PL-RTK:一個(gè)基于偽衛(wèi)星的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)

李 超，黃勁松，徐亞明，張 濤，吳明魁，蔡仁瀾

(1.重慶市勘測(cè)院，重慶 420000；2.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.航天恒星科技有限公司(503所)，北京 100086)

PL-RTK:一個(gè)基于偽衛(wèi)星的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)

李 超1，黃勁松2，徐亞明2，張 濤2，吳明魁2，蔡仁瀾3

(1.重慶市勘測(cè)院，重慶 420000；2.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.航天恒星科技有限公司(503所)，北京 100086)

介紹了一個(gè)偽衛(wèi)星實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)PL-RTK。PL-RTK中，偽衛(wèi)星星座由一組(不小于4)商業(yè)GPS L1信號(hào)發(fā)射器組成，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站均采用商業(yè)GPS接收機(jī)，數(shù)據(jù)鏈采用無線局域網(wǎng)(WLAN)，偽衛(wèi)星星座之間的時(shí)頻統(tǒng)一通過控制中心進(jìn)行調(diào)控。PL-RTK需要在已知點(diǎn)上進(jìn)行靜態(tài)初始化。試驗(yàn)結(jié)果表明，PL-RTK平面方向的定位精度優(yōu)于1.0 cm，高程方向的定位精度優(yōu)于1.1 cm。

偽衛(wèi)星；RTK；定位系統(tǒng)

一、前 言

GNSS系統(tǒng)的高精度、可靠性和完好性等諸多優(yōu)越性依賴于跟蹤的可視衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星的幾何分布[1-2]。在觀測(cè)條件不理想的情況下，如城市的高樓群、較深的露天礦坑或深山峽谷等區(qū)域，可視衛(wèi)星的數(shù)目和幾何圖形結(jié)構(gòu)通常都不理想，難以滿足高精度和高可靠性導(dǎo)航定位的需要；在某些極端條件下，如在大型廠房、地下停車場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)大廳、礦井、隧道等室內(nèi)或地下環(huán)境中，則完全接收不到衛(wèi)星信號(hào)[1-2]。偽衛(wèi)星定位技術(shù)則為解決上述問題提供了有效的途徑。

偽衛(wèi)星不僅可以輔助GNSS進(jìn)行定位[2-7]，當(dāng)偽衛(wèi)星數(shù)目足夠時(shí)，還可以建立完全由偽衛(wèi)星組成的獨(dú)立定位系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外已有多家公司研制出了偽衛(wèi)星獨(dú)立定位系統(tǒng)。斯坦福大學(xué)研制出了一種能夠進(jìn)行自主定位的自校正偽衛(wèi)星陣列(self calibrating pseudolite array，SCPA)，可以同時(shí)為系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的多個(gè)流動(dòng)站提供厘米級(jí)的定位精度[8-10]。澳大利亞Locata公司研制出了Locata定位技術(shù)，能夠利用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行亞厘米級(jí)的單點(diǎn)定位[11-15]。韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Seoul National University GPS Lab，SNUGL)則研制出了一個(gè)由非同步偽衛(wèi)星組建的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，精度達(dá)到厘米級(jí)，是亞洲第一個(gè)研制出的實(shí)用的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)[16]。上海交通大學(xué)空天科學(xué)技術(shù)研究院和上海伽利略導(dǎo)航有限公司聯(lián)合研制出了亞分米級(jí)定位精度的室內(nèi)偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)，他們的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在室內(nèi)環(huán)境中，無周跳影響下，使用該方法可以達(dá)到厘米級(jí)的定位精度[17]。

本文介紹了由項(xiàng)目組研制的一個(gè)偽衛(wèi)星實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)PL-RTK。PL-RTK中，偽衛(wèi)星星座由一組(不小于4)商業(yè)GPS L1信號(hào)發(fā)射器組成，偽衛(wèi)星天線相位中心的位置通過文獻(xiàn)[18]的方法進(jìn)行標(biāo)定，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站均采用商業(yè)GPS接收機(jī)，數(shù)據(jù)鏈采用無線局域網(wǎng)(WLAN)，偽衛(wèi)星星座之間的時(shí)頻統(tǒng)一通過控制中心進(jìn)行調(diào)控。在誤差處理方面，通過雙差消除偽衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差的影響，并忽略對(duì)流層延遲誤差(偽衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離很短)、多路徑效應(yīng)的影響。另外，PL-RTK需要在已知點(diǎn)上進(jìn)行靜態(tài)初始化。試驗(yàn)結(jié)果表明，PL-RTK平面方向的定位精度優(yōu)于1.0 cm，高程方向的定位精度優(yōu)于1.1 cm。

二、PL-RTK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，PL-RTK系統(tǒng)由偽衛(wèi)星星座、控制中心、基準(zhǔn)站和流動(dòng)站，以及通信數(shù)據(jù)鏈4部分組成。

1.偽衛(wèi)星星座

如圖2所示，偽衛(wèi)星星座由偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射器和發(fā)射天線組成。偽衛(wèi)星的數(shù)量不能少于4顆。在PL-RTK中，偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射器使用Pendulum公司生產(chǎn)的Pendulum GSG-L1(如圖3(a)所示)，為了保證信號(hào)的覆蓋范圍，發(fā)射天線使用微帶天線(如圖3 (b)所示)。

圖1 PL-RTK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 偽衛(wèi)星星座

圖3

偽衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心的位置誤差是偽衛(wèi)星定位中的一項(xiàng)主要誤差源。在利用偽衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)，由于偽衛(wèi)星與用戶之間的距離很近，在某些情況下，偽衛(wèi)星天線相位中心位置的很小誤差可能會(huì)引起定位模型的很大誤差，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的定位精度[19]。為了進(jìn)行精密定位，就必須準(zhǔn)確確定出發(fā)射天線的相位中心的位置。偽衛(wèi)星天線相位中心的標(biāo)定方法見文獻(xiàn)[18]。另外，為了盡量減少偽衛(wèi)星位置誤差的影響，需要根據(jù)定位環(huán)境合理分布偽衛(wèi)星的位置。

2.控制中心

控制中心的主要功能是對(duì)偽衛(wèi)星星座之間的時(shí)頻統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)控并設(shè)定偽衛(wèi)星的相關(guān)參數(shù)，如PRN號(hào)、信號(hào)發(fā)射功率、多普勒頻率和信號(hào)衰減因子等。需要一臺(tái)安裝有多種隨機(jī)軟件(如GSG-L1設(shè)置軟件)的PC進(jìn)行控制。

3.基準(zhǔn)站和流動(dòng)站

如圖4所示，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站均采用商業(yè)GPS接收機(jī)(NovAtel ProPak V3)?；鶞?zhǔn)站接收機(jī)架設(shè)于已知點(diǎn)上，流動(dòng)站接收機(jī)作業(yè)前需要在已知點(diǎn)上進(jìn)行靜態(tài)初始化。

圖4 接收機(jī)和接收機(jī)天線

4.數(shù)據(jù)鏈

數(shù)據(jù)鏈采用無線局域網(wǎng)(WLAN)，由一個(gè)無線路由器和數(shù)個(gè)無線串口服務(wù)器組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站、流動(dòng)站接收機(jī)與客戶端PC機(jī)或PDA手持設(shè)備之間穩(wěn)定的雙向通信，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)控制中心與偽衛(wèi)星星座之間的通信。

三、PL-RTK定位原理

1.數(shù)學(xué)模型

PL-RTK使用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位，定位模型采用雙差模型。載波相位基本觀測(cè)方程為

式中，m表示測(cè)站；i表示偽衛(wèi)星；λ1表示L1載波波長(zhǎng)；c表示真空中的光速；表示測(cè)站m和偽衛(wèi)星i之間的幾何距離；dtm表示接收機(jī)鐘差；dti偽衛(wèi)星鐘差；表示整周模糊度；表示偽距變率(cycle/ s)；ε表示其他殘余誤差，包括偽衛(wèi)星位置誤差，大氣延遲誤差(對(duì)流層延遲誤差)、多路徑效應(yīng)、接收機(jī)噪聲等。由于偽衛(wèi)星安置于地面，因此不受電離層延遲誤差的影響。

偽衛(wèi)星i、j和接收機(jī)m、n之間的雙差載波相位觀測(cè)方程為

通過雙差可以消除偽衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差的影響，削弱偽衛(wèi)星位置誤差和對(duì)流層延遲誤差的影響。

2.關(guān)鍵技術(shù)

PL-RTK在進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位之前，必須首先正確固定雙差整周模糊度參數(shù)。整周模糊度參數(shù)的固定方法有很多，但只有存在雙頻觀測(cè)值，可見衛(wèi)星數(shù)大于5顆且?guī)缀螆D形結(jié)構(gòu)較好時(shí)，才能夠快速可靠地實(shí)時(shí)解算整周模糊度參數(shù)[12]。PL-RTK中，由于偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射器僅發(fā)射GPS L1信號(hào)且偽衛(wèi)星的幾何結(jié)構(gòu)不是很好，因此，雙差整周模糊度參數(shù)使用靜態(tài)初始化。另外，利用偽衛(wèi)星進(jìn)行定位時(shí)，存在遠(yuǎn)近效應(yīng)、多路徑效應(yīng)、對(duì)流層延遲誤差、偽衛(wèi)星位置誤差及時(shí)間同步等問題需要解決。在PL-RTK中，通過對(duì)偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射功率的調(diào)整來削弱遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。偽衛(wèi)星位置通過文獻(xiàn)[13]的方法進(jìn)行精確標(biāo)定；對(duì)流層延遲誤差的影響忽略不計(jì)；多路徑效應(yīng)的影響暫時(shí)不予考慮。PL-RTK系統(tǒng)的時(shí)頻統(tǒng)一對(duì)整周模糊度的固定和最后的定位精度有著重要的影響，下面將進(jìn)行具體介紹。

偽衛(wèi)星通常使用不穩(wěn)定的恒溫晶振(OCXO)作為時(shí)間基準(zhǔn)，沒有足夠的精度使用戶接收機(jī)和基準(zhǔn)站接收機(jī)之間的采樣時(shí)間同步。通常，接收機(jī)將會(huì)調(diào)整內(nèi)部時(shí)鐘，使其與首次跟蹤到的偽衛(wèi)星保持同步。對(duì)于非同步偽衛(wèi)星星座而言，當(dāng)基準(zhǔn)站接收機(jī)和流動(dòng)站接收機(jī)首次跟蹤到的衛(wèi)星不同時(shí)，接收機(jī)之間的采樣時(shí)間不同步，誤差可能會(huì)較大，這將嚴(yán)重影響相對(duì)定位的精度，需要進(jìn)行處理。

通?？梢允褂猛獠繒r(shí)鐘基準(zhǔn)來維持系統(tǒng)的時(shí)頻統(tǒng)一，但是需要安裝光纖網(wǎng)絡(luò)，這會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性[17]。通過一顆主控偽衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文也可以達(dá)到同步偽衛(wèi)星時(shí)鐘的目的[16]。另外，Lacata技術(shù)則使用TimeLoc方法來對(duì)LocataLites(偽衛(wèi)星雙向信號(hào)發(fā)射器)進(jìn)行同步[11-12]。

PL-RTK中，需要利用基準(zhǔn)站的偽距觀測(cè)值計(jì)算偽衛(wèi)星之間的相對(duì)鐘差，然后對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行同步。時(shí)鐘同步分為以下3個(gè)步驟：

1)指定一顆偽衛(wèi)星為參考星。

2)利用星間單差偽距觀測(cè)值計(jì)算出基準(zhǔn)星和其他衛(wèi)星間的相對(duì)鐘差，利用其對(duì)偽衛(wèi)星的時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，從而使各偽衛(wèi)星的時(shí)間同步。

3)利用多普勒觀測(cè)值的星間單差計(jì)算出基準(zhǔn)星和其他衛(wèi)星間的相對(duì)頻偏，利用其對(duì)偽衛(wèi)星的鐘頻進(jìn)行調(diào)整，從而使各偽衛(wèi)星的頻率一致。

為了對(duì)此方法的效果進(jìn)行驗(yàn)證，筆者進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)中，基準(zhǔn)站安置在B51，流動(dòng)站分別固定在B77、B32和B37。同步前和同步后的雙差整周模糊度值見表1。從表1中可以看出，同步前，浮點(diǎn)解整周模糊度參數(shù)的整周特性不明顯且與真實(shí)值相差較大；同步后，整周模糊度參數(shù)的整數(shù)特性非常明顯，而且和真實(shí)值的差異很小。因此，通過上述方法，時(shí)間同步誤差對(duì)雙差觀測(cè)值的影響能夠大大消除。

表1 同步前和同步后的雙差相位觀測(cè)值(DDN)周

四、試驗(yàn)及結(jié)果分析

項(xiàng)目組在一間6 m×5 m×3 m的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)組建了PL-RTK原型系統(tǒng)。如圖5所示，該系統(tǒng)的偽衛(wèi)星星座由6顆偽衛(wèi)星組成，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用全站儀建立了一個(gè)當(dāng)?shù)鬲?dú)立坐標(biāo)系(Z軸為垂直方向，坐標(biāo)精度為0.2 mm)，并在地面建立了一系列坐標(biāo)已知點(diǎn)。在此原型系統(tǒng)的支持下，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)定位試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的精度進(jìn)行評(píng)估，試驗(yàn)過程中流動(dòng)站移動(dòng)軌跡如圖5所示。流動(dòng)站在已知點(diǎn)B2完成整周模糊度的初始化后開始連續(xù)移動(dòng)，每當(dāng)移動(dòng)到一個(gè)已知點(diǎn)上時(shí)，進(jìn)行10～20歷元的靜態(tài)觀測(cè)，并逐歷元計(jì)算出流動(dòng)站的位置坐標(biāo)。將坐標(biāo)計(jì)算值和已知真值求差，即可計(jì)算出每個(gè)歷元流動(dòng)站坐標(biāo)的測(cè)量誤差。試驗(yàn)中，連續(xù)在18個(gè)已知點(diǎn)上進(jìn)行了觀測(cè)，這些點(diǎn)的定位誤差及標(biāo)準(zhǔn)差如圖6所示。

圖5 流動(dòng)站的移動(dòng)軌跡

每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)偏差通過幾個(gè)歷元的平均值與真實(shí)值做差求得。由圖6可知，水平方向的坐標(biāo)偏差小于1 cm，垂直方向的坐標(biāo)偏差小于2.0 cm。所有18個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)偏差的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表2。由表2可知，PL-RTK原型系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位時(shí)，水平方向定位精度約為0.8 cm，垂直方向的定位精度約為1.1 cm。

圖6 坐標(biāo)偏差及標(biāo)準(zhǔn)差

表2 坐標(biāo)偏差統(tǒng)計(jì)分析 cm

五、結(jié)束語

本文介紹了一個(gè)偽衛(wèi)星實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位原型系統(tǒng)PL-RTK。PL-RTK中，通過偽衛(wèi)星星座的時(shí)頻統(tǒng)一對(duì)接收機(jī)間的時(shí)間同步誤差進(jìn)行處理，雙差整周模糊度參數(shù)需要在已知點(diǎn)上進(jìn)行靜態(tài)初始化。試驗(yàn)結(jié)果表明，PL-RTK水平方向的定位精度優(yōu)于1.0 cm，垂直方向的定位精度優(yōu)于1.1 cm。

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PL-RTK:A Pseudolite-based RTK System

LI Chao，HUANG Jinsong，XU Yaming，ZHANG Tao，WU Mingkui，CAI Renlan

P228.4

B

0494-0911(2014)12-0001-04

李超，黃勁松，徐亞明，等.PL-RTK：一個(gè)基于偽衛(wèi)星的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(12)：1-4.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0383

2014-04-28

李 超(1985—)，男，土家族，湖北恩施人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樽冃伪O(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)化系統(tǒng)。