精密單點定位在導航用戶一體機定位精度測試中的應用

陳星宇,陳猛, 李建文,王世忠

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001;2.81804部隊,大連 116031)

精密單點定位在導航用戶一體機定位精度測試中的應用

陳星宇1,陳猛1, 李建文1,王世忠2

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001;2.81804部隊,大連 116031)

摘要：由于導航定位產(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?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,并對某導航用戶一體機定位精度進行測試評估。

關鍵詞：GNSS導航定位產(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)星導航系統(tǒng)(GNSS)的不斷發(fā)展和完善,導航由傳統(tǒng)的GPS時代進入了GNSS時代。相應的導航定位產(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。隨著導航技術及產(chǎn)品的快速發(fā)展,與之相對應的導航產(chǎn)品的測試評估技術也在不斷進步。導航產(chǎn)品的評估,主要指針對導航接收機產(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。對導航用戶一體機性能進行測試,重點是驗證導航定位產(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雜場景測試[1]。由于靈敏度,首次定位時間等相應的項目測試屬于接收機模塊的測試,在購進接收機模塊之前由接收機模塊生產(chǎn)廠家測試完成。導航用戶一體機不僅包括導航定位模塊,還包括慣導模塊,GIS地圖模塊,位置坐標計算等模塊。而慣導模塊在實驗室仿真測試中無法實現(xiàn),因此對導航用戶一體機進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。PPP技術是指利用單臺GNSS接收機,通過引入外部空間和時間基準(主要是指衛(wèi)星精密軌道和衛(wèi)星精密鐘差)來獲取接收機的精密位置的一種定位技術,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站的條件下達到雙差固定解相當?shù)木人絒3]。

本文采用精密單點定位動態(tài)測量模式,在導航用戶一體機定位精度測試評估試驗中為被測試產(chǎn)品提供位置基準。通過對野外實驗結(jié)果進行分析,論證了PPP在導航用戶一體機定位精度測試中的可行性,同時也為導航用戶一體機產(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,估計接收機坐標、接收機鐘差、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,基準點采用靜態(tài)精密單點定位模式進行測量,采用天解結(jié)果作為基準點最終的位置坐標。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。同時在周邊架設基準站,進行同步觀測,應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到亞分米級。盡管達不到動態(tài)相對定位的厘米級水平,但足以代替相對定位作為導航用戶產(chǎn)品定位精度測試評估的基準。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導航用戶一體機定位精度測試評估

本次對導航用戶一體機定位精度的測試主要進行了不同環(huán)境情況下的定位精度測試、信號中斷后慣導定位精度有效時間、衛(wèi)星信號重連后恢復時間等測試。實驗于2015年5月5日進行,用NovAtel DL-V3接收機架設在基準點用于提供基準坐標。被測產(chǎn)品為市場中選取的某一導航用戶一體機,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)定位精度是指導航產(chǎn)品在靜止的情況下對其進行測量,所測得的位置坐標與真實坐標的差值。動態(tài)定位精度是指導航產(chǎn)品在運動過程中進行定位測量,將位置信息與PPP求得基準位置信息進行比較。

本次在實驗靜態(tài)定位精度測試中,首先對基準點進行靜態(tài)精密單點定位,采用天解結(jié)果做為基準點坐標;然后將用戶一體機天線架設在基準點上,由于用戶一體機天線定位精度在米級,所以架設上允許存在厘米級的偏差;最后將測得的結(jié)果與基準點坐標進行比較,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行。將兩臺NovAtel DL-V3接收機架設在導航用戶一體機天線兩側(cè),而導航用戶一體機位于基準接收機中央,對基準接收機分別進行動態(tài)精密單點定位,導航用戶一體機采用接收機實時輸出的普通單點定位解(承諾定位精度10 m)。以基準接收機每個歷元坐標的平均值作為基準坐標,與導航用戶一體機所測位置進行比較,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　導航用戶一體機靜態(tài)定位精度測試評估

圖4　導航用戶一體機動態(tài)定位精度測試評估

表3　導航用戶一體機靜態(tài)定位精度測試

表4　導航用戶一體機動態(tài)定位精度測

3.2復雜場景測試評估

復雜場景測試是指在各種不同的測試場景下對導航接收機的定位性能進行測試[1]。可能涉及的場景包括

1) 地理環(huán)境影響

當導航用戶接收機處于較為復雜的地理環(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,導航用戶接收機將不能繼續(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雜環(huán)境的定位精度測試,又要保證基準點的定位精度。因此此場景實驗采用人為的方式對復雜環(huán)境進行模擬。

3.2.1高樓密集場景定位精度測試評估

在導航用戶一體機天線兩側(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點處接收機不造成干擾。模擬移動載體在城市道路上行駛,道路兩側(cè)有高層,樓層預計為50層,高約200 m.依比例換算成擋板高度設置在接收機兩側(cè),測試時長約20 min.在實驗過程中,基準接收機可見衛(wèi)星數(shù)8顆,導航用戶一體機可見衛(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,用戶一體機可以適應城區(qū)比較復雜的應用環(huán)境,基本能夠達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模塊導航定位的有效時間及恢復信號接收后,獲得有效定位所需的時間。因此采用插拔導航用戶一體機天線的方式對導航用戶一體機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,恢復正常定位狀態(tài)。其中23621～23890期間,無坐標輸出。在這個時段內(nèi),其中23703～23724和23964～24068,導航用戶一體機顯示未定位狀態(tài)。基準接收機可見衛(wèi)星數(shù)8顆,導航用戶一體機可見衛(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

本文通過對導航用戶一體機測試評估結(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行研究并應用到實踐中,為導航未來的發(fā)展提供理論保障和技術支撐。

致謝:感謝信息工程大學iGMAS分析中心給予的幫助和支持。

參考文獻

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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)星導航系統(tǒng)工程與應用研究。

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

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)02-0038-05

作者簡介

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