一種基于單接收機(jī)旋轉(zhuǎn)的北斗快速精確定向新方法

張成軍，許其鳳，王永明，杜國成，王慧靜

(1. 第二炮兵裝備研究院，北京 100095； 2. 信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

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一種基于單接收機(jī)旋轉(zhuǎn)的北斗快速精確定向新方法

張成軍1，許其鳳2，王永明1，杜國成1，王慧靜1

(1. 第二炮兵裝備研究院，北京 100095； 2. 信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

A New Approach of BDS Fast and Accurate Orientation Based on a Single Rotaing Receiver

ZHANG Chengjun,XU Qifeng,WANG Yongming,DU Guocheng,WANG Huijing

摘要：利用1臺北斗接收機(jī)以一定的臂長和角速率圍繞固定中心旋轉(zhuǎn)，解決了定向中北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中5顆GEO衛(wèi)星靜止不動和觀測時間短造成的觀測方程復(fù)共線性問題，推導(dǎo)了定向的基本原理，并概要設(shè)計(jì)了定向系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，在3 min時間內(nèi)定向精度可優(yōu)于10 s；在利用GPS接收機(jī)進(jìn)行物理仿真時，實(shí)現(xiàn)的外符合定向精度優(yōu)于80 s。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；大地方位角；定向精度；物理仿真

傳統(tǒng)的衛(wèi)星定向技術(shù)一般是利用兩臺GNSS接收機(jī)架設(shè)于空間兩點(diǎn)形成短基線，由基線矢量直接得到其大地方位角[1-6]。在軍事上由于地形大小、載車長度等因素影響[7-8]，基線長度受限，這直接影響了GNSS定向的精度；對于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而言，在地固系下GEO衛(wèi)星幾乎是靜止不動的，IGSO衛(wèi)星的角速度也較傳統(tǒng)的MEO衛(wèi)星小，當(dāng)接收機(jī)靜止時，接收的載波相位觀測值變化微弱，需較長的初始化時間才能準(zhǔn)確分離整周模糊度參數(shù)[9-12]，影響定向的速度。本文利用1臺北斗接收機(jī)以固定臂長和角速率圍繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，以解決上述難題，利用角度測量的精度約束提升虛擬基線的定向精度，通過主動運(yùn)動促使接收機(jī)觀測值變化，減弱觀測方程病態(tài)，提升解算速度[13]；該方法可精確解算出角度傳感器(如經(jīng)緯儀)度盤零點(diǎn)的大地方位角，使用時只需照準(zhǔn)目標(biāo)，讀取水平度盤的方向觀測值，然后將二者相加即可給出照準(zhǔn)方向的大地方位角。

一、定向原理

設(shè)有1臺北斗接收機(jī)，它繞P點(diǎn)以臂長R為半徑作勻速運(yùn)動。此時，測站坐標(biāo)系設(shè)為北東天坐標(biāo)系，即X軸指向正北方向，Z軸指向天頂，Y軸垂直于XOZ平面并與X軸和Z軸成左手坐標(biāo)系(如圖1所示)。

衛(wèi)星S到接收機(jī)瞬時位置Pi的觀測方程可寫為

(1)

圖1　接收機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下載波相位觀測值

(2)

在北東天坐標(biāo)系中，Δρj又可寫為

(3)

將式(3)和式(2)代入式(1)中，可得

(4)

式中，Δx、Δy和Δz為旋轉(zhuǎn)中心至接收機(jī)天線相位中心的3個分量。接收機(jī)旋轉(zhuǎn)時，其運(yùn)動狀態(tài)如圖2所示。

圖2　接收機(jī)旋轉(zhuǎn)時大地方位角變化

圖中，AM0為角度傳感器(如經(jīng)緯儀)度盤零點(diǎn)的大地方位角，Mi(ti)為ti時刻角度傳感器的度盤讀數(shù)，AMi為ti時刻角度傳感器對應(yīng)的大地方位角，R為旋轉(zhuǎn)的半徑。

則Δx、Δy、Δz可表示為

(5)

于是有

(6)

(7)

式中，d為需要解算的度盤零點(diǎn)大地方位角修正值；dr臂長修正值。

當(dāng)儀器整平時，ΔZ=0，整理可得

(8)

式(8)即是快速定向的數(shù)學(xué)模型，式中有3種未知參數(shù)，即測站到衛(wèi)星j的載波相位觀測值的整周模糊度Nj，臂長修正值dr和角度傳感器零點(diǎn)大地方位角修正值d，共n+2個(n為觀測到的衛(wèi)星個數(shù))。因此，在衛(wèi)星信號不發(fā)生跳變時，只需兩個歷元數(shù)據(jù)就可以解算出定向結(jié)果。

二、定向系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)

根據(jù)上述定向原理，可設(shè)計(jì)1臺快速定向系統(tǒng)，該定向系統(tǒng)可由1臺可接收北斗載波相位觀測值的GNSS接收機(jī)和1臺全站儀組成(如圖3所示)，其中全站儀作為角度傳感器實(shí)時記錄GNSS接收機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，北斗接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)載波相位數(shù)據(jù)。

圖3　定向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三、定向仿真

1. 定向原理可行性評估

為評估基于北斗單接收機(jī)旋轉(zhuǎn)的算法的可行性，仿真時選擇北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中5顆地球同步軌道衛(wèi)星(GEO)和3顆傾斜軌道地球同步衛(wèi)星(IGSO)，其運(yùn)行周期為24 h，不同時間其衛(wèi)星空間分布不同，為使其具有代表性，將全天均勻分為36個測段，每個測段進(jìn)行36次采樣，每次采樣觀測時間為3 min。仿真點(diǎn)位選在位于東南沿海北緯20°、東經(jīng)120°位置處，旋臂初值設(shè)為1 m。具體仿真條件見表1。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　定向可行性精度分析

從圖4可以看出，利用提出的新方法可以正確解算出結(jié)果，且定向的精度較高(標(biāo)準(zhǔn)差STD僅為9.51 s)。

表1　不同地區(qū)定向仿真條件

2. 北斗覆蓋重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)定向精度評估

同一測段不同地區(qū)觀測的衛(wèi)星空間分布不同，同樣條件其解算精度也會有所不同。為了考察不同地區(qū)的定向精度，選擇我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重點(diǎn)覆蓋區(qū)域(北緯10°—55°，東經(jīng)75°—150°)，以2°×2°的地理分辨率進(jìn)行仿真，每個點(diǎn)進(jìn)行同樣條件的36測段×36次仿真，如圖5所示。

圖5　北斗導(dǎo)航系統(tǒng)重點(diǎn)覆蓋區(qū)內(nèi)定向精度分析

可見，在我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)，仿真的定向標(biāo)準(zhǔn)差都小于40角秒，并且在重點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi)絕大部分的標(biāo)準(zhǔn)差都優(yōu)于10角秒；非重點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi)定向仿真精度不高，這主要是因?yàn)樵诜侵攸c(diǎn)覆蓋區(qū)內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)較少，且其空間幾何分布狀態(tài)也較差所致。

3. 觀測時間對定向精度影響分析

觀測時間長度不同，北斗衛(wèi)星在空中的幾何分布不同，并且用于解算的數(shù)據(jù)量也不相同，其定向精度也必然有所不同。為有效地克服縮短觀測時間與提高定位精度這一對矛盾，需要確定合理的觀測時間。在仿真中，其他條件不變，僅將觀測時間進(jìn)行變化，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　不同觀測時間對定向精度影響

由圖6可知，當(dāng)觀測時間延長至3 min以后，定向的精度變化不大，因此建議采用的觀測時間為3 min，不僅可以保證精度，還可以體現(xiàn)出速度。

4. 旋臂長度對定向精度影響分析

由定向原理可知，旋臂長度與定向的精度成反比，旋臂越長定向精度越高。但旋臂太長對設(shè)備的制造工藝要求高，且容易引入其他誤差，因此必須確定合理的旋臂長度。仿真中，將表1中的其他條件不變，僅改變旋臂長度，得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　旋臂長度對定向精度影響

從圖7中可見，定向精度隨著臂長的增長而提高，但在很多應(yīng)用中10 s的定向精度已經(jīng)足夠使用，因此綜合考慮建議臂長選用為1 m左右即可。

5. 物理仿真

為驗(yàn)證算法的正確性和可行性，設(shè)計(jì)了一臺原型樣機(jī)，由于GPS系統(tǒng)與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有高度的相似性，樣機(jī)中的接收機(jī)采用GPS接收機(jī)代替，如圖8所示。

圖8　基于GPS接收機(jī)的樣機(jī)

利用上述原型樣機(jī)進(jìn)行了大量試驗(yàn)，將定向結(jié)果與基準(zhǔn)值比較，得到如圖9所示的結(jié)果。

圖9　物理仿真示例

從圖9中可知，定向的外符合精度均優(yōu)于80 s，經(jīng)統(tǒng)計(jì)其標(biāo)準(zhǔn)差為19 s，滿足各種運(yùn)動載體對定向的需求。

四、結(jié)束語

利用1臺GNSS接收機(jī)結(jié)合角度傳感器進(jìn)行定向的新方法，可以克服觀測時間短及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中GEO衛(wèi)星靜止等帶來的復(fù)共線性問題。仿真結(jié)果表明，該方法正確可行，在3 min的時間內(nèi)定向精度可達(dá)10 s，當(dāng)觀測時間為3 min、臂長為1 m時，可獲得較理想的定向結(jié)果；利用設(shè)計(jì)的樣機(jī)，在GPS環(huán)境下觀測3 min，定向的外符合精度優(yōu)于80 s。該方法可運(yùn)用于載體的快速定位定向，具有重要的意義。

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中圖分類號：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)03-0018-04

作者簡介：張成軍(1976—)，男，博士后，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用研究。E-mail:zcj218@126.com

基金項(xiàng)目：中國博士后科學(xué)基金(2013M542460)

收稿日期：2015-03-05； 修回日期： 2015-11-02

引文格式： 張成軍，許其鳳，王永明,等. 一種基于單接收機(jī)旋轉(zhuǎn)的北斗快速精確定向新方法[J].測繪通報(bào)，2016(3)：18-21.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0076.