gps多點測速技術(shù)的研究

gps多點測速技術(shù)的研究

一、多普勒色間定位方法gps駕駛包括兩種模式：點定位和微分定位。盡管差分測速模式精度較高,但與差分定位相似,其易受接收機間距離的制約,而單點測速只需單臺接收機即可完成。GPS單點測速方法大致可分為位置微分測速、原始多普勒測速和導出多普勒測速3種,后兩種方法統(tǒng)稱為多普勒測速。單點位置微分方法在理論和實踐上較為成熟,但其精度受制于單點定位的精度,而動態(tài)定位中由于多余觀測值較少,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速方法——多普勒測速法,該方法對位置的精度依賴性不強,一般碼偽距定位精度就可以滿足厘米每秒級的測速要求。已有學者對多普勒測速法作了相關(guān)研究,但對導出多普勒測速與原始多普勒測速精度孰高孰低的觀點并不一致。二、gps單次采樣模型1.精密點火定位偏差+精密單個定位方法載體位置獲得之后可以對位置進行微分來計算載體速度。該方法求定的是時間段Δt內(nèi)的平均速度,故計算中所取的時間間隔過長或過短均不能真實地反映載體的瞬時速度。另外,此方法受位置精度制約明顯,若基于精密單點定位方法進行位置差分測速,則必須進行后處理,從而導致實時性較差。GPS還可采用觀測載波多普勒頻移的方法來實時地獲取載體的運行速度。2.多普勒病毒檢測方程在協(xié)議地球坐標系中,某一時刻t測站i至衛(wèi)星j的測碼偽距觀測方程為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i在t時刻的測碼偽距和幾何距離;δti(t)、δtj(t)分別為接收機i和衛(wèi)星j在t時刻的鐘差;Δjiij,Ig(t)、Δjiij,T(t)分別為電離層和對流層延遲;ερ為觀測噪聲。對式(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,可以得出多普勒測速觀測方程,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“.”項為各相應變量的時間變率;[lji(t)mji(t)nji(t)][lij(t)mij(t)nij(t)]為在協(xié)議地球坐標系中,測站i與衛(wèi)星j在t時刻的方向余弦;εD為觀測噪聲。3.數(shù)據(jù)的導數(shù)多普勒速度計算采用偽距歷元間差分和相位歷元間差分均可獲得導出多普勒值。由于GPS載波相位觀測值的精度要明顯優(yōu)于碼相位觀測值的精度,因此本文采用L1載波對應的相位觀測值進行導出多普勒值計算。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值差分求得,作為該歷元多普勒觀測值D?D?i+1,代入式(3)即可進行速度求解。導出多普勒值實際上是采樣時間間隔Δt內(nèi)的多普勒頻移平均值,因此依據(jù)導出多普勒值求得的速度值即為平均速度,但在實際應用中是將該速度均值近似為當前歷元的瞬時值。因此,Δt越小,近似的效果越好,這就要求接收機的采樣頻率應盡可能高才能獲得較高精度的速度值。三、gps單點測量誤差分析1.軌道誤差影響GPS多普勒單點測速中來自衛(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,因此這項誤差對測速的影響相對較小。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,用廣播星歷計算的衛(wèi)星速度精度優(yōu)于1mm/s。2.gps多尺度觀測與比較接收機位置誤差對所有觀測衛(wèi)星的站星間距變化率均產(chǎn)生影響,導致站星方向余弦的計算存在誤差,從而對測速結(jié)果產(chǎn)生影響。此外,GPS接收機自身記錄的原始多普勒觀測值精度因接收機類型不同相差較大,且存在不同程度的延遲。在采用導出多普勒值計算速度時,相位觀測值的精度與采樣頻率均會影響最后的速度求解精度。載波相位觀測值的精度約為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.延遲時間變率的影響除上述與衛(wèi)星和接收機相關(guān)的誤差影響之外,GPS單點測速還受電離層延遲時間變率、對流層延遲時間變率等的影響,但相比其他誤差,這兩項誤差的影響可忽略不計。此外,相對論效應、多路徑影響及觀測噪聲等也會給GPS多普勒測速帶來一定的誤差影響。四、計算和結(jié)果分析1.原始多普勒色測誤差試驗中共收集了3個IGS站數(shù)據(jù)進行原始多普勒測速。其中,BAHR站采用的是ASHTECHZ-Ⅶ型接收機;Wuhn站采用的是JPSE_GGD型接收機;BDOS站采用的是ASHTECHUZ12型接收機。采用靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行計算時,載體的速度真值應為0,解算出的速度值可認為是速度解算的真誤差,各測站原始多普勒測速結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出,3個測站的測速誤差均有部分歷元達到dm/s量級,大部分歷元在5cm/s以內(nèi)。其中,BAHR站原始多普勒測速精度最高,Wuhn站結(jié)果次之,BDOS站測速精度最低?？梢?采用原始多普勒測速時,測速結(jié)果精度受接收機類型影響較為明顯。表1為各測站利用原始多普勒觀測值測速的統(tǒng)計結(jié)果,從表1中可以明顯看出3個測站結(jié)果的精度差異。2.設備2.2優(yōu)勢試驗中共采集了兩組GPS高頻觀測數(shù)據(jù),接收機型號為Z-MAX,采樣頻率分別為2Hz和10Hz,并同時記錄原始多普勒觀測值。將兩組觀測數(shù)據(jù)利用兩種多普勒測速方法分別進行解算。首先解算采樣頻率為2Hz的觀測數(shù)據(jù),繪制速度分量殘差圖,如圖2所示,誤差統(tǒng)計見表2。由于導出多普勒測速存在系統(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接收機采集的2Hz數(shù)據(jù),采用導出多普勒值測速精度為3cm/s左右,而采用原始多普勒值測速的精度為16cm/s左右。標準偏差和RMS可以反映測速結(jié)果的內(nèi)符合精度,導出多普勒結(jié)果精度要遠遠優(yōu)于原始多普勒測速結(jié)果。為進一步驗證原始多普勒測速、導出多普勒測速精度與采樣頻率的關(guān)系,采用采樣頻率為10Hz的觀測數(shù)據(jù)再次進行試驗。測速誤差統(tǒng)計結(jié)果見表3,再次驗證了導出多普勒測速精度優(yōu)于原始多普勒測速精度。同時可以看出,隨著采樣頻率的變大,導出多普勒測速的精度也相應提高。采用相同接收機進行導出多普勒測速,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。由此,進一步驗證了原始多普勒測速精度與采樣頻率無關(guān),而與接收機類型相關(guān)。五、基于動態(tài)條件下的認證精度利用GPS原始多普勒觀測值進行單點測速,結(jié)果精度與采樣頻率無關(guān),但受接收機類型的制約較為明顯,且部分測量型接收機并不能記錄多普勒數(shù)據(jù)。若采集的原始多普勒觀測值精度偏低,很難得到高精度的測速結(jié)果,精度較差者甚至可達17cm/s左右。而導出多普測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,其能達到的測速精度是較高的,可以達到1~2cm/s,甚至可以達到