gps多點(diǎn)測(cè)速技術(shù)的研究

gps多點(diǎn)測(cè)速技術(shù)的研究

一、多普勒色間定位方法gps駕駛包括兩種模式：點(diǎn)定位和微分定位。盡管差分測(cè)速模式精度較高,但與差分定位相似,其易受接收機(jī)間距離的制約,而單點(diǎn)測(cè)速只需單臺(tái)接收機(jī)即可完成。GPS單點(diǎn)測(cè)速方法大致可分為位置微分測(cè)速、原始多普勒測(cè)速和導(dǎo)出多普勒測(cè)速3種,后兩種方法統(tǒng)稱為多普勒測(cè)速。單點(diǎn)位置微分方法在理論和實(shí)踐上較為成熟,但其精度受制于單點(diǎn)定位的精度,而動(dòng)態(tài)定位中由于多余觀測(cè)值較少,因此提高定位精度也較為困難。GPS還提供了另外一種更為靈活的測(cè)速方法——多普勒測(cè)速法,該方法對(duì)位置的精度依賴性不強(qiáng),一般碼偽距定位精度就可以滿足厘米每秒級(jí)的測(cè)速要求。已有學(xué)者對(duì)多普勒測(cè)速法作了相關(guān)研究,但對(duì)導(dǎo)出多普勒測(cè)速與原始多普勒測(cè)速精度孰高孰低的觀點(diǎn)并不一致。二、gps單次采樣模型1.精密點(diǎn)火定位偏差+精密單個(gè)定位方法載體位置獲得之后可以對(duì)位置進(jìn)行微分來(lái)計(jì)算載體速度。該方法求定的是時(shí)間段Δt內(nèi)的平均速度,故計(jì)算中所取的時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短均不能真實(shí)地反映載體的瞬時(shí)速度。另外,此方法受位置精度制約明顯,若基于精密單點(diǎn)定位方法進(jìn)行位置差分測(cè)速,則必須進(jìn)行后處理,從而導(dǎo)致實(shí)時(shí)性較差。GPS還可采用觀測(cè)載波多普勒頻移的方法來(lái)實(shí)時(shí)地獲取載體的運(yùn)行速度。2.多普勒病毒檢測(cè)方程在協(xié)議地球坐標(biāo)系中,某一時(shí)刻t測(cè)站i至衛(wèi)星j的測(cè)碼偽距觀測(cè)方程為ρ?ji(t)=ρji(t)+cδti(t)?cδtj(t)+Δji?Ig(t)+Δji,T(t)+ερ(1)ρ?ij(t)=ρij(t)+cδti(t)-cδtj(t)+Δi?Ιgj(t)+Δij,Τ(t)+ερ(1)式中,ρ?ρ?jiij(t)、ρjiij(t)分別為衛(wèi)星j與接收機(jī)i在t時(shí)刻的測(cè)碼偽距和幾何距離;δti(t)、δtj(t)分別為接收機(jī)i和衛(wèi)星j在t時(shí)刻的鐘差;Δjiij,Ig(t)、Δjiij,T(t)分別為電離層和對(duì)流層延遲;ερ為觀測(cè)噪聲。對(duì)式(1)微分可得ρ?ji(t)=ρ˙ji(t)+cδt˙i(t)?cδt˙j(t)+Δ˙ji,Ig(t)+Δ˙ji,T(t)(2)ρ?ij(t)=ρ˙ij(t)+cδt˙i(t)-cδt˙j(t)+Δ˙ij,Ιg(t)+Δ˙ij,Τ(t)(2)由此,可以得出多普勒測(cè)速觀測(cè)方程,即λDji=ρ˙ji(t)+cδt˙i(t)?cδt˙j(t)+Δ˙ji,Ig(t)+Δ˙ji,T(t)+εD(3)λDij=ρ˙ij(t)+cδt˙i(t)-cδt˙j(t)+Δ˙i,Ιgj(t)+Δ˙ij,Τ(t)+εD(3)ρ˙ji(t)=[lji(t)mji(t)nji(t)]????X˙j(t)X˙j(t)X˙j(t)?X˙i(t)X˙i(t)X˙i(t)????(4)ρ˙ij(t)=[lij(t)mij(t)nij(t)][X˙j(t)X˙j(t)X˙j(t)-X˙i(t)X˙i(t)X˙i(t)](4)式中,各“.”項(xiàng)為各相應(yīng)變量的時(shí)間變率;[lji(t)mji(t)nji(t)][lij(t)mij(t)nij(t)]為在協(xié)議地球坐標(biāo)系中,測(cè)站i與衛(wèi)星j在t時(shí)刻的方向余弦;εD為觀測(cè)噪聲。3.數(shù)據(jù)的導(dǎo)數(shù)多普勒速度計(jì)算采用偽距歷元間差分和相位歷元間差分均可獲得導(dǎo)出多普勒值。由于GPS載波相位觀測(cè)值的精度要明顯優(yōu)于碼相位觀測(cè)值的精度,因此本文采用L1載波對(duì)應(yīng)的相位觀測(cè)值進(jìn)行導(dǎo)出多普勒值計(jì)算。某歷元的載波相位變率φ˙φ˙可由該歷元與其前一歷元的相位觀測(cè)值差分求得,作為該歷元多普勒觀測(cè)值D?D?i+1,代入式(3)即可進(jìn)行速度求解。導(dǎo)出多普勒值實(shí)際上是采樣時(shí)間間隔Δt內(nèi)的多普勒頻移平均值,因此依據(jù)導(dǎo)出多普勒值求得的速度值即為平均速度,但在實(shí)際應(yīng)用中是將該速度均值近似為當(dāng)前歷元的瞬時(shí)值。因此,Δt越小,近似的效果越好,這就要求接收機(jī)的采樣頻率應(yīng)盡可能高才能獲得較高精度的速度值。三、gps單點(diǎn)測(cè)量誤差分析1.軌道誤差影響GPS多普勒單點(diǎn)測(cè)速中來(lái)自衛(wèi)星的誤差主要是衛(wèi)星軌道誤差與衛(wèi)星速度誤差。衛(wèi)星軌道誤差同時(shí)影響定位精度及站星方向余弦的求解精度。GPS廣播星歷的精度為1.6m,因此這項(xiàng)誤差對(duì)測(cè)速的影響相對(duì)較小。衛(wèi)星速度誤差則是直接影響站星間距變化率解算,在取消SA政策之后,用廣播星歷計(jì)算的衛(wèi)星速度精度優(yōu)于1mm/s。2.gps多尺度觀測(cè)與比較接收機(jī)位置誤差對(duì)所有觀測(cè)衛(wèi)星的站星間距變化率均產(chǎn)生影響,導(dǎo)致站星方向余弦的計(jì)算存在誤差,從而對(duì)測(cè)速結(jié)果產(chǎn)生影響。此外,GPS接收機(jī)自身記錄的原始多普勒觀測(cè)值精度因接收機(jī)類(lèi)型不同相差較大,且存在不同程度的延遲。在采用導(dǎo)出多普勒值計(jì)算速度時(shí),相位觀測(cè)值的精度與采樣頻率均會(huì)影響最后的速度求解精度。載波相位觀測(cè)值的精度約為2mm,若相位數(shù)據(jù)采樣頻率為1Hz,根據(jù)誤差傳播定律,導(dǎo)出多普勒值的精度約為2mm/s左右,且這種方法易受到周跳的影響。3.延遲時(shí)間變率的影響除上述與衛(wèi)星和接收機(jī)相關(guān)的誤差影響之外,GPS單點(diǎn)測(cè)速還受電離層延遲時(shí)間變率、對(duì)流層延遲時(shí)間變率等的影響,但相比其他誤差,這兩項(xiàng)誤差的影響可忽略不計(jì)。此外,相對(duì)論效應(yīng)、多路徑影響及觀測(cè)噪聲等也會(huì)給GPS多普勒測(cè)速帶來(lái)一定的誤差影響。四、計(jì)算和結(jié)果分析1.原始多普勒色測(cè)誤差試驗(yàn)中共收集了3個(gè)IGS站數(shù)據(jù)進(jìn)行原始多普勒測(cè)速。其中,BAHR站采用的是ASHTECHZ-Ⅶ型接收機(jī);Wuhn站采用的是JPSE_GGD型接收機(jī);BDOS站采用的是ASHTECHUZ12型接收機(jī)。采用靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí),載體的速度真值應(yīng)為0,解算出的速度值可認(rèn)為是速度解算的真誤差,各測(cè)站原始多普勒測(cè)速結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出,3個(gè)測(cè)站的測(cè)速誤差均有部分歷元達(dá)到dm/s量級(jí),大部分歷元在5cm/s以內(nèi)。其中,BAHR站原始多普勒測(cè)速精度最高,Wuhn站結(jié)果次之,BDOS站測(cè)速精度最低?？梢?jiàn),采用原始多普勒測(cè)速時(shí),測(cè)速結(jié)果精度受接收機(jī)類(lèi)型影響較為明顯。表1為各測(cè)站利用原始多普勒觀測(cè)值測(cè)速的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,從表1中可以明顯看出3個(gè)測(cè)站結(jié)果的精度差異。2.設(shè)備2.2優(yōu)勢(shì)試驗(yàn)中共采集了兩組GPS高頻觀測(cè)數(shù)據(jù),接收機(jī)型號(hào)為Z-MAX,采樣頻率分別為2Hz和10Hz,并同時(shí)記錄原始多普勒觀測(cè)值。將兩組觀測(cè)數(shù)據(jù)利用兩種多普勒測(cè)速方法分別進(jìn)行解算。首先解算采樣頻率為2Hz的觀測(cè)數(shù)據(jù),繪制速度分量殘差圖,如圖2所示,誤差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。由于導(dǎo)出多普勒測(cè)速存在系統(tǒng)誤差,因此在速度分量誤差均值方面略差于原始多普勒測(cè)速結(jié)果。但從速度總量的誤差均值可以看出,利用Z-MAX接收機(jī)采集的2Hz數(shù)據(jù),采用導(dǎo)出多普勒值測(cè)速精度為3cm/s左右,而采用原始多普勒值測(cè)速的精度為16cm/s左右。標(biāo)準(zhǔn)偏差和RMS可以反映測(cè)速結(jié)果的內(nèi)符合精度,導(dǎo)出多普勒結(jié)果精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原始多普勒測(cè)速結(jié)果。為進(jìn)一步驗(yàn)證原始多普勒測(cè)速、導(dǎo)出多普勒測(cè)速精度與采樣頻率的關(guān)系,采用采樣頻率為10Hz的觀測(cè)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)速誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3,再次驗(yàn)證了導(dǎo)出多普勒測(cè)速精度優(yōu)于原始多普勒測(cè)速精度。同時(shí)可以看出,隨著采樣頻率的變大,導(dǎo)出多普勒測(cè)速的精度也相應(yīng)提高。采用相同接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)出多普勒測(cè)速,10Hz數(shù)據(jù)解算結(jié)果精度為1~2cm/s,比2Hz的數(shù)據(jù)解算結(jié)果精度提高了一倍多;但采用原始多普勒測(cè)速精度卻為17cm/s左右,與2Hz數(shù)據(jù)的解算結(jié)果精度相當(dāng)。由此,進(jìn)一步驗(yàn)證了原始多普勒測(cè)速精度與采樣頻率無(wú)關(guān),而與接收機(jī)類(lèi)型相關(guān)。五、基于動(dòng)態(tài)條件下的認(rèn)證精度利用GPS原始多普勒觀測(cè)值進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)速,結(jié)果精度與采樣頻率無(wú)關(guān),但受接收機(jī)類(lèi)型的制約較為明顯,且部分測(cè)量型接收機(jī)并不能記錄多普勒數(shù)據(jù)。若采集的原始多普勒觀測(cè)值精度偏低,很難得到高精度的測(cè)速結(jié)果,精度較差者甚至可達(dá)17cm/s左右。而導(dǎo)出多普測(cè)速受采樣頻率影響明顯,只要保證較高數(shù)據(jù)的采樣頻率,其能達(dá)到的測(cè)速精度是較高的,可以達(dá)到1~2cm/s,甚至可以達(dá)到