建立GNSS動態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)的必要性和初步設(shè)想

+ 叢佃偉 許其鳳 信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院

建立GNSS動態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)的必要性和初步設(shè)想

+ 叢佃偉 許其鳳 信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院

動態(tài)定位性能是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，本文從5個方面探討了建立GNSS動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)的重要意義，就動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)所應(yīng)具備的條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，給出了初步的建設(shè)方案。攝影/慣導(dǎo)組合測量定位方法在原理上與衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法有本質(zhì)區(qū)別，工作模式、基本觀測量與衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法均不同，避免了可能存在相同或相近的系統(tǒng)性偏差。攝影/慣導(dǎo)組合測量定位方法能具備高動態(tài)定位、高精度定位、高數(shù)據(jù)更新率以及溯源驗證4個必備條件，非常適合作為GNSS動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)的選擇方案。開展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位檢定理論與方法的研究和實踐工作，完成動態(tài)檢定基準(zhǔn)的建設(shè)和溯源驗證，建立國際上首個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位（三維）檢定規(guī)范，對于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和推廣應(yīng)用具有重要意義，本文所做工作算是研究GNSS動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)的開端。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；測試評估；動態(tài)定位；檢定基準(zhǔn)；溯源；攝影測量

1　引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）能夠同時提供導(dǎo)航、定位、授時功能，是現(xiàn)代國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是建立統(tǒng)一時空基準(zhǔn)的有效方式，是一個國家或地區(qū)的重要戰(zhàn)略資源。衡量衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能有精度、完好性、可用性、連續(xù)性等指標(biāo)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能測試評估方法是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點，定位性能是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，也是衡量導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)水平的重要標(biāo)志，近年來國內(nèi)外對定位性能的測試評估開展了大量的理論研究與實踐工作［1-3］。

靜態(tài)定位精度在一定程度上可以反映出衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位性能，但不能完全反映載體在動態(tài)（尤其是高動態(tài)）條件下所能達(dá)到的實際定位精度，為合理評價衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能，必須要開展動態(tài)定位性能的測試評估工作，國內(nèi)外利用GPS RTK（Real - time kinematic，實時動態(tài)定位）、PPP（Precise point positioning，精密單點定位）、傳統(tǒng)無線電測量及地面高速攝像等方法作為比對技術(shù)進(jìn)行了動態(tài)定位性能評估的工程實踐［4-5］。

“測試、計量是人們從客觀事物中提取所需信息，借以認(rèn)識客觀事物并掌握其客觀規(guī)律的一種科學(xué)方法，測試測量技術(shù)則是通過測試手段實現(xiàn)上述方法的技術(shù)， 基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)是測試計量技術(shù)水平的最高表現(xiàn)形式”［6］。動態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)是動態(tài)定位性能測試評估技術(shù)的最高表現(xiàn)形式，基準(zhǔn)溯源性的要求是：建立一條具有規(guī)定不確定度的不間斷比較鏈，使GNSS動態(tài)定位值能夠與規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)（通常是國家測量標(biāo)準(zhǔn)或國際測量標(biāo)準(zhǔn)）聯(lián)系起來［7］。但由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位的高定位精度、定位結(jié)果瞬時性、動態(tài)范圍大、數(shù)據(jù)更新率高等特點，目前的測試評估方法難以按照計量規(guī)范要求進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃菰打炞C工作，公開文獻(xiàn)檢索顯示國內(nèi)外尚未建立GNSS動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)。

本文主要對建立GNSS動態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)的重要意義、檢定基準(zhǔn)具備的性能及初步設(shè)想進(jìn)行了探討。

圖1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要組成

2　建立GNSS動態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)的意義

2.1北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身建設(shè)的需要

對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)功能、性能的測試評估貫穿于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)、部署、運行和擴(kuò)展等各個階段。衛(wèi)星導(dǎo)航信號質(zhì)量、所測衛(wèi)星幾何分布、衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定性、廣播星歷、信號傳播環(huán)境、接收機(jī)偽距測量精度、定位解算數(shù)學(xué)模型、載體運動速度及加速度等諸多因素均會影響GNSS導(dǎo)航定位性能。由于部分誤差源（如大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等）的誤差特性往往和理論特性相差較大，很難嚴(yán)格建模，按照衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各分項分配指標(biāo)疊加的理論定位不確定度，不能真實反映系統(tǒng)的性能和實際定位不確定度（用戶所能取得的）。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后，需要通過實際的動態(tài)定位性能檢定工作以驗證建成系統(tǒng)是否滿足設(shè)計指標(biāo)要求，檢定結(jié)果是發(fā)布衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范中定位精度指標(biāo)的重要支撐，其檢定結(jié)果較其它測試評估手段更具備說服力。同時動態(tài)定位性能檢定結(jié)果能為下一步系統(tǒng)性能改善和增強(qiáng)提供參考依據(jù)。

2.2動態(tài)定位性能測試評估方法發(fā)展的需要

對于GNSS動態(tài)定位性能的測試評估方法，目前國內(nèi)外主要采用將衛(wèi)星導(dǎo)航定位結(jié)果與其它定位方法（甚至采用其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）獲得的測量結(jié)果進(jìn)行比對評估的方法，國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航定位總站、信息工程大學(xué)、武漢大學(xué)等單位均進(jìn)行了大量的研究和實踐工作，取得了豐富的成果。比對評估方法主要利用GPS RTK或PPP（精密單點定位）技術(shù)展開，兩種方法本質(zhì)上均是基于無線電測距（偽隨機(jī)碼測距和載波相位測距）的空間后方交會方法，與衛(wèi)星導(dǎo)航定位的本質(zhì)相同，在觀測量、解算方法等方面存在較強(qiáng)的相關(guān)性，難以消除可能存在的系統(tǒng)性誤差對定位結(jié)果的影響。

另外，還有其它能夠?qū)d體動態(tài)定位性能進(jìn)行測試的裝備和評估方法（如高速攝像、光電經(jīng)緯儀等），對于同一動態(tài)定位載體，利用不同類型的傳感器和定位測試手段可能出現(xiàn)不同的評估結(jié)果，由于缺乏統(tǒng)一認(rèn)可的動態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)體系，難以形成統(tǒng)一的動態(tài)定位性能評判結(jié)果。建立GNSS的動態(tài)定位基準(zhǔn)是動態(tài)定位性能測試評估方法向前發(fā)展的必要需求，可補(bǔ)充和完善我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能測試評估體系。

2.3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端計量檢定的需要

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對于國民經(jīng)濟(jì)和國防領(lǐng)域關(guān)系重大，衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端作為關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)產(chǎn)品，生產(chǎn)企業(yè)眾多，出廠前或重要用戶裝備采購前需要對產(chǎn)品進(jìn)行計量檢定。據(jù)統(tǒng)計，2013年中國衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品市場總值超過1500億，2015年將達(dá)到2000億，2020年達(dá)到4000億。我國《計量法》和《國防計量監(jiān)督管理條理》要求作為計量器具的儀器在投入使用前應(yīng)經(jīng)過計量機(jī)構(gòu)的檢定，1500億的國內(nèi)導(dǎo)航終端產(chǎn)品市場，衍生了100多億的終端產(chǎn)品檢測市場，而目前我國限于動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)的缺失，尚未建立強(qiáng)制的GNSS動態(tài)定位性能檢定規(guī)范。2.4 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)推廣應(yīng)用、滿足特殊用戶需求的需要

2.4衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)推廣應(yīng)用、滿足特殊用戶需求的需要

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展，GNSS應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的競爭日趨激烈，系統(tǒng)服務(wù)性能的優(yōu)劣是競爭輸贏的關(guān)鍵，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和特殊行業(yè)應(yīng)用需求的不斷提升，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端的用戶主要是動態(tài)導(dǎo)航定位用戶，民用導(dǎo)航用戶如客機(jī)、直升機(jī)、高速列車、汽車等，軍用導(dǎo)航用戶如戰(zhàn)車、戰(zhàn)機(jī)、軍艦、精密制導(dǎo)彈藥等，動態(tài)定位具有用戶多樣性、速度多異性、定位實時性、數(shù)據(jù)短時性，精度要求多樣性等特點，動態(tài)定位性能的指標(biāo)涉及到可以滿足哪些主要用戶群對導(dǎo)航定位的需求、用戶的應(yīng)用范圍和模式，例如國際民航組織對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所能實現(xiàn)的性能有苛刻的測試指標(biāo)，動態(tài)定位性能的評價指標(biāo)確認(rèn)便是其中的難點之一。

系統(tǒng)建成后，按照或接近用戶實際使用的條件進(jìn)行導(dǎo)航定位動態(tài)性能檢定工作是必要的，能夠為用戶提供可靠、規(guī)范的動態(tài)定位性能指標(biāo)，這樣的檢定結(jié)果是用戶在使用中實際能獲得的技術(shù)指標(biāo)，也是敏感用戶最關(guān)心的指標(biāo)之一。檢定結(jié)果能為動態(tài)定位用戶提供應(yīng)用依據(jù)，提升重要應(yīng)用部門在各類高動態(tài)場景中使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端的信心，對推廣北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在更多領(lǐng)域中發(fā)揮更廣泛的應(yīng)用和進(jìn)入國際市場有重要的作用。

圖2. GNSS動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)可能的服務(wù)對象

2.5開展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾等技術(shù)研究的需要

“導(dǎo)航戰(zhàn)（NAVWAR）”是隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的廣泛應(yīng)用而興起的一種軍事作戰(zhàn)模式，諸多國家對“導(dǎo)航戰(zhàn)”攻防技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和導(dǎo)航終端進(jìn)行了大量的技術(shù)改進(jìn)和改造。同時，由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“脆弱性”，部分民用設(shè)施也會對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。建立動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)可以研究干擾模式對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位性能的影響，為大系統(tǒng)改進(jìn)、裝備改進(jìn)和制定衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用法規(guī)提供依據(jù)。

3　GNSS動態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)需具備條件

中華人民共和國國家計量技術(shù)規(guī)范-通用計量術(shù)語及定義（JJF1001-1998）中對國家基準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)）定義：經(jīng)國家承認(rèn)的測量標(biāo)準(zhǔn)，在一個國家內(nèi)作為對有關(guān)量的其他測量標(biāo)準(zhǔn)的定值的依據(jù)。

衛(wèi)星導(dǎo)航動態(tài)定位用戶處于運動狀態(tài)（具有一定的速度和加速度），其空間位置隨時間不斷變化，動態(tài)定位結(jié)果具有瞬時性和不可重復(fù)性，這為動態(tài)定位性能測試評估帶來難題，使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)與靜態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)在實現(xiàn)途徑和評估方法上有較大的差異。檢定基準(zhǔn)系統(tǒng)至少應(yīng)具備以下幾個條件：

1） 具備動態(tài)條件下定位的能力，動態(tài)范圍視檢定需求和實際條件而定，如選擇的載體動態(tài)范圍有限，則應(yīng)選擇動態(tài)定位性能與載體速度、加速度、姿態(tài)無關(guān)或相關(guān)性弱的技術(shù)，以使檢定結(jié)果具備強(qiáng)的動態(tài)拓展性。

2） 具備動態(tài)定位條件下的連續(xù)定位能力，其數(shù)據(jù)更新率應(yīng)不低于被檢定北斗導(dǎo)航系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)更新率。動態(tài)定位結(jié)果的瞬時性要求采用必須快速時域定位參數(shù)來描述與刻畫定位載體的運動狀態(tài)和運動過程，并要求能高速、準(zhǔn)確地顯示、記錄、歸算動態(tài)定位結(jié)果［8］。目前主流終端的數(shù)據(jù)更新率為1-10Hz，因此檢定基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)刷新率應(yīng)大于10Hz，并具備一定的拓展能力。

3） 檢定基準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)具備更優(yōu)的動態(tài)定位性能，與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端的動態(tài)定位結(jié)果歸化到同一坐標(biāo)系統(tǒng)和同一時間系統(tǒng)下的同一時刻下，利用統(tǒng)一的定位評價指標(biāo)進(jìn)行比較。

檢定基準(zhǔn)系統(tǒng)自身的定位性能（包含歸化誤差）確定可依據(jù)通用計量術(shù)語及定義（JJF1001 -1998）中對校準(zhǔn)測量能力的要求：通常提供給用戶的最高校準(zhǔn)測量水平，用包含因子K=2的擴(kuò)展不確定度表示，有時也稱最佳測量力。實踐中如條件允許通常設(shè)定K=3，即要求其定位的不確定度要小于被檢測設(shè)備設(shè)計不確定度的1/3。

4） 按照計量規(guī)范要求，搭建的基準(zhǔn)系統(tǒng)必須通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈?zhǔn)箿y量結(jié)果的值能夠與規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來，具備這種定位精度的驗證溯源能力后才能作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位性能檢定的基準(zhǔn)系統(tǒng)［9］。

4　GNSS動態(tài)定位性能檢定基準(zhǔn)初步建設(shè)方案

如果選擇合適的軟硬件和外部條件，基于單張像片的攝影測量交會定位方式（機(jī)載低空攝影測量）能夠得到較高的定位精度［10-12］。其基本觀測量是地面控制點在圖像傳感器上的像點坐標(biāo)，本質(zhì)是基于測角的空間后方交會定位法。慣性導(dǎo)航的觀測量是速度和角度的微分量，通過積分法推算定位。而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航定位的基本觀測量是衛(wèi)星到接收機(jī)之間的偽距和偽距變化率，本質(zhì)是基于測距的空間后方交會定位法。攝影測量、慣性測量方法的工作模式、基本觀測量均與衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法不同，定位結(jié)果與速度基本無關(guān)，具備高動態(tài)條件下的定位能力。

利用中高畫幅相機(jī)的攝影定位方式精度較高，但數(shù)據(jù)刷新率不夠。慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新率較高（一般在100Hz以上），短時定位精度較高，但隨時間變化誤差累積較快。采用攝影/慣導(dǎo)組合測量的方式則可能實現(xiàn)高定位精度與高數(shù)據(jù)刷新率的統(tǒng)一。筆者所在課題組利用哈蘇H4D-60相機(jī)和JJGD-XMUT激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)開展的仿真試驗和半物理仿真試驗驗證了該方案的可行性，試驗結(jié)果另文進(jìn)行詳述。這種測試方法可以避免因觀測量相同或相近導(dǎo)致的系統(tǒng)性偏差，提高動態(tài)定位結(jié)果的可信度。

選擇攝影/慣導(dǎo)組合測量系統(tǒng)作為檢定基準(zhǔn)系統(tǒng)初步方案，其定位性能基本與速度無關(guān)，因此通過靜態(tài)條件的全站儀交會定位方法驗證攝影/慣導(dǎo)組合測量系統(tǒng)所能實現(xiàn)的定位性能，其結(jié)果適用于高動態(tài)條件，只需加入因速度原因而引起的歸心誤差（攝影定位時間同步引起）。還可利用地面恒星背景攝影閃光目標(biāo)的多次測量方式檢驗檢定基準(zhǔn)動態(tài)定位性能，該方式定位性能與速度基本無關(guān)，其性能利用靜態(tài)條件下的全站儀交會定位方式進(jìn)行檢核，以此完成動態(tài)檢定基準(zhǔn)的溯源工作，溯源流程見圖3。

5　結(jié)論與展望

本文從5個方面探討了建立GNSS動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)的重要意義，就動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)所應(yīng)具備的條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，給出了初步的建設(shè)方案。攝影/慣導(dǎo)組合測量定位方法在原理上與衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法有本質(zhì)區(qū)別，其工作模式、基本觀測量與衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法均不同，避免了使用相同的工作模式或者觀測量，即可避免可能存在相同或相近的系統(tǒng)性偏差，攝影/慣導(dǎo)組合測量定位方法能具備高動態(tài)定位、高精度定位、高數(shù)據(jù)刷新率以及溯源驗證4個必備條件，非常適合作為GNSS動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)的選擇方案。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位性能檢定是一項基礎(chǔ)性的重要工作，迫切需要從理論和實踐兩個層面進(jìn)行科學(xué)、細(xì)致的研究和工程實踐，通過加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究和創(chuàng)新性的解決方案，開展北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的動態(tài)定位指標(biāo)檢定理論與方法的研究，搭建完整的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位性能檢定體系，完成動態(tài)定位檢定基準(zhǔn)的建設(shè)和溯源驗證，建立國際上首個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)定位（三維）檢定規(guī)范，對于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和推廣應(yīng)用具有重要意義。由于檢定技術(shù)和方法的通用性，建立的基準(zhǔn)能夠同時對其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端或者其它定位載體進(jìn)行動態(tài)定位性能的檢定工作。

圖3.檢定基準(zhǔn)的溯源流程

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