北斗動動相對定位精度測試方法研究（通訊 ）
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北斗動動相對定位精度測試方法研究（通訊 ）
汪捷， 徐冠楠
（海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系，武漢430033）
摘要：著重研究了適合于北斗動態(tài)對動態(tài)定位的精度測試方法，包括基線長度約束檢測法、動態(tài)瞬時精度檢測法、借助GrafNav軟件比較法，以及實時與事后比較法等，并通過實例數(shù)據(jù)進行了分析和驗證、，結(jié)果表明，精度檢測方法可靠有效，能夠滿足動動定位的精度檢測需求。
關(guān)鍵詞：北斗系統(tǒng)；精度測試；動態(tài)瞬時；GrafNav
中圖分類號：P228.4 文章編號：1671 - 637X( 2016) 04 - 0066 - 04
0 引言
傳統(tǒng)GNSS差分定位的前提是基準(zhǔn)站相對地面處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此可以利用基準(zhǔn)站的精確位置作為求解相對位置的約束參數(shù)。但在航空器對接和飛機著艦等一些應(yīng)用中，需要求解的是兩個運動載體之間的相對位置矢量，這類技術(shù)可以統(tǒng)稱為動動相對定位¨。
在動動相對定位研究中，如何測試評估某定位系統(tǒng)或算法的定位效果，往往從精度、可用性、連續(xù)性和完好性等方面人手，而精度則是最能直接說明系統(tǒng)或算法定位效果的因子，精度測試是判斷和測試模型方法精度以及性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。動動定位中由于基線位置的不斷變化，一般很難找到用于精度檢測的基準(zhǔn)．且實時野外測試很難復(fù)現(xiàn)，所以對動動定位進行精度檢測具有較大難度，傳統(tǒng)的靜態(tài)對靜態(tài)定位或者動態(tài)對靜態(tài)定位的精度測試方法中，如靜態(tài)基線長度已知條件下的檢測法、實時定位結(jié)果與事后結(jié)果比較法等，相對動動定位應(yīng)用而言，這些方法往往不能全面反映各自算法模型的效果。
從嚴格意義上講定位精度( Position Accuracy)包含準(zhǔn)確度( Accuracy)和精確度(Precision)兩方面指標(biāo)。其中：準(zhǔn)確度是指測量值與真實值的符合程度，用于對解算或者測量值驗證是否正確的因子；精確度是指多次測量的測量結(jié)果彼此之間的符合程度，用于表明測量值的可重復(fù)性。從導(dǎo)航定位層面研究而言，定位精度更多的是指導(dǎo)航設(shè)備測量位置與待測點真實位置的一致程度，也就是定位準(zhǔn)確度。常用的精度統(tǒng)計方法有RMS均方根法、圓概率誤差法(CEP)和球概率誤差法( SEP)等，其中，RMS均方根較為常用，是指65 010置信概率統(tǒng)計的誤差結(jié)果。需要說明的是，為更全面準(zhǔn)確地對定位方法進行測定，在本文中，定位精度的計算是以所有結(jié)果的95%置信概率統(tǒng)計為主要衡量指標(biāo)。
1靜態(tài)檢測法
靜態(tài)檢測法是定位精度檢測中最易實現(xiàn)，也是最常見的方法，一直廣泛應(yīng)用于單點定位、常規(guī)RTK、網(wǎng)絡(luò)RTK等定位技術(shù)的精度檢測。主要方法是：在已知的區(qū)域內(nèi)選取兩個檢測點，進行長時間的同步靜態(tài)觀測，對長時間采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到的兩點之間的相對基線向量即可作為檢驗標(biāo)準(zhǔn)。測試過程中，將基準(zhǔn)站和流動站接收機分別架于兩個不同的檢測點，進行靜態(tài)單點定位，采集并保存數(shù)據(jù)。在事后數(shù)據(jù)處理過程中，結(jié)合已有的基線向量基準(zhǔn)，對實時定位結(jié)果進行分析統(tǒng)計，可以測得靜態(tài)條件下的定位精度。
在靜態(tài)精度檢測方法中，其顯著優(yōu)點在于檢測的結(jié)果可以較為準(zhǔn)確地反映定位的精度，但不足之處在于檢測動動定位系統(tǒng)時，不能完全反映定位精度和測試模型算法。其原因有以下兩點：首先，靜態(tài)檢測方法通常是采用靜態(tài)測量方式，在這種條件下測試的結(jié)果比較理想，難以真實反映實際動動相對定位應(yīng)用中的精度測試；其次，靜態(tài)檢測需要不變的已知準(zhǔn)確坐標(biāo)的點或者相對基線標(biāo)準(zhǔn)，而在某些測量復(fù)雜區(qū)域較難實現(xiàn)。
2動態(tài)檢測方法
在對傳統(tǒng)精度檢測法分析的基礎(chǔ)上，著重考慮實際動動相對定位的特點、應(yīng)用條件等因素，提出以下幾種不同類型的動動精度測試方法。
1)基線長度約束檢測法。
首先是在已知兩點之間基線的動動相對定位情況下，諸如固定于汽車等載體之間的接收機，這種方法一方面用于研究載體的三維姿態(tài)變化以及分量矢量的變化，另一方面應(yīng)用于對相對基線解算方法可靠性和可用性的驗證。其操作方法是，將基站和流動站的接收機天線固定于某一個運動載體上，進行長時間的實時動態(tài)定位，并采集數(shù)據(jù)。在事后處理過程中，不利用已知基線長度的信息，而是利用某些算法對采集數(shù)據(jù)進行解算得出其基線長度結(jié)果，將此結(jié)果和已知的基線長度做比較，兩者的差值反映了某些算法的精度和可靠性。
2)實時與事后處理結(jié)果比較。
一般而言，GNSS數(shù)據(jù)的事后處理效果要明顯優(yōu)于實時處理。因此，如果為了研究實時性定位解算效果，在采集的數(shù)據(jù)足夠多的情況下，一般將事后數(shù)據(jù)處理的定位結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，把實時解算的結(jié)果與事后數(shù)據(jù)處理的結(jié)果進行比較，根據(jù)差值結(jié)果的置信度等反映系統(tǒng)實時定位精度。
3)動態(tài)瞬時檢測。
為考察在動動定位中某些瞬時歷元定位結(jié)果的實時性以及和事后解算結(jié)果的符合程度，就必須對某些歷元定位精度進行瞬時檢測。這要求必須設(shè)立某些固定點，將其對應(yīng)的歷元實時解算結(jié)果與事后對應(yīng)歷元結(jié)果做比較。具體方法是，進行精度檢測時，在設(shè)定好的運動路線的特殊點（如轉(zhuǎn)折點，中點等）上設(shè)置多對相對位置精確已知的檢測點，將基準(zhǔn)站和流動站接收機各自同時運動到上述的某對檢測點上，記錄下此時解算的北斗時刻數(shù)，事后對該歷元下的解算結(jié)果進行比較。與純靜態(tài)和準(zhǔn)動態(tài)測試相比，該方法能夠反映接收機的運動狀態(tài)，不足點在于只能夠?qū)δ承⿻r刻的運動狀態(tài)進行檢測，無法連續(xù)地反映系統(tǒng)定位精度。
4) GPS軟件解算結(jié)果比較。
GPS定位技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟，系統(tǒng)定位精度可達厘米甚至毫米級，對于短基線的動動相對定位來說，北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)差異導(dǎo)致的基線解算偏差并不是很大，以GPS基線處理結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值驗證北斗相對定位精度有一定的參考作用。目前有諸多適合于靜態(tài)、動態(tài)GPS數(shù)據(jù)解算的商用軟件，如GrafNav軟件等。GrafNav是Novatel公司的GNSS事后處理軟件，該軟件采用了完善的濾波算法，功能強大、穩(wěn)定，利用雙頻GPS在5 km內(nèi)的動態(tài)測量精度可達到1cm +1ppm（GrafNav Web）。利用這些軟件解算的GPS結(jié)果可以作為檢測BDS定位精度的輔助參考標(biāo)準(zhǔn)。
3實例分析
在對精度檢測方法做大致介紹后，結(jié)合部分試驗數(shù)據(jù)進行實例說明。
3.1靜態(tài)檢測法
為驗證上述靜態(tài)檢測法效果，現(xiàn)進行靜態(tài)相對定位試驗驗證。由于實際應(yīng)用中相對定位的基線不會很長，現(xiàn)選擇兩對相對坐標(biāo)精確已知的檢測點，其中一條為超短基線L1，經(jīng)測量長度為15.254 m，另一條基線L2長度稍長，為1550. 682 m。檢測過程中，每條基線的同步觀測時間都為1h左右，采樣時間為1 s。實時解算軟件根據(jù)采集的數(shù)據(jù)獨立解算出每個歷元GPS和BDS的基線結(jié)果，分別統(tǒng)計相應(yīng)解的內(nèi)、外符合精度。
表1為兩條基線的靜態(tài)檢測結(jié)果，即兩條測試基線在以基準(zhǔn)站為中心的東北天坐標(biāo)系下的N，E，U和平面方向上的內(nèi)外符合精度。其中，N，E，U方向偏差為以基準(zhǔn)站為中心東、北、天坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)。
由表1可以看出，BDS實時基線解算結(jié)果在N，E，U3方向和平面方向的外符合精度都優(yōu)于4 cm，其中，第一條基線GPS的解算結(jié)果略優(yōu)于BDS，第二條基線BDS和GPS的解算結(jié)果精度相當(dāng)，并且無論是BDS系統(tǒng)還是GPS系統(tǒng)，解算結(jié)果在平面方向的精度都比高程方向要高。
3.2動態(tài)檢測法
上述動態(tài)檢測法1）和3）均為與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果對比，上述靜態(tài)檢測中已做分析，因此下面主要對兩法做試驗測試。
1)基線長度已知條件的精度檢測。
試驗開始前，將基準(zhǔn)站和流動站的天線分別固定于一根鋼管兩端螺紋接口處，將其置于各自的試驗小車上，在測量區(qū)域推動小車運動約10 min，數(shù)據(jù)采樣率為1s，同步采集并保存兩站數(shù)據(jù)。利用實時解算軟件分別解算出各個歷元時刻的BDS和GPS的基線結(jié)果，事后分別統(tǒng)計BDS和GPS實時解算的內(nèi)、外符合精度。事后數(shù)據(jù)處理前，精確測得固定基線長度值為0. 910 m。精度檢測時，設(shè)定基線長1m為上限。表2列出BDS和GPS實時解算的基線長度精度指標(biāo)，圖1所示為BDS和GPS每個歷元解算基線長度與真值的偏差示意。
由表2可知，在試驗結(jié)果測試中，BDS解算得到的基線長的外符合精度都在1cm以內(nèi)，與GPS相比而言，BDS數(shù)據(jù)基線長的解算精度和數(shù)據(jù)有效成功率略低。
由圖1可知，GPS解算的結(jié)果偏差在零值上下波動，波動幅度比較小，而BDS波動程度大于GPS，在第200個歷元附近，BDS系統(tǒng)解算的相對基線誤差最大，為0.07 m，而此時GPS在0.01m上下波動，隨著歷元數(shù)增多，BDS和GPS最終解算的基線偏差收斂于0.01 m附近。經(jīng)分析，在第200歷元左右處有樹木遮擋，由于BDS可視衛(wèi)星數(shù)目較多，變化較快，導(dǎo)致在該處BDS數(shù)據(jù)偏差較GPS更大，在圖中表現(xiàn)為第100到200歷元之間的BDS和GPS基線偏差均大于其他歷元，并且BDS變化幅度更為劇烈。
2)動態(tài)瞬間檢測。
選擇上述靜態(tài)檢測中的超短基線為檢驗標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示，BD為待檢測基線，C為基線中點。試驗開始后，一人手持裝有天線的裝置按照路線A
BC運動，另外一人持天線裝置按照路線EDC運動，當(dāng)?shù)谝蝗饲斑M到B點時候，確保第二人也行進到D點，由第三人根據(jù)解算軟件記錄下此刻對應(yīng)的北斗周秒，作為一次檢測。在中點C處相遇后，再沿著各自路線返回，同樣兩人分別達到B點和D點時記錄下此刻對應(yīng)的北斗周秒進行一次檢測，如此往返5個來回，共檢測10次。
事后數(shù)據(jù)處理時，根據(jù)試驗過程中記錄的北斗周秒查找對應(yīng)的歷元，并將天線高程轉(zhuǎn)換為地面測站點之間的相對基線結(jié)果，與BD基線真值做比較。表3為動態(tài)瞬間比較結(jié)果，其歷元時刻是從195 250開始，到195 500結(jié)束。
表3對10個歷元動態(tài)條件下的基線解算偏差進行了一定的統(tǒng)一。其中，d x，d y，d z表示利用軟件實時解算的基線分量與基線參考真值的偏差，L表示基線長度偏差。由統(tǒng)計結(jié)果可以看出，在測試的10個歷元中，d x，d y，d z和L偏差量都在厘米級水平，基線長度最大偏差量為5.4 cm。
4 總結(jié)
為測試動動相對定位條件下的系統(tǒng)或者算法定位精度的問題，本文在傳統(tǒng)相對定位精度檢測方法分析的基礎(chǔ)上，著重從基線長度、實時性等條件人手，研究了動動定位條件下的精度檢測方法。為驗證各種方法的可靠性和有效性，分別提出試驗方案并進行試驗測試，結(jié)合試驗結(jié)果分析可得，提出的基線長度已知情況下的事后精度測試法、動態(tài)瞬間歷元檢測法都能夠可靠有效地反映系統(tǒng)定位的精度以及性能指標(biāo)等。為此，在實際動動定位精度測試過程中，往往需要綜合考慮動靜態(tài)情況，是否基線已知，所用系統(tǒng)等多種條件，并合理選擇上述精度測試方法。
