王潛心

1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830

機(jī)載GNSS動(dòng)態(tài)定位定速與定姿理論及算法研究

王潛心1，2

1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830

航空動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)因不受地形條件和氣候條件的限制，可在高寒地區(qū)、陡峭山區(qū)、原始森林等人員難以到達(dá)的地區(qū)進(jìn)行空中測(cè)量，其高效的作業(yè)方式是常規(guī)的地面測(cè)量手段所無(wú)法比擬的。論文圍繞航空動(dòng)態(tài)測(cè)量中移動(dòng)測(cè)量平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)問(wèn)題展開(kāi)研究，涉及機(jī)載GNSS動(dòng)態(tài)定位中主要誤差的處理、長(zhǎng)距離機(jī)載GNSS動(dòng)態(tài)定位、高精度GNSS定速與定姿方法等諸多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，其主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）由于對(duì)流層延遲量與測(cè)站的高程密切相關(guān)，當(dāng)兩測(cè)站高差為10m時(shí)，其天頂方向?qū)α鲗友舆t量之差將達(dá)2～3mm。而機(jī)載動(dòng)態(tài)相對(duì)定位中，飛機(jī)與地面參考站間的高差一般都在幾公里以上，因此很難通過(guò)差分的方式進(jìn)行有效消除。為此提出了“投影延拓法”，該方法先將飛機(jī)的空中運(yùn)行軌跡利用高斯正算投影到地面參考網(wǎng)的平均高程面上，然后應(yīng)用反向距離加權(quán)公式對(duì)投影點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插，最后根據(jù)大氣參數(shù)隨高程的變化關(guān)系將投影點(diǎn)延拓至原有位置。試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)流動(dòng)站比參考站高幾百米甚至幾千米時(shí)，該方法始終能獲取毫米級(jí)的對(duì)流層延遲量改正值，其誤差只與向上延拓時(shí)大氣模型本身垂直方向上的分辨率相關(guān)。

（2）機(jī)載動(dòng)態(tài)定位的觀(guān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致異常誤差出現(xiàn)十分頻繁，如何有效地控制機(jī)載動(dòng)態(tài)定位中異常誤差的影響對(duì)保證最終成果的精度和可靠度至關(guān)重要。對(duì)此提出采用粗差檢測(cè)與抗差估計(jì)相結(jié)合的方式來(lái)處理機(jī)載動(dòng)態(tài)定位中的粗差問(wèn)題，即：在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段利用粗差檢測(cè)和較為寬松的判別標(biāo)準(zhǔn)來(lái)剔除大的粗差；在參數(shù)估計(jì)階段利用抗差估計(jì)來(lái)控制小粗差的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示：對(duì)于海量數(shù)據(jù)的機(jī)載動(dòng)態(tài)定位而言，該方法不僅能有效抵御粗差的影響而且能保證軟件的解算速度。

（3）單基線(xiàn)處理模式是目前GNSS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位中最簡(jiǎn)單常用的一種解算模式。但在長(zhǎng)距離機(jī)載動(dòng)態(tài)定位中，由于載體飛行距離過(guò)遠(yuǎn)，導(dǎo)致流動(dòng)站與參考站間的共視衛(wèi)星數(shù)減少，PDOP值變大，定位精度下降甚至無(wú)解。為此提出采用“自適應(yīng)換站”法來(lái)解決這一問(wèn)題。該方法的主要思想是：整個(gè)解算過(guò)程始終保持單基線(xiàn)的動(dòng)態(tài)定位模式，當(dāng)發(fā)現(xiàn)流動(dòng)站與原參考站間的距離大于流動(dòng)站與其他參考站間的距離時(shí)，自動(dòng)更換周?chē)罱膮⒖颊咀鳛樾聟⒖颊?；?duì)換站前后的數(shù)據(jù)設(shè)置一定時(shí)間的重疊段，利用等價(jià)消參法將換站前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的自適應(yīng)融合，以保持整個(gè)解算過(guò)程的連續(xù)性。試驗(yàn)結(jié)果顯示：該方法不僅可以克服因載體飛行距離過(guò)遠(yuǎn)而導(dǎo)致定位結(jié)果精度下降，而且能夠避免因換站所引起前后解的不連續(xù)，定位結(jié)果精度優(yōu)于2cm。

（4）詳細(xì)比較現(xiàn)有3種GNSS定速方法（位置求導(dǎo)法、相位差分法、多普勒定速法）的優(yōu)缺點(diǎn)，給出各自的適用范圍，并依此提出一種GNSS綜合定速法。該方法通過(guò)綜合使用GNSS載波相位觀(guān)測(cè)值和多普勒觀(guān)測(cè)值來(lái)確定載體速度，不僅可改善單獨(dú)使用多普勒觀(guān)測(cè)值時(shí)的定速精度，而且可克服單獨(dú)使用載波相位觀(guān)測(cè)值時(shí)受載體機(jī)動(dòng)性影響較大的弊端，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，其定速結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。試驗(yàn)結(jié)果顯示：綜合法定速的精度優(yōu)于1cm／s。

（5）由于GNSS觀(guān)測(cè)量是距離而非角度，因此精密定姿一致是GNSS應(yīng)用方面的短板。對(duì)此提出基于抗差自適應(yīng)卡爾曼濾波的GNSS定姿方法，其特點(diǎn)是：一是引入了姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，并利用自適應(yīng)因子來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)方程和觀(guān)測(cè)方程對(duì)最終解的貢獻(xiàn)；二是引入了抗差估計(jì)的思想，使其能更好的滿(mǎn)足惡劣觀(guān)測(cè)環(huán)境下的定姿需求；三是當(dāng)一些歷元觀(guān)測(cè)數(shù)少于必要觀(guān)測(cè)數(shù)時(shí)，該方法可通過(guò)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方程為用戶(hù)提供較可靠的預(yù)報(bào)解，進(jìn)而保持了解的連續(xù)性。試驗(yàn)結(jié)果顯示該方法的定姿精度可優(yōu)于0.01°。

（6）編寫(xiě)了大型科研GNSS數(shù)據(jù)后處理軟件HALO＿GPS，該軟件被德國(guó)地學(xué)研究中心成功應(yīng)用于多個(gè)航空動(dòng)態(tài)測(cè)量項(xiàng)目。為使軟件界面更友好、操作更簡(jiǎn)單、結(jié)果更直觀(guān)，開(kāi)發(fā)了商用GNSS定位定速與定姿軟件XHGNSS V1.0，以滿(mǎn)足不同專(zhuān)業(yè)背景用戶(hù)的需求。

E－mail：wangqianxin8012＠163.com

Theory and Algorithm of Airborne GNSS Kinematic Position，Velocity and Attitude Determination

WANG Qianxin1，2
1.School of Geosciences and Info－Physics，Central South University，Changsha410083，China；2.Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing100830，China

his doctorate in Geodesy and Surveying Engineering，from School of Geosciences and Info－Physics，Central South University in June 2011，majors in GNSS data processing.

P228

D

1001－1595（2012）02－0628－01

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAB16B01）；國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2011AA120503）；中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院科研業(yè)務(wù)費(fèi)（7771115；7771120）

2011－01－18

王潛心（1980—），男，2011年6月獲中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位（指導(dǎo)老師：陳正陽(yáng)教授），研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理。

Author：WANG Qianxin（1980—），male，he