2. 信息工程大学,河南郑州 450001
传统的卫星定向技术一般是利用两台GNSS接收机架设于空间两点形成短基线,由基线矢量直接得到其大地方位角[1, 2, 3, 4, 5, 6]。在军事上由于地形大小、载车长度等因素影响[7, 8],基线长度受限,这直接影响了GNSS定向的精度;对于北斗卫星导航系统而言,在地固系下GEO卫星几乎是静止不动的,IGSO卫星的角速度也较传统的MEO卫星小,当接收机静止时,接收的载波相位观测值变化微弱,需较长的初始化时间才能准确分离整周模糊度参数[9, 10, 11, 12],影响定向的速度。本文利用1台北斗接收机以固定臂长和角速率围绕旋转中心旋转,以解决上述难题,利用角度测量的精度约束提升虚拟基线的定向精度,通过主动运动促使接收机观测值变化,减弱观测方程病态,提升解算速度[13];该方法可精确解算出角度传感器(如经纬仪)度盘零点的大地方位角,使用时只需照准目标,读取水平度盘的方向观测值,然后将二者相加即可给出照准方向的大地方位角。
一、定向原理设有1台北斗接收机,它绕P点以臂长R为半径作匀速运动。此时,测站坐标系设为北东天坐标系,即X轴指向正北方向,Z轴指向天顶,Y轴垂直于XOZ平面并与X轴和Z轴成左手坐标系(如图 1所示)。
卫星S到接收机瞬时位置Pi的观测方程可写为
式中,λ为波长;φij(ti)为ti时刻的载波相位观测量;Nj为对应的整周模糊度;ρij为测站到卫星的距离;Δε为各种系统误差和偶然误差的总和。令ρij在旋转中心P点处展开,即有
在北东天坐标系中,Δρj又可写为
将式(3)和式(2)代入式(1)中,可得
式中,Δx、Δy和Δz为旋转中心至接收机天线相位中心的3个分量。接收机旋转时,其运动状态如图 2所示。图中,AM0为角度传感器(如经纬仪)度盘零点的大地方位角,Mi(ti)为ti时刻角度传感器的度盘读数,AMi为ti时刻角度传感器对应的大地方位角,R为旋转的半径。
则Δx、Δy、Δz可表示为
于是有
在式(5)中,AM0的初值可以利用卫星与测站之间的关系得出近似值A′0,R的初值设为r0,则有
式中,d为需要解算的度盘零点大地方位角修正值;dr臂长修正值。当仪器整平时,ΔZ=0,整理可得
式(8)即是快速定向的数学模型,式中有3种未知参数,即测站到卫星j的载波相位观测值的整周模糊度Nj,臂长修正值dr和角度传感器零点大地方位角修正值d,共n+2个(n为观测到的卫星个数)。因此,在卫星信号不发生跳变时,只需两个历元数据就可以解算出定向结果。
二、定向系统概要设计根据上述定向原理,可设计1台快速定向系统,该定向系统可由1台可接收北斗载波相位观测值的GNSS接收机和1台全站仪组成(如图 3所示),其中全站仪作为角度传感器实时记录GNSS接收机的旋转角度,北斗接收机接收北斗卫星导航系统载波相位数据。
三、定向仿真 1. 定向原理可行性评估为评估基于北斗单接收机旋转的算法的可行性,仿真时选择北斗卫星导航系统中5颗地球同步轨道卫星(GEO)和3颗倾斜轨道地球同步卫星(IGSO),其运行周期为24h,不同时间其卫星空间分布不同,为使其具有代表性,将全天均匀分为36个测段,每个测段进行36次采样,每次采样观测时间为3min。仿真点位选在位于东南沿海北纬20°、东经120°位置处,旋臂初值设为1m。具体仿真条件见表 1。仿真结果如图 4所示。
采样频率 | 5Hz | 观测时间 | 180s | 随机初值 | 1 | 每周历元 | 150 |
旋转半径 | 1.000m | 温度形变 | 0.005m | 自重变形 | 0.003m | 星历误差 | 30.0m |
弧段数 | 36 | 样本数 | 36 | 测站误差 | 10.0m | 相位误差 | 0.01cycle |
方位偏差 | 30.0° | 读数误差 | 5.00″ | 天线偏差 | 0.004 | 偏差方位 | 90° |
水平轴差 | 0.0″ | 垂直轴差 | 10.0″ | 东向倾斜 | 1000.0″ | 北向倾斜 | 2000.0″ |
卫钟频偏 | 1.0E-10 | 卫钟频漂 | 1.0E-12 | 卫钟抖动 | 1.0E-17 | 信道延迟 | 0.0 |
站钟频偏 | 1.0E-17 | 站钟频漂 | 1.0E-17 | 站钟抖动 | 1.0E-17 | 采样延迟 | 0.0 |
从图 4可以看出,利用提出的新方法可以正确解算出结果,且定向的精度较高(标准差STD仅为9.51s)。
2. 北斗覆盖重点区域内定向精度评估同一测段不同地区观测的卫星空间分布不同,同样条件其解算精度也会有所不同。为了考察不同地区的定向精度,选择我国北斗卫星导航系统的重点覆盖区域(北纬10°—55°,东经75°—150°),以2°×2°的地理分辨率进行仿真,每个点进行同样条件的36测段×36次仿真,如图 5所示。
可见,在我国北斗卫星导航系统覆盖区域内,仿真的定向标准差都小于40角秒,并且在重点覆盖区域内绝大部分的标准差都优于10角秒;非重点覆盖区域内定向仿真精度不高,这主要是因为在非重点覆盖区内可见卫星数较少,且其空间几何分布状态也较差所致。
3. 观测时间对定向精度影响分析观测时间长度不同,北斗卫星在空中的几何分布不同,并且用于解算的数据量也不相同,其定向精度也必然有所不同。为有效地克服缩短观测时间与提高定位精度这一对矛盾,需要确定合理的观测时间。在仿真中,其他条件不变,仅将观测时间进行变化,仿真结果如图 6所示。
由图 6可知,当观测时间延长至3min以后,定向的精度变化不大,因此建议采用的观测时间为3min,不仅可以保证精度,还可以体现出速度。
4. 旋臂长度对定向精度影响分析由定向原理可知,旋臂长度与定向的精度成反比,旋臂越长定向精度越高。但旋臂太长对设备的制造工艺要求高,且容易引入其他误差,因此必须确定合理的旋臂长度。仿真中,将表 1中的其他条件不变,仅改变旋臂长度,得到的仿真结果如图 7所示。
从图 7中可见,定向精度随着臂长的增长而提高,但在很多应用中10s的定向精度已经足够使用,因此综合考虑建议臂长选用为1m左右即可。
5. 物理仿真为验证算法的正确性和可行性,设计了一台原型样机,由于GPS系统与北斗导航系统具有高度的相似性,样机中的接收机采用GPS接收机代替,如图 8所示。
利用上述原型样机进行了大量试验,将定向结果与基准值比较,得到如图 9所示的结果。
从图 9中可知,定向的外符合精度均优于80s,经统计其标准差为19s,满足各种运动载体对定向的需求。
四、结束语利用1台GNSS接收机结合角度传感器进行定向的新方法,可以克服观测时间短及北斗导航系统中GEO卫星静止等带来的复共线性问题。仿真结果表明,该方法正确可行,在3min的时间内定向精度可达10s,当观测时间为3min、臂长为1m时,可获得较理想的定向结果;利用设计的样机,在GPS环境下观测3min,定向的外符合精度优于80s。该方法可运用于载体的快速定位定向,具有重要的意义。
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