定位定向接收機校準技術研究

孫豐甲，彭軍，何群，郭建麟，李娜娜

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)具有實時、全天候、高精度、抗干擾性好和覆蓋范圍廣的特點，在軍事、交通運輸、精密授時及大地測量等國民經濟各領域得到廣泛的應用［1-2］。GNSS 包括美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲GALILEO 及中國BEIDOU 等衛星導航系統。GNSS 主要由空間星座、地面監控和用戶三大部分組成［3-4］，其中空間星座和地面監控部分是用戶應用該系統進行導航和定位的基礎(用戶只有通過接收機才能實現應用GNSS 進行導航與定位的目的)。隨著載波相位測量技術及相應硬件的不斷發展和升級，接收機從單一提供定位信息功能，發展到可以提供用戶定位與定向(航向)信息的功能［5-8］。由于接收機性能的高低會直接影響到用戶所需要得到的定位與導航準確度，因此對接收機進行計量校準是十分必要的。

1 定位定向接收機校準內容及方法

1.1 接收機定位精度校準

接收機定位精度校準原理如圖1所示，利用已建成的短基線場，將天線安裝在已知大地坐標的基準點上，通過記錄一定時段接收機的觀測數據，得到被校接收機經度φ、緯度λ 和高程h 的測量均值，再通過坐標變換將其轉換為直角坐標(X，Y，Z)，與基點的標準點坐標值(X0，Y0，Z0)計算得到被校接收機定位偏差ΔL 和高程偏差ΔH。

圖1 接收機定位精度校準原理圖

1.2 接收機定向精度校準

接收機定向精度校準原理如圖2所示，利用已建成的方位基準線，將前天線與后天線分別安裝在基準線A，B 兩點，通過記錄一定時段接收機的觀測數據，得到被校接收機方位角測量均值β，與方位基準值α 進行比較，計算得到被校接收機定向偏差值Δθ。

圖2 接收機定向精度校準原理圖

2 定位定向接收機校準過程及結果

選取某型定位定向接收機作為校準對象，該接收機單點定位偏差為2 m，高程偏差為4 m，基線長度為2 m 時雙天線定向偏差為0.09°，數據最快更新率為20 Hz。

接收機定位精度校準實驗中，按設備使用要求，將接收天線、數據線、接收機和計算機正確連接，將接收天線安裝在大地坐標已知的基準點上，如圖3所示，啟動電源和相應的數據測量軟件，數據更新率設置為1 Hz，在系統進入定位狀態后，記錄并保存不少于20 min 的觀測數據作為一組測量值，共需要進行3組測量，得到經度、緯度、高程測量值，經坐標變換后得到偏差和高程差。圖4 為接收機定位實測數據曲線圖，表1 為接收機定位校準結果。

圖3 接收機定位校準實驗圖

圖4 接收機定位實測數據曲線

表1 接收機定位校準結果

接收機定向精度校準實驗中，按設備使用要求，將接收天線、數據線、接收機和計算機正確連接，將雙天線安裝在基線A，B 兩點上(基線長度為2 m，方位角為150.9046°)，如圖5所示，啟動電源和相應的數據測量軟件，數據更新率設置為1 Hz，在系統進入定向狀態后，記錄并保存不少于20 min 的觀測數據作為一組測量值，共需要進行3 組測量。圖6 為接收機定向實測數據曲線圖，表2 為接收機定向校準結果。

圖5 接收機定向校準實驗圖

表2 接收機定向校準結果

圖7 接收機仿真校準實驗圖

表3 仿真機校準結果

利用衛星信號仿真機對定位定向接收機進行仿真校準，將仿真機與接收機通過數據線連接，設置仿真機的大地坐標值，啟動接收機電源和相應的數據測量軟件，數據更新率設置為1 Hz，在系統進入定位狀態后，記錄并保存不少于20 min 的觀測數據，得到的經度、緯度、高程信息與標準值比較，圖7 為定位接收機仿真實驗圖，表3 為仿真機校準結果。通過對接收機實際定位觀測校準結果與仿真機校準結果的比較，可以看出仿真機校準結果優于實際定位觀測校準結果，分析對接收機實際定位觀測實驗產生影響的因素有以下幾點:①觀測環境會影響到捕獲衛星個數，個別衛星在短時間內會出現信號失鎖現象;②衛星信號在傳輸過程中會受到電離層延遲、對流程延遲和接收天線性能等因素影響，使得衛星信號信噪比波動較大，從而對定位精度產生影響。

3 結論

利用已建成的短基線場和仿真機，對定位定向接收機進行實際觀測校準和仿真校準，通過校準結果比較可知:接收機實際觀測校準會受到觀測環境、衛星信號傳播途徑(如電離層延遲，對流層延遲)、接收機天線相位中心的偏差和接收機內部噪聲等因素的影響，但接近用戶實際使用情況，可作為接收機綜合精度評定方法。仿真機校準減少了外部因素影響，可用于對接收機硬件及軟件性能進行評定。

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