基于多系统组合的卫星定位系统

基于多系统组合的卫星定位系统

0多系统组合组合观测系统全球卫星网络系统（gnss）已广泛应用于许多领域，如大地测量、地壳运动监测、精确测量和导航。因此,包括我国在内的许多国家都在建设自己的全球定位系统,当今运营和在建的全球卫星导航系统除GPS和GLONASS外,还包括GALILEO及我国的北斗全球导航系统。从目前GNSS工程应用来看,单一系统存在以下问题,即在城市高楼密集区和位于深山峡谷的水库、电站、矿山等环境下采用单卫星系统进行定位时,受到地形及周围环境的影响,用户接收机可见的卫星数目少且分布不佳,导致系统的可用性降低,无法满足定位的最低要求。卫星精密测量应用于形变监测领域时,其三维定位的精度和可用性等方面还存在一些缺陷,表现为垂直方向上的定位误差通常为水平方向的2~3倍,不能满足大坝、桥梁和高层建筑等安全监测的要求。为解决单一导航系统存在的以上缺陷,可采用地面增强技术。但是,地面增强系统受远近效应、对流层延迟、多路径效应、时间同步、成本高和维护不便等一系列问题的影响,不能很好的解决上述问题。近年来,随着GPS的现代化、GLONASS的逐渐完善和GALILEO计划的启动,可用卫星数量将大大增加,因此,采用多系统组合是解决以上问题的一条有效途径。由于GPS、GLONASS和GALILEO采用不同的轨道参数,对其进行有针对性的组合,可有效提高覆盖区域的一致性,使组合系统在全球范围内有更好的覆盖;多系统组合可以增加可观测卫星的数量;增强观测卫星的几何图形强度;提高整个卫星定位系统的可靠性和可用性。此外,采用多系统组合使位于两极的用户同样可以接收到卫星的信号,这样高纬度甚至两极用户也可用之定位。多系统有更多的可用频率,用来消除电离层延迟影响;并可以利用不同系统的数据消除或减弱系统本身误差以及传播误差的影响;不同系统间频率的重合可以使用差分的方法消除和减弱与频率有关误差的影响;采用多频组合能够大大提高相位模糊度的固定效率。针对以上问题,利用GPS、GLONASS、GALILEO的轨道参数模拟卫星星座,通过计算地面格网上观测到的卫星站心坐标及其高度角;引入精度因子作为GNSS系统可用性的衡量指标,对GNSS及其组合系统的可用性加以分析。1卫星站中心坐标研究和可用性评估指标1.1星历参数仿真计算根据卫星的轨道参数,设to为参考时刻,根据开普勒轨道参数A√A、e、i0、ω、Ω0、M0分别为参考时间的轨道半长轴的平方根、轨道偏心率、轨道倾角、轨道近地点角距、轨道升交点赤经、卫星平近点角。l、Ω、Δn分别为轨道倾角、轨道升交点赤经、卫星平近点角随时间的变化率。Cuc、Cus、Crc、Crs、Cic、Cis分别为卫星相对于升交点角距、轨道半长轴和归到角调和改正项的振幅。坐标系统采用WGS-84坐标系,GM为地球引力常数,a为椭球的半长轴,e为轨道偏心率,ωe为地球自转角速度。用星历参数仿真计算t时刻卫星位置的步骤如下:1)计算t时刻卫星的真近点角u和卫星相对升交点角距:计算平均运动角速度n和平近点角m:n=GM/a3−−−−−−√(1)n=GΜ/a3(1)m=m0+n·Δt(2)式中Δt=t-t0,t为当前时间,t0为历元时间。利用开普勒方程迭代方式计算偏近点角,当|Ei+1-Ei|=10-12时停止迭代。Ei+1=Ei−(Ei−e⋅sinEi−m)1−e⋅cosEi,E0=m(3)Ei+1=Ei-(Ei-e⋅sinEi-m)1-e⋅cosEi,E0=m(3)计算真近点角u和升交点角距φ:u=arctan(1−e2√sinE1−e⋅cosE,cosE−e1−e⋅cosE)(4)u=arctan(1-e2sinE1-e⋅cosE,cosE-e1-e⋅cosE)(4)φ=u+ω.(5)2)计算摄动改正项:δr=Crccos2φ+Crssin2φ(6)δi=Ciccos2φ+Cissin2φ(7)δu=Cuccos2φ+Cussin2φ(8)3)计算改正后的向径、真近点角、轨道倾角和升交点经度:r=a(1-ecosE)+δr(9)u=u+δu(10)i=i0+i·Δt+δi(11)Ω=Ω0+(Ω-ωe)Δt-ωetoe(12)式中ωe为地球自转角速度。4)计算卫星在轨道平面中的位置x=rcosU,y=rsinU(13)5)计算卫星在地心坐标系中的位置⎡⎣⎢XYZ⎤⎦⎥=(−Ω)(−i)⎡⎣⎢xy0⎤⎦⎥=[xcosΩ−ycosisinΩxsinΩ+ycosicosΩ](14)[XYΖ]=(-Ω)(-i)[xy0]=[xcosΩ-ycosisinΩxsinΩ+ycosicosΩ](14)1.2gnss及其组合系统的发挥可用性是系统在某一指定覆盖区域内提供可以使用的导航服务的能力的标志。在实际工程运用中,卫星定位的可用性主要受跟踪到的可见星数及其分布的几何图形这两个重要因素的影响。为了确定对某一特定位置和时间而言的卫星导航系统的可用性,首先必须明确可见星数及卫星的几何分布。确定几何位置后,在对多模态系统DOP进行计算的基础上,通过分析HDOP与PDOP的累积分布,讨论HDOP与PDOP的门限设定对系统可用性的影响。由于最大可接受DOP值的门限取决于所需要的精度水平,因此GNSS可用性取决于精度要求的严格程度。在GPS系统中通常取HDOP≤4、PDOP≤6,这个值通常在GPS性能指标中作为服务可用性门限来使用。采用这一门限来定义GNSS及其组合系统的可用性。卫星DOP值的计算模型是以星座的状态矩阵为依据。这里采用最常用的方向余弦法,设α、β、γ分别为测量点到卫星的斜距与X、Y、Z轴的夹角,令l=cosα=ΔX/ΔX2+ΔY2+ΔZ2−−−−−−−−−−−−−−−−√(15)l=cosα=ΔX/ΔX2+ΔY2+ΔΖ2(15)m=cosβ=ΔY/ΔX2+ΔY2+ΔZ2−−−−−−−−−−−−−−−−√(16)m=cosβ=ΔY/ΔX2+ΔY2+ΔΖ2(16)n=cosγ=ΔZ/ΔX2+ΔY2+ΔZ2−−−−−−−−−−−−−−−−√(17)n=cosγ=ΔΖ/ΔX2+ΔY2+ΔΖ2(17)定位卫星的状态矩阵为QP=⎡⎣⎢⎢⎢⎢cosα1cosα2cosα3cosα4cosβ1cosβ2cosα3cosβ4cosγ1cosγ2cosγ3cosγ41111⎤⎦⎥⎥⎥⎥(18)QΡ=[cosα1cosβ1cosγ11cosα2cosβ2cosγ21cosα3cosα3cosγ31cosα4cosβ4cosγ41](18)将星座矩阵QP转置为QTP后相乘然后求逆得(QPQTP)-1,再求迹开方,可得几何精度因子GDOP、位置精度因子PDOP、平面精度因子HDOP、垂直位置精度因子VDOP、时间精度因子TDOP.1.3应用分析的设计流程根据星座仿真及可用性分析算法建立以下基本模型,以实现对GPS、GLONASS、GALILEO及其组合系统的可用性分析,如图1所示。2模拟结果与分析2.1单系统和组合系统相似性分析利用GPS、GLONASS、GALILEO的轨道参数,选定时间系统为GPS时(2004年1月1日0时为起算时间)、坐标系统为WGS-84坐标系,模拟出三个系统的卫星星座。可用性分析选取全球范围纬度90°N~90°S,经度180°W~180°E,采样间隔为纬度和经度方向都是5°,这个格网在24h内每隔5min采样一次。为研究单系统、双系统和三系统在不同的遮挡条件下的可用性,选取不同卫星截止高度角对GPS、GLONASS、GALILEO系统及其组合系统进行可用性分析,实验方案如表1所示。表1中双系统1代表GPS/GLONASS组合,双系统2代表GPS/GALILEO组合,三系统代表GPS/GLONASS/GALILEO三系统组合。2.2卫星高度角对应用对GPS、GLONASS和GALILEO系统分别进行可用性分析,部分结果如图2所示。图2所示为GPS系统DOP值累积分布,可以看出GPS系统的HDOP值和PDOP值随着卫星高度角的增大而发散,卫星高度角越大DOP值累积分布曲线发散越快。表2所示为不同卫星高度角下GPS、GLONASS和GALILEO系统的可用性。当卫星高度角等于15°时,单系统HDOP的可用性均在97.41%以上,PDOP可用性均在94.55%以上;卫星高度角取20°时,HDOP的可用性均在89.20%以上,PDOP在82.63%以上,其中GALILEO的可用性较GPS和GLONASS要高,HODP和PDOP的可用性高达99.97%和98.20%;卫星高度角取至25°时,可用性最高的GALILEO系统的HDOP和PDOP可用性为97.93%和83.34%,已不能满足三维方向上定位的需要。2.3系统总体定位性分析对组合GNSS系统分别进行可用性分析,部分结果如图3、图4所示。组合后的GPS/Galileo系统比单个系统的PDOP值明显变小,且累积分布曲线收敛更快。当高度角提高到30°时,GPS/Ga1i1eo组合系统的PDOP值除部分超过4.0外,大都介于2.0~4.0之间,其均值为3.68,明显优于单个系统,并适合较高精度的全天候导航定位。当E=40°时,GPS/Ga1i1eo组合系统在此情况下的PDOP值变化已不很稳定,且数值较大,全天有35.67%的时间里PDOP小于等于6.0,对GPS/GLONASS组合系统做同样分析结果类似。当采用三系统组合方法进行导航定位时,由于三系统组合可用的卫星达七十余颗远远多于单系统和双系统其DOP值相应比单系统和双系统组合定位时要小的多。当E=40°时,三系统组合的PDOP值大都介于4~6之间,平均值为5.66,全天72.21%的时间里PDOP值小于6.0,PDOP值大于6.0的情况都位于高纬度地区,99.12%的时间里HDOP值小于4.0.这使得三系统组合在高遮挡、高卫星高度角的情况下,有较多的可用星,较小的DOP值和较高的可用性。表3示出了不同卫星高度角下组合系统的可用性百分比。在卫星高度角为30°时双系统在平面定位上有99.42%以上的可用性,空间定位上的可用性也在93.98%以上;在卫星高度角为35°时双系统的水平定位都能达到95.01%以上,三系统的平面定位上的可用性在99.98%以上,空间定位上的可用性也达96.40%以上,并且在E=40°时三系统的水平定位可用性也可达99%以上。研究还发现卫星高度角大于30°时,GPS/GLONASS组合系统在高纬度地区的可用性明显高于GPS/GALILEO组合系统,这是由于GLONASS系统在高纬度地区有较好的覆盖。3应用galileo系统及glnass组合随着GPS系统的现代化、GLONASS系统的更新和GALILEO系统的建成和运营,GNSS多系统的组合也将成为必然,组合后的GPS/GLONASS、GPS/GALILEO和GPS/GLONASS/GALILEO系统必将从各方面提高导航定位的精度。研究结果表明,不同高度角情况下,在可见星数及DOP值方面,Galileo系统明显优