基于移動(dòng)基準(zhǔn)站的艦船系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法研究

彭曉剛，馮 欣，李景巖

(1.91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066000；2.66444部隊(duì),北京 100042)

基于移動(dòng)基準(zhǔn)站的艦船系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法研究

彭曉剛1，馮 欣2，李景巖1

(1.91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066000；2.66444部隊(duì),北京 100042)

針對(duì)艦船系統(tǒng)試驗(yàn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理利用GNSS定位數(shù)據(jù)通過(guò)固定基準(zhǔn)站差分解算后再獲得相對(duì)關(guān)系解算的不足，分析該方法面臨的難題及難以滿足遠(yuǎn)距離大航區(qū)試驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，提出基于載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分處理的移動(dòng)基準(zhǔn)站解算方法。在研究GNSS差分定位原理基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)典載波相位雙差方法，通過(guò)單歷元實(shí)時(shí)差分，建立無(wú)固定基準(zhǔn)站的相對(duì)數(shù)據(jù)解算模型?；诓杉膶?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析基線解算精度，驗(yàn)證所提出方法在艦船系統(tǒng)試驗(yàn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理中的可行性和質(zhì)量效果。

艦船系統(tǒng)試驗(yàn)；基準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理；移動(dòng)基準(zhǔn)站；差分處理

艦船系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理主要利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算目標(biāo)平臺(tái)相對(duì)于被試裝備的空間幾何關(guān)系(距離、方位、高度或俯仰等)，并把該數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)被試裝備性能的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以判斷被試裝備所獲取數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的差異，進(jìn)而分析被試裝備精度參數(shù)，以檢驗(yàn)、鑒定裝備的性能指標(biāo)[1]。

以往基準(zhǔn)數(shù)據(jù)測(cè)量通過(guò)架設(shè)一個(gè)或多個(gè)固定基準(zhǔn)站加活動(dòng)站的模式，采用商業(yè)差分軟件對(duì)被試裝備架設(shè)平臺(tái)及目標(biāo)平臺(tái)接收機(jī)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，先分別獲得各平臺(tái)位置信息(通常是經(jīng)度、緯度、高度)后，再通過(guò)空間模型轉(zhuǎn)換，得到目標(biāo)相對(duì)于被試裝備的相對(duì)關(guān)系。該處理模式存在諸多不足，如：需要基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，處理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，動(dòng)用測(cè)控裝備多；試驗(yàn)中航路設(shè)計(jì)、平臺(tái)布設(shè)一定程度上受到基準(zhǔn)站架設(shè)條件制約；某些地區(qū)突發(fā)性緊急項(xiàng)目獲得固定基準(zhǔn)站坐標(biāo)難度較大；基準(zhǔn)站需要布置在陸地、海島上，遠(yuǎn)離陸地的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理如果仍舊采用固定基準(zhǔn)站，移動(dòng)站與基準(zhǔn)站的距離將會(huì)變得很長(zhǎng)等等[2-4]。

針對(duì)上述不足，本文在分析傳統(tǒng)GNSS差分處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)艦船系統(tǒng)試驗(yàn)特點(diǎn)，探索建立單歷元載波相位動(dòng)態(tài)差分相對(duì)定位模型，以實(shí)現(xiàn)無(wú)基準(zhǔn)站的相對(duì)數(shù)據(jù)解算。最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證算法的可靠性和有效性，探討處理精度對(duì)試驗(yàn)影響。

1 差分觀測(cè)模型

試驗(yàn)中，構(gòu)成解算基線的目標(biāo)平臺(tái)與被試平臺(tái)距離動(dòng)態(tài)變化，因此需要構(gòu)造不受距離約束且不考慮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的幾何觀測(cè)量[2,5-7]。對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳的探測(cè)與修復(fù)[6]，并對(duì)其濾波以消除隨機(jī)噪聲影響；再進(jìn)行站間和星間雙差處理，以消除部分公共誤差；建立基于雙差模型的觀測(cè)方程，通過(guò)平差，獲得模糊度浮點(diǎn)解的精確估計(jì)；最后，應(yīng)用算法搜索整周模糊度的固定解[6-9]。關(guān)于周跳探測(cè)與修復(fù)方法可以參看作者在文獻(xiàn)[6]的論述，本文側(cè)重探討其他相關(guān)處理。

以BDS接收機(jī)數(shù)據(jù)為例，在載波相位差分定位中，接收機(jī)i觀測(cè)衛(wèi)星r的載波相位觀測(cè)方程為[9-11]

(1)

(2)

進(jìn)行雙差處理[1-2,5]，得到

(3)

(4)

2 整周模糊度求解

(5)

式中：A為系數(shù)陣；X由bur向量分量組成；N由ΔNi,j向量組成；ε是觀測(cè)噪聲向量。記投影算子為

(6)

式中：I為單位陣；P為觀測(cè)值權(quán)陣；R為載波相位雙差殘差靈敏度矩陣。

用R左乘以式(5)的兩邊，令V=Rε(V為殘差向量)，考慮RA=0，則有

(7)

得模糊度向量的標(biāo)準(zhǔn)差為(n為可視衛(wèi)星的個(gè)數(shù))

(8)

求解正確模糊度的目標(biāo)函數(shù)可變?yōu)椋篤TPV=min。設(shè)初始相位殘差向量為

(9)

欲使殘差向量的值最小，即等價(jià)于

(10)

則

(11)

式中：b0為初始相位殘差向量，單位為周。在兩邊左乘以R矩陣，則：

(12)

由于R是冪等陣，且其秩為n-3，經(jīng)過(guò)變換，可得

(13)

式中，R1=[R11R21]T，R11為R的分解，其大小為(n-1)×(n-3)，R21為R的分解，其大小為3×(n-3)，V1=ΔN1-ΔN1f。由結(jié)果結(jié)合其他解算處理，即可確定唯一正確的整周模糊度，進(jìn)而再得到基線解b[6-7,14]。

3 模型驗(yàn)證及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證算法的精度、正確性，分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)際采集數(shù)據(jù)用上述算法進(jìn)行解算，并將所得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較以驗(yàn)證算法的可靠性。

3.1 靜態(tài)驗(yàn)證

利用某地CORS站HLD1模擬測(cè)試平臺(tái)，某臨時(shí)架設(shè)測(cè)點(diǎn)為目標(biāo)平臺(tái)，采用2016-05-02上午的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并用另一CORS站HLD2數(shù)據(jù)對(duì)臨時(shí)點(diǎn)差分后的結(jié)果解算作為已知值(測(cè)試平臺(tái)和目標(biāo)平臺(tái)距離：1 569.767 4 m，方位：244.163 0°，俯仰：0.304 9°)，采用上述方法進(jìn)行處理，得到的基線向量與已知值做差。解算后，模糊度固定解8 430個(gè)歷元(占89%)，浮點(diǎn)解1 015個(gè)歷元(占10.7%)，單點(diǎn)解24個(gè)歷元(0.3%)。得到解算結(jié)果和誤差曲線如圖1～圖4所示。

圖1 解算結(jié)果

圖2 解算基線誤差分布

圖3 解算方位誤差分布

圖4 解算俯仰誤差分布

由結(jié)果剔除個(gè)別異常數(shù)據(jù)可知，基線誤差在0.2 m附近，方位誤差在±0.02°范圍內(nèi)，俯仰誤差在±0.03°范圍內(nèi)。

3.2 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證

利用2015-10-29上午實(shí)際動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(航路見(jiàn)圖5)，以某基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)用商業(yè)軟件waypoint差分完的結(jié)果解算兩個(gè)船之間的相對(duì)關(guān)系作為已知值，采用上述方法進(jìn)行處理，得到的基線向量與已知值做差。解算后，固定解15 305個(gè)歷元(占57.3%)，浮點(diǎn)解11 399個(gè)歷元(占42.7%)。得到解算結(jié)果和誤差曲線如圖5～圖10所示。

圖5 實(shí)際航路

圖6 解算結(jié)果

圖7 距離變化趨勢(shì)

圖8 距離誤差解算結(jié)果

圖9 方位誤差解算結(jié)果

圖10 俯仰誤差解算結(jié)果

由結(jié)果剔除個(gè)別異常數(shù)據(jù)可知，距離誤差在±0.25 m附近，方位誤差在±0.01°范圍內(nèi)，俯仰誤差在±0.015°范圍內(nèi)。

3.3 結(jié)果分析

驗(yàn)證一，由測(cè)試環(huán)境可知，CORS站架設(shè)條件好，周?chē)鸁o(wú)遮擋、無(wú)干擾，數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定。所用活動(dòng)站接收機(jī)為動(dòng)態(tài)測(cè)量模式，架設(shè)的附近有高樓和電線等影響，數(shù)據(jù)質(zhì)量不如CORS站設(shè)備，解算質(zhì)量有所下降。

驗(yàn)證二，船上動(dòng)態(tài)試驗(yàn)設(shè)備架設(shè)環(huán)境復(fù)雜，周?chē)嬖趶?fù)雜電磁環(huán)境，且有甲板、海面、桅桿的多路徑信號(hào)，導(dǎo)致個(gè)別歷元解算模糊度不固定。所處理數(shù)據(jù)與商業(yè)差分軟件比對(duì)發(fā)現(xiàn)，在模糊度浮點(diǎn)解算的區(qū)間，商業(yè)軟件也存在浮點(diǎn)解算現(xiàn)象，說(shuō)明是由于當(dāng)時(shí)測(cè)量環(huán)境導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量下降造成的。浮點(diǎn)解導(dǎo)致的距離誤差基本在1倍波長(zhǎng)附近，約20 cm左右，導(dǎo)致的方位誤差與基線長(zhǎng)度近似成反比，基線越長(zhǎng)，方位、俯仰精度相對(duì)越高。

艦船系統(tǒng)試驗(yàn)中，一般的高精度警戒探測(cè)設(shè)備，距離精度在米級(jí)，方位精度在0.2°左右，俯仰精度在0.2°左右。由上述驗(yàn)證結(jié)果可知，能夠滿足試驗(yàn)需要。但是，對(duì)于更高精度的跟蹤、控制設(shè)備試驗(yàn)，其精度要求高，上述算法暫不具備該功能，需要進(jìn)一步深化研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

在基準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理模式上進(jìn)行探索，提出的方法具有可操作性，能夠?qū)崿F(xiàn)整周模糊度的快速解算，可以準(zhǔn)確獲取較高精度相對(duì)定位信息。通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驗(yàn)證分析表明，提出的新方法具有可行性，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度較高，驗(yàn)證了算法的正確性和有效性。

算法解算的結(jié)果能夠滿足一定的試驗(yàn)需求，可以節(jié)約試驗(yàn)成本，提高處理效率，滿足遠(yuǎn)離陸地的試驗(yàn)環(huán)境需要。但在工程應(yīng)用及對(duì)更高精度設(shè)備試驗(yàn)方面還需做進(jìn)一步深化研究。

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[責(zé)任編輯：張德福]

A data processing method in warship system test based on moving base station

PENG Xiaogang1, FENG Xin2, LI Jingyan1

(1. Troops 91404，Qinhuangdao 066000，China;2.Troops 66444, Beijing 100042，China)

Aiming at the insufficiency of benchmark data processing in warship system test based on fixed base station differential calculation through GNSS positioning data, this paper analyses the difficulty that conventional method is facing with, which can not fit the test of long-range and great navigation area. It proposes the data processing method of carrier phase differential calculation based on moving base station. Based on these analyses of GNSS differential calculation principle, combined with classic carrier phase double-difference, it builds a differential calculation model based on moving base station through real-time single epoch processing. Using the data collected in real-time situation, it gets the baseline calculating precision, and validates the feasibility and result quality in warship system test benchmark data processing.

warship system test; benchmark data processing; moving base station; difference processing

引用著錄：彭曉剛，馮欣，李景巖.基于移動(dòng)基準(zhǔn)站的艦船系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法研究[J].測(cè)繪工程，2017，26(4)：12-15.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.04.003

2016-07-24

彭曉剛(1978-)，男，高級(jí)工程師，博士.

P228

A

1006-7949(2017)04-0012-04