GNSS動態定位性能評價研究現狀與進展

叢佃偉，許其鳳

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院，鄭州 450001；2.地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054)

GNSS動態定位性能評價研究現狀與進展

叢佃偉1，2，許其鳳1

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院，鄭州 450001；2.地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054)

摘要：定位性能是衛星導航系統性能的基礎和核心，衛星導航系統定位性能評價貫穿于衛星導航系統的設計、研發、部署、運行和擴展等各個階段。針對GNSS動態定位性能評價方法展開研究，對當前GNSS動態定位性能評價方法進行分類和分析，指出幾種方法存在的不足之處，提出一種利用攝影/慣導組合測量方法建立GNSS動態定位性能檢定系統的基本思路。實驗結果表明該方法可為建立GNSS動態定位性能檢定系統提供參考。

關鍵詞：GNSS；動態定位；測試評估；檢定

0引言

定位性能是全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)的重要技術指標，也是衡量GNSS技術水平的重要標志。衛星導航系統靜態定位性能與時域無關，其評價方法比較成熟，可以依托大地控制點進行接收機靜態定位性能評價。

衛星導航系統動態定位模式具有定位精度高、定位結果瞬時性、動態范圍大、數據更新率高等特點，這些特點給GNSS動態定位性能評價帶來了巨大的挑戰。國內外圍繞GNSS動態定位性能評價開展了大量的理論研究、仿真實驗與實際測試工作[1-4]。載體動態主要集中在低動態領域，研究方法主要采用GNSS實時動態測量(real time kinematic，RTK)方法等作為評定標準。

本文對當前GNSS動態定位性能評價方法進行了歸類，對歸類出的理論推算、模擬仿真和測試評估3種評價方法進行了介紹，并分析了幾種方法的優點及不足之處；最后對動態定位性能評價的最新研究進展進行了探討，介紹了利用多節點攝影/慣導組合測量方法建立GNSS動態定位性能檢定系統的基本思路，并闡述了其能夠實現的動態定位性能及作為檢定系統的可行性。

1動態定位性能理論推算法

在衛星導航系統中，影響用戶導航定位授時精度的因素包括導航系統所提供的空間信號(signal-in-space，SIS)的精度性能、接收機及測量環境相關的精度性能以及與用戶使用服務時的時空要素相關因素決定的精度性能等3部分。其中，前2個內容以用戶等效距離誤差(user equivalent range error，UERE)表示，后面內容用精度衰減因子(dilution of precision，DOP)衡量。UERE由用戶測距誤差(user range error，URE)和用戶設備誤差(user equipment error，UEE)組成，URE綜合反映了控制段、空間段對于精度的影響，基本上反映了衛星導航系統的系統設計性能；UEE反映了用戶段對于精度的影響，還包括環境段產生的影響。DOP值反映接收機與可見衛星幾何結構對用戶測距誤差的放大效應。美國全球定位系統(global positioning system，GPS)定義的位置、速度和授時精度評估方程為[5-6]：

(1)

式中:UHNE為用戶水平導航誤差；UVNE為用戶垂直導航誤差；HDOP為水平精度衰減因子；VDOP為垂直精度衰減因子。

定位精度指標是基于單點最壞情況、同時有2顆衛星運行時效DOP最大時的前提下統計出的，DOP取95%值。在忽略環境段和用戶段等衛星導航系統無法控制的影響因素情況下，認為UERE近似等于SIS URE。GPS SPS標準定位性能規范中通過均勻分布在衛星覆蓋區域內的空間點來估計URE瞬時值，計算方法如為

(2)

式中：T為授時誤差；c為光速；R、A、C分別為軌道徑向、切向、法向誤差。

美國國防部已經從1993年開始先后發布了5個版本的GPS標準定位服務性能標準文檔(GPS SPS PS)用于向全球展示并承諾GPS的服務性能。GPS SPS PS的發布主導了衛星導航系統性能標準及其評估指標體系，事實上已經成為目前GNSS的性能評估標準。

俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)依托俄羅斯信息分析中心和俄羅斯太空設備研究所等機構開展性能監測工作。俄羅斯信息分析中心負責監測GLONASS的服務性能，發布系統性能報告。俄羅斯太空設備工程研究所開發了與差分校正監測系統項目(system of differential correction and monitoring，SDCM)相關的網站，公開發布SDCM監測站、實時監測結果、事后監測結果、精密定位結果和簡要報告等。

根據我國北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)公開服務性能規范(1.0版)的描述，空間信號精度采用誤差的統計量描述，數值為正常運行條件下任意健康衛星的誤差統計值(95%置信度)。空間信號精度主要有用戶距離誤差(URE)、URE的變化率(URRE)、URRE的變化率(URAE)、協調世界時偏差誤差(UTC offset error，UTCOE)4個參數。BDS公開服務空間信號URE用瞬時URE統計值表示，指在不包含測量誤差和接收機鐘差條件下利用導航電文參數得到的偽距值與實際觀測衛星信號得到的偽距值之差。參考GPS關于定位精度評估方程，可以推導得到BDS URE的計算公式為

(3)

式中：T為授時誤差；c為光速；R、A、C分別為軌道徑向、切向、法向誤差。

動態定位性能理論推算法利用DOP值和URE對定位性能進行理論推估，能總體反映衛星導航系統的定位性能；但忽略了用戶段和環境段的影響，也未考慮載體動態特性可能對定位性能的影響：因此可能與系統和用戶實際獲得的動態定位性能存在偏差。

2動態定位性能模擬仿真法

模擬仿真法通過利用軟硬件仿真實現和驗證衛星導航系統的各個組成(包括空間段、地面段及用戶段)來評估衛星導航系統可能達到的定位精度。數學仿真單元主要完成衛星星座的軌道仿真、空間環境仿真、用戶軌跡仿真、誤差仿真和觀測數據仿真，模擬產生地面接收觀測到的測量數據和導航電文；射頻仿真單元根據輸入的觀測數據實時生成符合衛星信號格式和信號質量的射頻信號。利用實際的接收機接收模擬信號，接收機的工作方式與實際測量過程一樣。

為滿足歐盟伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)建設和GPS現代化升級需要，研究人員開發了多個旨在進行GNSS系統性能評估和優化的工具軟件。ELCANO軟件用于優化導航和通信星座的工具，能夠評估和分析導航系統的各項性能，諸如在在各種場景條件下進行GNSS的性能計算與評估[7]。Galileo研究小組研發了GSSF仿真軟件工具，除了具有各種星座、空間環境以及用戶段的仿真外，還可以進行各種場景條件下的系統性能評估，為Galileo各種服務性能的評估以及星座優化、性能指標分配提供了功能非常強大、使用方便的工具軟件[8]。

國內信息工程大學、中國電子科技集團54所等多家單位進行了相應的研究并研發了專用的設備[9-11]。

系統模擬仿真法的優點是可以對接收機可以進行較全面的考核，適用于靜態、低動態、高動態各種情況下的定位性能評估；可以根據需要模擬各種動態指標生成動態軌跡進行性能仿真，解算結果與已知軌跡比較即可獲定位解算精度。主要缺點是對動態定位精度的考核不夠充分，這種方式得到的精度結果與所搭建系統的模型與實際情況的契合程度密切相關。

3動態定位性能測試評估法

衛星導航動態定位的瞬時性、不可重復性、定位的高精度m級)增加了對衛星導航系統動態定位性能評估的難度，高精度的傳統測繪手段難以發揮作用。目前主要有地面無線電測距法、差分GNSS法、GNSS精密單點定位技術(precise point positioning，PPP)法、較差攝影測量法等。

3.1地面無線電測距法

無線電測量定位技術主要利用電磁波傳播基本特性，通過接收、發射和處理無線電波，測量無線電發射臺發射信號的相位、時間、振幅、頻率等信息，計算載體相對于發射臺的距離、方向、距離差、速度等，以確定運動載體與發射臺之間的相對位置關系;若利用3個以上位置已知的發射臺，可求得載體的動態位置。可分為測角(方位角或高低角)、測距、測距差和測速幾種方式，目前精度較高的是測距系統。

地面無線電測距法適用于靜態、低動態、高動態情況。美國早在GPS系統開發期間，在亞利桑那州建成了YUMA衛星導航試驗場(1974年)，利用在地面數個已知點上設置專用無線電測距儀對發射無線電信號的載體進行測距，來解算動態載體的3維位置，精度為m級[1]。該方法與GNSS定位原理在本質上相同，均為基于無線電測距的空間后方交會方法，難以消除系統性誤差的影響。隨著衛星導航系統定位精度的不斷提高，該方法滿足動態定位精度評估的難度也隨之加大。

3.2差分GNSS法、GNSS PPP法

差分GNSS法、GNSS PPP法是國內外采用最多的2種衛星導航性能測試方法。差分GNSS法利用差分GNSS設備的定位結果評估被檢接收機的動態定位精度，可分為偽距差分和載波相位差分2種方式，偽距差分的精度在m級，載波相位差分的精度可達到dm級。我國BDS建成后，其動態定位性能評估以差分GPS(偽距差分)作為評估標準，動態范圍為0～100 km/h，不確定度為5 m。BDS區域系統建成后，國內信息工程大學、衛星導航定位總站利用差分GNSS和GNSS PPP技術做了大量的BDS動態定位性能驗證試驗(如圖1所示)。在繞城試驗線路中，在距離試驗場地適當的區域內的一個已知點上設置雙頻測量型GPS接收機，在試驗車輛適當部位設置測量型GPS接收機和多個BDS定位型用戶天線，并用相應的接收機接收數據，以實時或事后差分GPS(載波相位差分)作為比對標準評估BDS接收機動態定位結果。

圖1　利用GPS PPP進行城際和遠洋試驗裝備圖

PPP的基本思想是將衛星定位誤差分為衛星鐘差、軌道誤差、接收機鐘差、電離層延遲和對流層延遲誤差，將定位中的衛星軌道和衛星鐘差固定為一個全球網絡，解算出高精度衛星軌道和鐘差(如國際GNSS服務組織發布的高精度GPS衛星軌道和鐘差產品)；利用電離層組合觀測值消除電離層延遲的影響，將接收機鐘差和對流層延遲作為未知參數與測站坐標一起求解得到高精度定位成果。國際上比較知名的具有PPP功能的軟件有：美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的GIPSY軟件、瑞士的BERNESE軟件、德國的EPOS軟件、GAMIT、徠卡(Leica)公司的IPAS PPP以及國內的TriP軟件等。在BDS區域系統的城際和遠洋動態試驗中，曾采用GPS PPP結果作為評估標準，其理論動態定位精度可達到m級以內。

地面無線電測距法、差分GNSS法、GNSS PPP法本質上也是無線電測量方法，與衛星導航定位原理一樣屬于基于無線電測距的空間后方交會方法，評估系統與被評估系統在觀測量、解算方法等方面存在一定的相關性，難以消除系統性偏差對評估結果的影響。差分GNSS法、GNSS PPP方法還屬于利用衛星導航系統評估衛星導航系統，偽距差分精度難以滿足要求，載波相位差分、GNSS PPP方法對載體的運動狀態有限制，要求在測量過程中接收機不能失鎖。

3.3攝影測量方法

攝影測量技術采用光學定位方法和攝影測量原理，利用像片坐標解算其成像目標的空間位置。依據攝站的數量可分為單攝站攝影定位、多攝站攝影定位；依據定位方法可分為后方交會法、前方交會法[12]。2004年，信息工程大學在鄭州建立了GPS接收機綜合檢定場，除具備進行常規的接收機檢測能力外，還利用電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)動態較差攝影定位法實現了GPS接收機(2維方向)的動態性能測試[13];利用安放在車載裝置上的2臺相互垂直的CCD數碼相機同時對坐標已知的標志點進行攝影，綜合利用攝影裝置與標志點角度觀測量與所在區域高程庫信息來解算攝影裝置的高精度坐標：由于受車載方式限制，動態范圍小于100 km/h[14]。

4定位性能評價方法研究進展

前述幾種定位性能的評價方法在衛星導航系統設計、研發、部署、運行、擴展和應用階段具有較高的指導意義；但目前國內外尚未建立計量意義上獨立于衛星測量手段的GNSS動態定位性能檢定系統。

信息工程大學提出了一種獨立于衛星測量手段的動態定位性能檢定方法[15]，檢定系統組成如圖2所示，其數據處理過程如圖3所示。該方法從GNSS動態定位檢定允許事后數據處理及提高組合定位精度角度出發，提出了區別于組合導航濾波算法的多節點攝影/慣導組合測量方法：將多節點攝影信息應用到捷聯慣導誤差傳播模型，利用最小二乘最優估計法統一解算慣導誤差參數，使動態定位檢定系統在檢定節點間內能輸出均勻的高定位精度和高數據更新率數據。

圖2　GNSS動態定位性能檢定系統組成

圖3　攝影/慣導組合定位方法數據處理過程

文獻[16]中對多節點攝影/慣導組合測量方法進行了詳細的研究并建立了如圖4所示的溯源體系[16]。經過仿真實驗和實際試驗，設計的動態定位檢定系統水平定位不確定度優于0.68 m、垂直方向定位不確定度優于1 m，數據更新率為200 Hz；實現了高定位精度和高數據更新率的統一，能夠滿足現階段GNSS動態定位性能檢測的需求：是一種可行的獨立于衛星測量手段的GNSS動態定位性能評價方法。

圖4　GNSS動態定位性能檢定系統溯源流程

5結束語

測試、計量是從客觀事物中提取所需信息，借以認識客觀事物并掌握其客觀規律的一種科學方法；測試、計量技術則是通過測試手段實現上述方法的技術；基準標準技術是測試計量技術水平的最高表現形式[17]。

動態定位性能檢定基準是動態定位性能測試評估技術的最高表現形式；目前國內外尚未建立計量意義上的GNSS動態定位性能檢定規范：因此我國需要在完善現有GNSS動態定位評價方法基礎上，探求建立獨立于衛星導航系統的GNSS動態定位性能檢定方法。GNSS動態定位性能檢定技術研究不僅是測試評估方法發展的需要，對BDS建設也有重要價值。論文提出的多節點攝影/慣導組合測量方法是建立GNSS動態定位性能檢定系統的有益探索。

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Research status and advances of accuracy evaluation methods for GNSS kinematic positioning

CONG Dianwei1，2，XU Qifeng1

(1.Institute of Navigation and Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou 450001，China;2.State Key Laboratory of Geo-information Engineering，Xi’an 710054，China)

Abstract：The positioning accuracy of the GNSS is an important technical indicator.Test and evaluation of positioning performance always play an important role throughout the design stage，development stage，deployment stage，operational stage，and so on.The paper studied on the issue of GNSS kinematic positioning accuracy evaluation methods.It pointed out the disadvantages of the current evaluation methods，and then proposed to build a kinematic positioning calibration system using the photography/SINS integrated measurement technology.Experimental result showed its to feasibility in the simulation and practical test.

Keywords：GNSS；kinematic positioning；test and evaluation；calibration

收稿日期：2015-09-28

基金項目：地理信息工程國家重點實驗室開放研究基金項目(SKLGIE2015-M-2-5)。

第一作者簡介：叢佃偉(1982—)，男，山東濰坊人，博士，講師，研究方向為衛星導航及應用。

中圖分類號：P228

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4999(2016)02-0001-05

引文格式：叢佃偉，許其鳳.GNSS動態定位性能評價研究現狀與進展[J].導航定位學報，2016，4(2)：1-5.(CONG Dianwei，XU Qifeng.Research status and advances of GNSS accuracy evaluation methods for kinematic positioning[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：1-5.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160201.