pos机定位软件,INS紧组合定位测速性能分析

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本文目录一览：

1、组合pos机定位软件

pos机定位软件

GNSS PPP/INS紧组合定位测速性能分析

方文涛1，测速戴春齐1，分析郑福2，机S紧辜声峰1，定位定位楼益栋1

1.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心

2.北京航空航天大学 电子信息工程学院

摘要

针对动态高精度定位测速的软件问题，该文对卫星导航与惯性导航系统的组合数学模型进行研究，采用扩展卡尔曼滤波的测速处理方法，实现了GNSS PPP/INS紧组合的分析定位测速算法。利用实测数据验证本文实现的机S紧紧组合算法，并对BDS、定位定位GPS与GPS+BDS单频、软件双频观测值与INS紧组合的定位性能进行分析。结果表明：GNSS PPP/INS紧组合定位测速精度在动态开阔环境下优于PPP定位测速精度，对定位结果有1%～70%不同程度的改善，对测速结果则有一个量级的提升，平面测速精度在1(cm·s-1)左右，高程测速精度达到亚厘米级。

本

文

目

录

0 引言

1 GNSS PPP/INS紧组合模型

2 实验与结果分析

3 结束语

0

引言

近些年来，随着人们日常生活对导航定位需求的日益增长，卫星导航系统发展迅猛。美国的全球定位系统(global positioning system，GPS)是首个全球卫星导航系统，始建于20世纪70年代，并于21世纪之初开启了其现代化的计划，以适应美国国防现代化及民用导航、定位、大气探测等需求。由于GPS广泛应用于军事、测绘、授时、航空、水利等多个领域，其他国家与地区也相继建立起自己的卫星导航系统，这其中包括俄罗斯的GLONASS(global navigation satellite system)、欧盟的Galileo、我国的北斗等全球导航系统，以及日本的准天顶星系统(quasi-zenith satellite system，QZSS)、印度的NAVIC(navigation with Indian constellation)等区域导航系统。各大导航系统的快速发展，也使得卫星导航从单系统向着多系统发展，为此，国际卫星导航服务组织(International GNSS Service，IGS)在2012年组织开展了多系统跟踪网MGEX(multi-GNSS experiment)计划，以适应当前卫星导航多系统的发展趋势。

全球导航定位系统(global navigation satellite system，GNSS)精密单点定位(precise point positioning，PPP)技术是文献[1]于1997年提出，该技术只需要利用单台接收机的双频伪距相位观测值，基于精密卫星星历、卫星钟差，在全球范围内可实现静态厘米级，动态厘米级到分米级定位，鉴于其成本低、灵活性好、操作简单的优点，大量学者对此进行了研究[-4]，并将该技术应用到了地壳形变监测[5]、GPS气象学[6]、低轨卫星定轨[7]等多个领域。而在当今卫星导航多频多系统的发展趋势下，多频多系统PPP数据处理俨然已经成为新的研究热点之一，不少学者就其数学模型、定位性能等展开相关研究工作[8-9]。

尽管如此，卫星导航在复杂环境下的定位性能依旧无法满足实际需求，在城市峡谷等环境下，甚至无法给出定位，极大地限制了卫星导航的进一步应用。而与此同时，民用惯性导航技术开始走向成熟，鉴于惯性导航系统(inertial navigation system，INS)不依赖于外部信息、具有短期高精度以及需要初始信息的特性[10]，将其与卫星导航技术组合则可以有效地发挥两种导航系统的优势，并弥补各自的缺点。

PPP/INS紧组合技术最早由文献[11]在2005年提出，之后文献[12-13]在2009年对紧组合算法进行了进一步的研究和测试，结果表明紧组合相对于松组合具有更好的鲁棒性和定位精度。2010年，文献[14]利用了约20 min的MEMS(micro-electro-mechanical systems)惯导数据与PPP进行紧组合，获得了分米级定位精度和厘米级测速精度。2015年，文献[15]测试了两组多系统PPP与MEMS紧组合数据(时长分别为55和34 min)，测试结果表明多系统PPP精度相比于GPS PPP有明显提高。之后，文献[16]实现了固定模糊度的PPP与INS的紧组合；文献[17]对基于电离层和接收机硬件延迟约束的多系统单频PPP与INS紧组合进行了测试。

在当前多系统GNSS PPP和INS快速发展的背景下，如何高效地组合多频多系统PPP与INS已经成为研究热点，本文基于非差非组合PPP模型，构建其与INS紧组合的数学模型，该方法能够有效地处理多频多系统数据，并且兼容各类增强信息，是今后PPP/INS发展的主要方向之一。在此基础上利用实测车载动态数据进行了分析，验证了PPP/INS紧组合定位性能与抗干扰性。

1 GNSS PPP/INS紧组合模型

GNSS PPP观测模型通常描述如下：

式中：ΔPsr，f、ΔΦsr，f、Δφ·sr，f分别表示伪距、相位、多普勒观测向量的OMC(observed-minus-computed)值，包含了各项利用模型改正的误差，在紧组合中由INS预测，下标f表示对应频率；Asr为线性化后的系数向量；δrGNSS、δvGNSS分别GNSS天线相位中心的位置改正向量和速度改正向量；tr，sys、t·r，sys和t·s分别表示以m为单位的接收机钟差，以m/s为单位的接收机钟漂和卫星钟漂，下标sys则表示对应的卫星导航系统；βsr，f=40.3f2γsr，γsr为电离层投影函数；Isr表示电离层延迟；Msr、Δtropz，w表示对流层投影系数与天顶对流层湿延迟残差；ucdr，f表示接收机端f频率上未矫正伪距延迟；Nfloat表示包含了接收机与卫星端的未矫正相位延迟及初始相位偏差的浮点模糊度；ε1、ε2、ε3分别表示伪距、相位、多普勒观测中未模型化的误差与噪声。由于电离层、对流层、硬件延迟等误差的变化率对利用多普勒观测值测速影响很小，因此式(1)中的第三式省略了这些项的误差改正[18]。

本文采用非差非组合的PPP数学模型，因此在电离层与码偏差延迟的处理策略上不同于无电离层组合PPP。在电离层处理策略上，采用DESIGN-5模型进行电离层的时空约束[8， 19-20]，具体表达如下：

式中：ai(i=0，1，2，3，4)为描述电离层延迟在空间上变化的系数；rsr为描述电离层的随机变化项；dL、dB分别为电离层穿刺点与测站近似坐标之间的经度差和纬度差；I~sr为电离层延迟的虚拟观测值，通常可以由IGS发布的全球格网文件(global ionosphere maps，GIM)内插获得；εI~sr则是对应的噪声项。同时电离层的随机变化项建模为随机游走过程，表达如下：

式中：ωk-1、Δt分别表示电离层噪声和时间间隔；q2i 为其功率谱密度。具体处理细节可参考文献[0]。

在码偏差延迟处理策略上，由于IGS发布的精密星历基于无电离层组合的卫星钟基准，因此，在使用非差非组合PPP模型时，需要对不同频率上的伪距观测值与该基准之间的差异进行改正[1]。具体改正方法参考文献[1]，接收机端码偏差延迟则作为参数直接估计。

对惯性导航系统的误差状态建模如下：

式中：δreINS表示地心地固坐标系下INS中心的位置改正向量；δveINS表示地心地固坐标系下INS中心的速度改正向量；φ表示姿态误差；bg、ba分别表示陀螺仪和加速度计的零偏误差。对上述的位置、速度、姿态误差，其连续型动态模型通常表达如下[2]：

式中：ωeie为地球自转的角速度矢量；Ceb为载体坐标系转换到地心地固系的方向余弦矩阵；fb为经误差补偿后加速度计输出的三维比力矢量；仪器的零偏则建模为一阶高斯马尔科夫过程。

由于存在杆臂误差，δrGNSS、δvGNSS并不与δreINS、δveINS相等，因此在式(1)中构建的观测模型并不能与上述的状态模型构建成完整的数学模型，需要考虑杆臂对两者的影响来构建新的误差观测方程。天线相位中心和INS中心空间不同步的关系可表达如下：

式中，：lb为杆臂在载体系下的投影。对式(6)采用小扰动法可得：

整理可得：

式中：=((eb[lb×]bib)+[ωeie×]eblb)，bib为经误差补偿后陀螺仪输出的角速度矢量；δωbib为陀螺仪的误差项，其他符号意义同上。其中，带有“~”上标符号的表示为机械编排的推算结果。因此，联合式(1)、式(9)则可以构建GNSS/INS紧组合的观测模型：

GNSS/INS紧组合的状态方程则构建如下：

式中：Tg、Ta为陀螺、加速度计零偏建模为一阶高斯马尔科夫过程的相关时间；w为对应随机过程的噪声谱密度；m=ni+n1+n2+3×nsys+1；ni、n1、n2分别为电离层残差数，L1频率和L2频率的模糊度个数；nsys为导航卫星系统数目；其他符号意义同上。

2 实验与结果分析

为了适应当前卫星导航多系统多频率发展趋势，以及GNSS实时、动态高精度应用，作者设计并开发了FUSING(Fusing in GNSS)软件平台。目前，该平台采用分布式架构，实现了多系统轨道钟差估计，电离层、对流层建模、多频多系统偏差解算以及定位处理[19， 23]。本文在FUSING平台基础上，实现了PPP/INS紧组合数据处理，并进行了动态实验验证。

2.1 数据和实验策略

实验硬件设备采用POS620光纤陀螺定位定姿系统，其中GNSS板卡为美国天宝公司的BD982，惯性器件的相关参数如表1。共采集两组数据，采集地点为湖北省武汉市江夏区大花岭，该区域观测环境如图1所示。采集时间分别为2017年1月14日和15日，数据时长为3 440 s(1 931周539 060~542 500 s)和4 600 s(1932周19 800~24 400 s)，GNSS与惯导数据采样率分别为1、200 Hz。为描述方便，下面分别以A组和B组表示上述两组数据。测试数据的实际轨迹与速度曲线如图2，图3所示，由于测试数据为车载数据，因此高程项速度接近于0(m·s-1)，故图3仅给出两组数据的平面速度曲线。GPS、BDS可用卫星数及PDOP值如图4所示。

根据图2~图4可知,两组数据水平方向速度变化剧烈，存在大量转弯，机动性非常强，同时GNSS可用卫星数频繁变化，适用于进行GNSS/INS紧组合动态定位的性能分析。

本文将针对两组数据分别进行双系统(GPS+BDS)、单GPS、单BDS的双频PPP、单频PPP的解算，以及分别与INS进行组合解算，对PPP/INS紧组合的定位与测速性能进行分析。卫星轨道钟差选择德国地学中心(Helmholtz-Centre Potsdam-German Research Centre for Geosciences，GFZ)产品，电离层

表1 惯性器件参数

图1 外场环境

图2 实际轨迹图

图3 速度曲线图

图4 可用卫星数与PDOP值

选择国际卫星服务组织发布的全球格网产品，PPP算法中具体参数的处理策略参见表2。对比结果选择商业软件双向平滑的差分GNSS/INS松组合结果。统计定位测速的精度为全弧段的95%置信区间。

表2 PPP处理策略

2.2 双频PPP/INS紧组合定位测速性能分析

对两组实验数据分别进行双频PPP和双频PPP/INS的紧组合处理，图5、图6分别给出了不同解算策略下位置和速度的误差时间序列，表3给出了不同解算策略下定位与测速的95%误差的统计结果。

图5 GNSS双频PPP与PPP/INS定位误差时序图

图6 GNSS双频PPP与PPP/INS测速误差时序图

表3 双频PPP与PPP/INS紧组合结果

在3种不同策略的PPP中，GPS+BDS 定位性能较好，单BDS定位结果最差，尤其在高程方向，定位精度约2 m，这与北斗卫星的星座设计、北斗精密星历精度以及北斗卫星信号丢失更为频繁(图4)存在一定关系。分析3种不同策略的PPP与PPP/INS来看，INS辅助的PPP定位性能均有明显的提高，对GPS+BDS而言，PPP/INS相比于PPP的结果，两组数据平面(H)与高程(V)方向分别提升了5.7 cm、25.7 cm和8.0 cm、3.4 cm，提升比约15.6%、49.4%和27.2%、11.0%；对单GPS，PPP/INS在平面与高程方向分别提升18.6 cm、1.3 cm和2.6 cm、2.8 cm，提升比约21.7%、2.4%和7.4%、11.5%；对单BDS，PPP/INS在平面与高程方向分别提升58.0 cm、46.6 cm与115.6 cm、77.6 cm，提升比约为56.3%、52.6%和53.6%、39.7%。

从测速性能来看，PPP/INS测速结果远好于PPP的测速，3种策略下的PPP/INS测速达到亚厘米级精度，相比于PPP测速有接近一个量级的提升。从图6可以看出，单PPP测速噪声大，且突刺点较多，PPP/INS的测速结果相对平滑，这是因为在完成初始化后，整个运动过程中，INS能够高精度地维持速度信息，有助于量测更新时削弱噪声的影响。此外，PPP/INS测速中，无论就图6还是统计结果来看，高程方向测速精度优于平面方向，这是因为车辆主要的机动在平面中完成。

2.3 单频PPP/INS紧组合定位测速性能分析

对实验数据分别进行单频PPP和单频PPP/INS的紧组合处理，图7、图8分别给出了不同解算策略下位置和速度的误差时间序列，表4给出了不同解算策略下定位与测速的95%误差的统计结果。

与双频PPP结果类似，在3种不同策略的PPP中，GPS+BDS PPP定位性能最佳，单BDS PPP定位性能最差，平面与高程误差分别超过1 m和3 m。INS辅助的单频PPP对定位性能也有明显提升，对GPS+BDS，PPP/INS相对于PPP，两组数据平面和高程分别提升14.2 cm、16.6 cm和66.4 cm、1.9 cm，提升比约8.3%、25.5%和43.7%、4.5%；对单GPS，PPP/INS平面与高程分别提升3.1 cm、22.8 cm和33.9 cm、7.2 cm，提升比约1.4%、21.0%和22.8%、5.7%；对单BDS，PPP/INS平面与高程分别提升9.5 cm、13.0 cm和269.0 cm、15.0 cm，提升比约6.5%、12.6%和67.7%、4.3%。

图7 GNSS单频PPP与PPP/INS定位误差时序图

图8 GNSS单频PPP与PPP/INS测速误差时序图

结合图7分析，3种策略PPP均在不同程度上出现显著的突刺点，这与动态条件下，卫星数和卫星几何分布(图4)变化频繁存在明显关系，加入INS辅助后，整个定位误差的时间序列起到了显著的平滑效果，并提高了定位精度。而单频BDS PPP在高程方向收敛时间过长，这是由于BDS星座设计以及单频条件下多余观测数少所造成的。同时可以看出，INS对PPP初次收敛的辅助作用很有限，但是在收敛完成抑制PPP结果跳变并且减小跳变带来的系统误差是非常有效的。

此外，单频PPP与PPP/INS的测速性能和双频对比，表现特点一致，而且测速精度也一致，这是因为实验数据的多普勒观测值为单频数据，因此两者表现一致。

表4 单频PPP与PPP/INS紧组合结果

3 结束语

本文基于非差非组合PPP实现PPP/INS紧组合，并利用实测的GNSS与INS数据进行了单双频PPP与PPP/INS定位测速分析，分析结果表明：单双频PPP/INS紧组合定位测速性能相比于PPP均有提升。在定位方面，INS对不同导航系统的定位结果有1%～70%不同程度的改善，其中对单BDS的双频PPP改善效果最佳，平面与高程方向精度提升超过40 cm。此外，PPP/INS相比于PPP结果更加平滑，能够显著改善由于卫星数频繁变化等原因带来的突刺和跳变。在测速方面，PPP/INS紧组合测速性能相比于PPP有一个量级的提升，对测速噪声很显著的平滑效果，平面测速精度在1(cm·s-1)左右，高程测速精度则达到亚厘米级每秒。此外，实验表明PPP/INS能够有效地抑制PPP发散。

致谢：感谢国际卫星服务组织提供的精密星历与电离层格网文件；感谢武汉大学卫星导航定位研究中心牛小骥老师团队提供的数据。

参考文献(略)

END

作者简介：方文涛(1995—)，男，安徽安庆人，硕士研究生，主要研究方向为GNSS/INS组合导航。

E-mail：wtfang@whu.edu.cn

基金项目：(41504028)；国家重点研发计划项目(2016YFB0501802)

通信作者：戴春齐 硕士研究生 E-mail：2015301610163@whu.edu.cn

引用格式：方文涛，戴春齐，郑福，等.GNSS PPP/INS紧组合定位测速性能分析[J].测绘科学，2020，45(2)：8-15.(FANG Wentao，DAI Chunqi，ZHENG Fu,et al.Accuracy analysis of tightly coupled GNSS PPP/INS positioning and velocity determination[J]. Science of Surveying and Mapping，2020，45(2)：8-15.)

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