兩種方法本質上均是基于無線電測距（偽隨機碼測距和載波相位測距）的空間后方交會方法，與衛星導航定位的本質相同，在觀測量、解算方法等方面存在較強的相關性，難以消除可能存在的系統性誤差對定位結果的影響。

另外，還有其它能夠對載體動態定位性能進行測試的裝備和評估方法（如高速攝像、光電經緯儀等），對于同一動態定位載體，利用不同類型的傳感器和定位測試手段可能出現不同的評估結果，由于缺乏統一認可的動態定位性能檢定基準體系，難以形成統一的動態定位性能評判結果。建立GNSS的動態定位基準是動態定位性能測試評估方法向前發展的必要需求，可補充和完善我國衛星導航系統服務性能測試評估體系。

2.3衛星導航系統終端計量檢定的需要

衛星導航系統對于國民經濟和國防領域關系重大，衛星導航定位終端作為關系國計民生的基礎產品，生產企業眾多，出廠前或重要用戶裝備采購前需要對產品進行計量檢定。據統計，2013年中國衛星導航終端產品市場總值超過1500億，2015年將達到2000億，2020年達到4000億。我國《計量法》和《國防計量監督管理條理》要求作為計量器具的儀器在投入使用前應經過計量機構的檢定，1500億的國內導航終端產品市場，衍生了100多億的終端產品檢測市場，而目前我國限于動態定位檢定基準的缺失，尚未建立強制的GNSS動態定位性能檢定規范。2.4 衛星導航系統推廣應用、滿足特殊用戶需求的需要

2.4衛星導航系統推廣應用、滿足特殊用戶需求的需要

隨著衛星導航系統的建設與發展，GNSS應用領域內的競爭日趨激烈，系統服務性能的優劣是競爭輸贏的關鍵，科學技術的不斷發展和特殊行業應用需求的不斷提升，對衛星導航系統的服務性能提出了更高的標準。

衛星導航系統終端的用戶主要是動態導航定位用戶，民用導航用戶如客機、直升機、高速列車、汽車等，軍用導航用戶如戰車、戰機、軍艦、精密制導彈藥等，動態定位具有用戶多樣性、速度多異性、定位實時性、數據短時性，精度要求多樣性等特點，動態定位性能的指標涉及到可以滿足哪些主要用戶群對導航定位的需求、用戶的應用范圍和模式，例如國際民航組織對衛星導航系統所能實現的性能有苛刻的測試指標，動態定位性能的評價指標確認便是其中的難點之一。

系統建成后，按照或接近用戶實際使用的條件進行導航定位動態性能檢定工作是必要的，能夠為用戶提供可靠、規范的動態定位性能指標，這樣的檢定結果是用戶在使用中實際能獲得的技術指標，也是敏感用戶最關心的指標之一。檢定結果能為動態定位用戶提供應用依據，提升重要應用部門在各類高動態場景中使用衛星導航系統終端的信心，對推廣北斗衛星導航系統在更多領域中發揮更廣泛的應用和進入國際市場有重要的作用。

圖2. GNSS動態定位檢定基準可能的服務對象

2.5開展衛星導航系統抗干擾等技術研究的需要

“導航戰（NAVWAR）”是隨著衛星導航技術的廣泛應用而興起的一種軍事作戰模式，諸多國家對“導航戰”攻防技術進行了大量的研究，對衛星導航系統和導航終端進行了大量的技術改進和改造。同時，由于衛星導航系統的“脆弱性”，部分民用設施也會對衛星導航系統產生干擾。建立動態定位檢定基準可以研究干擾模式對衛星導航系統動態定位性能的影響，為大系統改進、裝備改進和制定衛星導航系統應用法規提供依據。

3　GNSS動態定位性能檢定基準需具備條件

中華人民共和國國家計量技術規范-通用計量術語及定義（JJF1001-1998）中對國家基準（標準）定義：經國家承認的測量標準，在一個國家內作為對有關量的其他測量標準的定值的依據。

衛星導航動態定位用戶處于運動狀態（具有一定的速度和加速度），其空間位置隨時間不斷變化，動態定位結果具有瞬時性和不可重復性，這為動態定位性能測試評估帶來難題，使衛星導航系統動態定位性能檢定基準與靜態定位性能檢定基準在實現途徑和評估方法上有較大的差異。檢定基準系統至少應具備以下幾個條件：

1） 具備動態條件下定位的能力，動態范圍視檢定需求和實際條件而定，如選擇的載體動態范圍有限，則應選擇動態定位性能與載體速度、加速度、姿態無關或相關性弱的技術，以使檢定結果具備強的動態拓展性。

2） 具備動態定位條件下的連續定位能力，其數據更新率應不低于被檢定北斗導航系統終端的數據更新率。動態定位結果的瞬時性要求采用必須快速時域定位參數來描述與刻畫定位載體的運動狀態和運動過程，并要求能高速、準確地顯示、記錄、歸算動態定位結果［8］。目前主流終端的數據更新率為1-10Hz，因此檢定基準的數據刷新率應大于10Hz，并具備一定的拓展能力。

3） 檢定基準系統應具備更優的動態定位性能，與衛星導航系統終端的動態定位結果歸化到同一坐標系統和同一時間系統下的同一時刻下，利用統一的定位評價指標進行比較。

檢定基準系統自身的定位性能（包含歸化誤差）確定可依據通用計量術語及定義（JJF1001 -1998）中對校準測量能力的要求：通常提供給用戶的最高校準測量水平，用包含因子K=2的擴展不確定度表示，有時也稱最佳測量力。實踐中如條件允許通常設定K=3，即要求其定位的不確定度要小于被檢測設備設計不確定度的1/3。

4） 按照計量規范要求，搭建的基準系統必須通過一條具有規定不確定度的不間斷的比較鏈使測量結果的值能夠與規定的參考標準聯系起來，具備這種定位精度的驗證溯源能力后才能作為衛星導航系統動態定位性能檢定的基準系統［9］。

4　GNSS動態定位性能檢定基準初步建設方案

如果選擇合適的軟硬件和外部條件，基于單張像片的攝影測量交會定位方式（機載低空攝影測量）能夠得到較高的定位精度［10-12］。其基本觀測量是地面控制點在圖像傳感器上的像點坐標，本質是基于測角的空間后方交會定位法。慣性導航的觀測量是速度和角度的微分量，通過積分法推算定位。而衛星導航系統導航定位的基本觀測量是衛星到接收機之間的偽距和偽距變化率，本質是基于測距的空間后方交會定位法。攝影測量、慣性測量方法的工作模式、基本觀測量均與衛星導航定位方法不同，定位結果與速度基本無關，具備高動態條件下的定位能力。

利用中高畫幅相機的攝影定位方式精度較高，但數據刷新率不夠。慣導系統數據刷新率較高（一般在100Hz以上），短時定位精度較高，但隨時間變化誤差累積較快。采用攝影/慣導組合測量的方式則可能實現高定位精度與高數據刷新率的統一。筆者所在課題組利用哈蘇H4D-60相機和JJGD-XMUT激光捷聯慣性導航系統開展的仿真試驗和半物理仿真試驗驗證了該方案的可行性，試驗結果另文進行詳述。這種測試方法可以避免因觀測量相同或相近導致的系統性偏差，提高動態定位結果的可信度。

選擇攝影/慣導組合測量系統作為檢定基準系統初步方案，其定位性能基本與速度無關，因此通過靜態條件的全站儀交會定位方法驗證攝影/慣導組合測量系統所能實現的定位性能，其結果適用于高動態條件，只需加入因速度原因而引起的歸心誤差（攝影定位時間同步引起）。還可利用地面恒星背景攝影閃光目標的多次測量方式檢驗檢定基準動態定位性能，該方式定位性能與速度基本無關，其性能利用靜態條件下的全站儀交會定位方式進行檢核，以此完成動態檢定基準的溯源工作，溯源流程見圖3。

5　結論與展望

本文從5個方面探討了建立GNSS動態定位檢定基準的重要意義，就動態定位檢定基準所應具備的條件進行了詳細的分析，給出了初步的建設方案。攝影/慣導組合測量定位方法在原理上與衛星導航定位方法有本質區別，其工作模式、基本觀測量與衛星導航定位方法均不同，避免了使用相同的工作模式或者觀測量，即可避免可能存在相同或相近的系統性偏差，攝影/慣導組合測量定位方法能具備高動態定位、高精度定位、高數據刷新率以及溯源驗證4個必備條件，非常適合作為GNSS動態定位檢定基準的選擇方案。

衛星導航系統動態定位性能檢定是一項基礎性的重要工作，迫切需要從理論和實踐兩個層面進行科學、細致的研究和工程實踐，通過加強基礎性研究和創新性的解決方案，開展北斗衛星導航系統的動態定位指標檢定理論與方法的研究，搭建完整的衛星導航系統動態定位性能檢定體系，完成動態定位檢定基準的建設和溯源驗證，建立國際上首個衛星導航系統動態定位（三維）檢定規范，對于北斗衛星導航系統的建設和推廣應用具有重要意義。由于檢定技術和方法的通用性，建立的基準能夠同時對其它衛星導航系統終端或者其它定位載體進行動態定位性能的檢定工作。

圖3.檢定基準的溯源流程

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