箭載GNSS數據融合處理及精度分析

趙樹強，張 棟，許愛華，張 偉

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箭載GNSS數據融合處理及精度分析

趙樹強1,2，張 棟1,2，許愛華1,2，張 偉1,2

（1. 宇航動力學國家重點實驗室，西安，710043；2. 西安衛星測控中心，西安，710043）

針對箭載GPS、GLONASS與北斗導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）多星座導航接收機融合定位中多系統多星冗余信息的處理問題，研究了不同導航系統下觀測數據的權值確定策略，給出了改進的簡化Helmert方差分量估計方法，實現了箭載GNSS數據融合定位處理中觀測數據的自適應定權，通過實測數據計算分析表明：該權值確定策略，能充分利用可用冗余衛星信息，提高定位結果的可靠性，對定位精度有明顯改善，且計算量小，適用于運載火箭GNSS實時彈道確定。

箭載GNSS數據；融合定位；權值確定；精度分析

0 引 言

目前，在航天飛行試驗任務中，運載火箭大多配置了GPS/GLONASS多模導航接收機，隨著北斗導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的應用，未來航天發射任務中運載火箭上將安裝兼容北斗導航系統的GNSS導航接收機，從而改善了觀測衛星相對于目標的幾何分布，克服了單導航系統由于高動態或特征段運載火箭（一般指火箭飛行過程中程序轉彎、發動機點火和關機、級間分離等特征飛行時段，在這些特征點上火箭動作劇烈，震動較大，極易造成箭載合作目標失鎖）機動干擾而無法觀測到足夠的衛星問題，使定位完好性和可靠性都有較大提高。然而在箭載GNSS觀測數據處理時，由于GPS和GLONASS系統的觀測精度不同，在觀測數據質量上差異較大，其觀測值的噪聲特性不明確，導致很難確定適當的權矩陣。通常的做法是以一個簡單的矩陣比如單位陣為權矩陣，這可能會造成在融合定位中由于冗余信息過多，反而定位精度差的現象即觀測信息的增加不一定會改善定位精度。因此，如何既最大限度合理利用觀測數據，又保證箭載GNSS彈道結果精度最優，是箭載GNSS數據融合處理的關鍵問題。利用先驗精度確定的權矩陣通常不能完全反映各類觀測值的實際精度或精度結果的可信度，為了得到最優的融合定位結果，應盡可能正確地估計不同導航系統觀測值的權。

1 融合定位模型

GPS、GLONASS和BDS觀測數據的融合，必須首先統一這些導航系統的坐標系和時間系統[1,2]，可將GLONASS系統的PZ-90坐標系和BDS系統的CGCS2000坐標系轉換到GPS系統的WGS-84坐標系中。

GPS、GLONASS和BDS定位觀測方程為[3,4]

同理，對定位觀測方程組（3）兩邊對時間求導，可得速度的觀測方程：

由此可得位置或速度精度估計時的協方差矩陣[6]：

2 權值確定策略

根據最佳信號估計理論，對不同強度信號的GNSS觀測信息進行不同加權，當權矩陣等于觀測值（主要指在衛星跟蹤狀態有效且信噪比滿足門限要求，通常設定信噪比SNR>5的條件下GNSS衛星的偽距觀測量、多普勒觀測量和載波相位觀測量）的方差-協方差的逆矩陣時，權選擇為最優。此時，相對權之間的平衡使得解的精度為最好。

2.1 簡化Helmert方差分量估計方法

其中，

因此，可得到Helmert方差分量估計[7]簡化公式：

2.2 權值確定步驟

實際工程計算時可按下列步驟進行：

3 算例分析

由于北斗導航定位系統在航天發射運載火箭測量任務中還處于初步應用階段，因此本算例中主要分析了箭載GPS和GLONASS測量數據的融合處理情況。根據第2節中權值計算方法，本節利用某型號任務箭載GPS、GLONASS導航接收機獲取運載火箭GNSS觀測數據，按箭載GNSS專用格式對觀測數據和導航電文進行了數據解碼、衛星位置計算[5]、誤差修正和融合定位解算分析，其計算流程如圖1所示。

圖1 箭載GNSS融合定位自適應加權處理流程

圖2為GPS、GLONASS、GPS+GLONASS等權和GPS+GLONASS自適應加權融合定位4種結果在發射坐標系下的基準站位置精度曲線。

a）方向

b）方向

c）Z方向

圖3為GPS，GLONASS，GPS+GLONASS等權和GPS+GLONASS自適應加權融合定位4種情況下運轉火箭位置參數精度曲線。

a）方向

b）方向

圖3 火箭位置精度曲線

c）方向

續圖3

表1 定位精度均值

表2 加權融合定位精度提高百分比對照

4 結 論

本文對箭載GNSS多系統多星冗余觀測數據的權值確定策略進行研究，給出簡化的Helmert方差分量估計方法，對實測基準和箭載GNSS觀測數據進行計算分析。計算結果表明：本文給出的權值計算方法，對基準和箭載導航接收機定位精度都有明顯改善，該方法能充分利用可用冗余衛星信息，定位結果可靠，定位精度有較大提高且計算量小，適用于運載火箭GNSS實時彈道確定和精度估計，可進一步推廣應用于導彈、航天器或飛機試飛等高動態GNSS融合定位中。

[1] 張守信. GPS技術與應用[M]. 北京: 國防工業出版社, 2004.

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[5] Xu G C. GPS理論、算法與應用[M]. 李強, 劉廣軍, 于海亮, 等譯. 第2版. 北京: 清華大學出版社, 2011.

[6] 張守信. GPS衛星測量定位理論與應用[M]. 長沙: 國防科技大學出版社, 1996.

[7] 隋立芬, 宋力杰, 柴洪洲. 誤差理論與測量平差基礎[M]. 北京: 測繪出版社, 2010.

On-board GNSS Data Fusion Processing and Precision Analysis

Zhao Shu-qiang1,2, Zhang Dong1,2, Xu Ai-hua1,2, Zhang Wei1,2

(1. State Key Laboratory of Astronautic Dynamics, Xi’an, 710043; 2. Xi’an Satellite Control Center, Xi’an, 710043)

For the multisystem and multisatellite redundance of observation data in on-board GPS、GLONASS and BDS constellation navigation system fusion positioning, the strategy of observation data weight determination on two different navigation system is researched, the improved method of simplified Helmert variance component estimation is presented in this paper, to realized the adaptive weight determination of observation data in on-board GNSS Fusion positioning. The calculation and analysis of the measured data show that the weight determination strategy can make full use of available redundant satellite information, and improve the reliability of the position results. This weight determination strategy has a significant improvement on the positioning accuracy and the calculation is small, and it is suitable for the real time on-board GNSS ballistic calculation.

On-board GNSS data; Fusion positioning; Weight determination; Precision analysis

1004-7182(2017)06-0052-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170612

TN966

A

2016-11-22；

2017-01-09

趙樹強（1970-），男，高級工程師，主要研究方向為運載火箭外彈道測量數據處理