定位性能是卫星导航系统性能的基础和核心,对定位性能的测试与评估贯穿于卫星导航系统的设计、研发、部署、运行和扩展等各个阶段,由于卫星导航系统具备高动态条件下的高定位精度和高更新率,因此高动态条件下卫星导航系统定位性能检定工作是国际上研究的难点,目前尚未建立独立于卫星测量手段的高动态定位性能检定系统。基于此,本文围绕动态条件下多节点摄影/惯导组合定位精度影响因素及关键技术展开了分析和研究。论文的主要工作和创新点有:
(1) 设计了独立于卫星测量手段的北斗动态定位性能检定系统建立方案,从动态定位检定系统允许事后数据处理及提高组合定位性能的角度出发,提出了区别于组合导航滤波算法的多节点摄影/惯导组合测量方法,将多节点摄影信息应用到捷联惯导误差传播模型,利用最小二乘最优估计算法统一解算惯导误差参数,使动态定位检定系统在检定节点间内能输出均匀的高定位精度和高更新率数据。设计的动态定位检定系统水平定位不确定度优于0.68 m、垂直方向定位不确定度优于1 m。
(2) 在分析捷联惯性导航系统误差方程的基础上,采用差分代替微分的数值计算方法构建了运动条件下初始误差与各时刻误差间的误差传播关系,建立了动态条件下捷联惯导误差传播模型。模拟实际动态定位性能检定环境,对摄影测量交会定位精度、载体运动速度、不同精度惯性器件等对多节点摄影/惯导组合测量方法性能的影响进行了详细的分析,完成了摄影节点数量和分布方案设计。利用陀螺漂移为0.02(°/h)级别的捷联惯导进行了多节点摄影/惯导半物理仿真试验和车载试验,验证了动态条件下捷联惯导误差传播模型和多节点摄影/惯导组合测量理论的正确性。
(3) 研究了高动态条件下授时接收机、嵌入式计算机、摄影拍照时刻、捷联惯导系统、待检测接收机之间的时间同步技术。受限于摄影相机从控制指令触发到机械快门打开时间延迟的不稳定性,对基于液晶快门实现摄影测量时刻精确记录的方法进行了分析,提出采用光敏感器记录高速闪光时刻实现了摄影测量时刻的精确记录。
(4) 对高动态条件下面向动态定位性能检定的摄影测量关键技术进行了研究,解决了哈苏H4D-60相机高精度标校和标志中心对应像点坐标的高精度量测问题。提出了相机投影中心位置精确测定及不依赖编码标志的两步法摄影物点、像点自动匹配方法。设计了机载高动态摄影测量系统主要工作流程,在缩小比例测试场内完成了静态摄影测量交会性能试验,推估在动态定位检定环境下(200 m航高),摄影测量交会方法能够为捷联惯性导航系统提供优于0.5 m(三方向)的位置传递精度。
(5) 多节点摄影/惯导组合测量方法能够同时实现高精度的测速功能,根据仿真试验、半物理仿真试验和车载试验,在动态定位检定条件下,多节点摄影/惯导组合测量方法能够实现优于0.67 m/s的测速精度,能够满足北斗卫星导航系统测速精度需求。设计了动态定位检定系统定位性能验证方案,本文方案还适用于对其他卫星导航系统或其他动态定位技术进行动态定位性能检定工作。