顾及载体航向约束的单站BDS-3相位测速模型.pdf

第 卷第期测绘学报V o l ,N o 年月A c t aG e o d a e t i c ae tC a r t o g r a p h i c aS i n i c aJ u n e,引文格式:王潜心,胡超,王泽杰顾及载体航向约束的单站B D S 相位测速模型J测绘学报,():D O I:/j A G C S WAN GQ i a n x i n,HUC h a o,WAN GZ e j i e S i n g l es t a t i o nv e l o c i t yd e t e r m i n a t i o no fB D S c a r r i e rp h a s eo b s e r v a t i o n sw i t ht h ec o n s t r a i n t s o f h e a d i n ga n g l eJ A c t aG e o d a e t i c a e tC a r t o g r a p h i c aS i n i c a,():D O I:/j A G C S 顾及载体航向约束的单站B D S 相位测速模型王潜心,胡超,王泽杰中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州 ;安徽理工大学空间信息与测绘工程学院,安徽淮南 SS ii nn gg ll eess tt aa tt ii oo nnvv ee ll oo cc ii tt yydd ee tt ee rr mm ii nn aa tt ii oo nnoo ff BB DD SS cc aa rr rr ii ee rr pp hh aa ss eeoo bb ss ee rr vv aa tt ii oo nn ssww ii tt hhtt hh eecc oo nn ss tt rr aa ii nn tt ssoo ff hh ee aa dd ii nn ggaa nn gg ll eeWWAA NN GGQQ ii aa nn xx ii nn,HH UUCC hh aa oo,WWAA NN GGZZ ee jj ii ee S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a n dS p a t i a l I n f o r m a t i c s,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y,X u z h o u ,C h i n a;S c h o o lo f S p a t i a l I n f o r m a t i c sa n dG e o m a t i c sE n g i n e e r i n g,A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,H u a i n a n ,C h i n aAA bb ss tt rr aa cc tt:V e l o c i t y i n f o r m a t i o n i s o n eo f k e y s t a t e r e p r e s e n t a t i o n s o f t h ev e h i c l em o t i o n T h eh i g h a c c u r a c ya n dr e l i a b l ev e l o c i t yb a s e do nB D S o b s e r v a t i o ni st h er e q u i r e m e n t so fB D S h i g hp e r f o r m a n c e T oo v e r c o m e i m p a c t so fe r r o ra c c u m u l a t i o na n do b s e r v a t i o ne n v i r o n m e n to nt h et r a d i t i o n a lt i m e d i f f e r e n c ec a r r i e r p h a s e(T D C P)m o d e l,as i n g l es t a t i o nv e l o c i t yd e t e r m i n a t i o no fB D S c a r r i e rp h a s eo b s e r v a t i o n sw i t h t h ec o n s t r a i n t so fh e a d i n ga n g l ei sp r o p o s e d F i r s t l y,t h ed i f f e r e n t i a l f u n c t i o no ft h eu n d i f f e r e n c e do b s e r v a t i o ne q u a t i o ni sc o n s t r u c t e db e s i d et h et r a d i t i o n a lB D S T D C P m o d e l,w h i c hi sc o m b i n e dt os i m u l t a n e o u s l ye s t i m a t et h ed i s p l a c e m e n ti n c r e m e n to ft w oa d j a c e n te p o c h s S e c o n d l y,t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nd i s p l a c e m e n t i n c r e m e n t s o f h o r i z o n t a l p l a n ea n dh e a d i n ga n g l e i s u s e d t oc o n s t r u c t t h ec o n s t r a i n t so fNa n dEd i r e c t i o n s T h i r d l y,t h ec o m b i n a t i o no f t h r e eg r o u p so f i n d e p e n d e n t f u n c t i o ne q u a t i o n s i s u s e d t oo b t a i nt h ei n c r e m e n t a ld i s p l a c e m e n to fv e h i c l ee p o c hb ye p o c h A c c o r d i n gt os t a t i ca n dk i n e m a t i ce x p e r i m e n t s,i t i s i n d i c a t e d t h a t a na c c u r a c yw i t hm m/s l e v e l o f v e l o c i t yd e t e r m i n a t i o nc a nb ea c h i e v e d i nd i f f e r e n td i r e c t i o n su n d e rB D S p h a s eo b s e r v a t i o n s C o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lT D C P m e t h o d,t h ep r o p o s e dm e t h o dc a ni m p r o v et h ev e l o c i t ya c c u r a c yo fEa n dNd i r e c t i o n sw i t h a n d ,r e s p e c t i v e l y,i nw h i c h t h ea c c u r a c yo fUd i r e c t i o n i sn o t s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e do re v e ns l i g h t l yd e c r e a s e d M e a n w h i l e,u n d e r t h ek i n e m a t i cc o n d i t i o n,i t i ss u g g e s t e dt h a tB D S p h a s ev e l o c i m e t r yc a no b t a i nt h ea c c u r a c yo fm m/s l e v e l i n t h eh o r i z o n t a l p l a n eo f l i n e a rm o t i o n,i nw h i c hEa n dNd i r e c t i o na r e a n d b e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lT D C Pm o d e l F u r t h e r m o r e,t h ea c c u r a c yo fE,Na n dUd i r e c t i o n si nc h a n g ed i r e c t i o n i s ,c m/s,r e s p e c t i v e l y,w h i c h i s ,a n d h i g h e r t h a n t h a to ft h et r a d i t i o n a lm o d e l T h e r e f o r e,t h ep r o p o s e ds i n g l es t a t i o np h a s ev e l o c i t yd e t e r m i n a t i o n m o d e lc o n s i d e r i n gh e a d i n ga n g l ec o n s t r a i n t sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ev e l o c i t yd e t e r m i n a t i o np e r f o r m a n c eo fB D S s a t e l l i t es y s t e mKK ee yyww oo rr dd ss:B D S ;p h a s ev e l o c i m e t r y;h e a d i n ga n g l ec o n s t r a i n t s;t i m e d i f f e r e n c ec a r r i e rp h a s e;s i n g l es t a t i o nv e l o c i t yd e t e r m i n a t i o nFF oo uu nn dd aa tt ii oo nnss uu pp pp oo rr tt:T h eN a t i o n a l K e yR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t P r o g r a mo f C h i n a(N o Y F A );T h eA n h u iN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o n(N o Q D );T h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(N o );T h eJ i a n g s uN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o n(N o B K );T h eN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fA n h u iC o l l e g e s(N o K J A )摘要:速度是载体运动状态的重要表征,高精度定速能力是B D S 系统高性能服务的重要体现.针J u n e V o l N o A G C Sh t t p:x bc h i n a s m pc o m对传统单站历元间相位差分模型易受误差积累与观测环境影响等问题,本文提出了顾及载体航向约束的单站B D S 相位测速模型.首先,在传统B D S 历元间相位差分方程矢量分解的基础上,构建载体位移增量微分表达式,联合非差模型与微分方程综合估计载体速度;其次,利用载体水平面内位移矢量与航向角之间的相关性,建立顾及航向角约束的N与E方向位移参数约束条件;最后,综合组独立的函数方程进行载体速度分量逐历元解算.通过静态与动态试验表明,静态条件下,B D S 相位不同方向均可实现mm/s的测速精度,相较于传统历元间差分模型,E与N方向分别提升了 和,且有效避免了水平方向测速误差的积累效应,但U方向由于缺少约束导致精度提升不显著.动态条件下,B D S 相位测速在直线运动状态水平面内可获得mm/s级的测速精度,且E与N方向较传统历元间差分模型分别提升了 和,而转向状态E、N、U方向测速精度分别为 、和 c m/s,较传统模型分别提升了、和.因此,本文提出的顾及航向约束的单站相位测速模型可有效地提升B D S 系统测速性能.关键词:B D S ;相位测速;航向约束;历元间差分;单站测速模型中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:()基金项目:国家重点研发计划(Y F A );安徽省自然科学基金(Q D );国家自然科学基金();江苏省自然科学基金(B K );安徽高校自然科学研究项目(K J A )GN S S不仅能为用户提供高精度空间位置,同时可提供速度信息 .研究人员基于GN S S观测数据在载体定速、定姿与卫星速度求解等方面做了大量研究工作 .GN S S高精度测速是航空重力测量、航天器自主导航、地质灾害监测与预警及无人驾驶等领域的研究热点,.随着北斗全球系统(B D S )的全面推广,系统的定速性能作为位置服务的关键指标之一得到特别关注 .GN S S测速方法包括历元间差分法、位置差分法及多普勒测速法.考虑不同测速方法性能的差异,研究人员相继提出了组合相位与多普勒观测值测速模型、基于方差分量估计的多普勒融合测速模型以及I N S辅助的相位历元间差分测速模型.上述不同模型仍以构建参考站进行相对测速为主,在提升载体速度估计精度的同时也带来诸多不便,如需同步观测、参考站筛选与更迭等.相较于传统差分测速模型,单站测速模型更加简易,在时效性与数据传输方面更具有优势.另外,单站测速模型更易应用于深空、深海等无参考站区域的测速服务 .显然,对于地面载体测速而言,若存在足够密集的参考站,可作为单站测速模型的补充实现连续可靠的定速服务.就单站测速模型而言,主要通过对观测量变化率进行不同程度的近似而后建立观测模型;基于G P S数据测试表明,静态条件下载波相位历元间差分法与位置差分法测速精度可实现水平与垂直方向约为mm/s的定速精度;但动态条件下,不同测速模型精度达到分米级,.考虑相位观测数据精度明显优于伪距与多普勒观测值,因此基于单站的G N S S相位观测数据高精度测速模型仍需深入研究.利用GN S S高频观测数据历元间差分可消除模糊度、硬件延迟等公共误差,因此载波相位历元间差分测速模型得到广泛探讨,.同时,为克服卫星端未消除的误差影响,文献 综合考虑观测噪声与信号带宽,并评估了卫星速度误差对实时测速性能的影响.文献 统一了测速中广播星历,克服了卫星位置与钟差偏差引起的测速误差.而考虑由历元间差分模型引起的观测值间的相关性问题,学者相继提出了基于时间递归窗口和有限脉冲响应滤波器等方法对测速模型优化处理 .进一步,为提升测速模型的时效性且降低模型复杂度,文献 提出了缩减解算荷载的相位历元间差分算法,省略了卫星速度求解步骤;文献 对历元间差分方程进行线性化处理,规避了逐历元定位处理,但该方法存在误差累积现象.当前,基于历元差分的GN S S实时测速方法也得到了初步探讨,例如,文献 在利用GN S S进行车辆定姿过程中,顾及航向角和俯仰角变化,结果表明基于相位历元间差分较伪距历元间差分估计得到的航向角精度提高,俯仰角精度提高.文献 在相位历元间差分的基础上,利用核技巧算法对载体的瞬时速度与加速度进行内插求解.然而,研究表明载波相位历元间 差分模型误 差积累效应 尚未得到有 效解决 ,因此利用单站相位观测数据进行载体速第期王潜心,等:顾及载体航向约束的单站B D S 相位测速模型度参数连续高精度求解模型仍需深入探讨.针对北斗系统的测速应用研究,文献 利用相位差分法详细分析了基于B D S观测数据的静态测速性能,结果表明B D S可实现优于或相当于其他GN S S的测速结果.文献 利用线性化方法对多普勒测速模型进行了优化,实现了测速精度 左右的提升,且研究表明可通过施加合理的约束改善模型的可靠性.文献 利用相位中心一阶差分法导出多普勒观测值,实现了载体速度信息的实时估计.在北斗系统服务性能评估中,学者利用全球连续监测与评估系统(i GMA S)跟踪站多普勒观测数据测试B D S 定速指标,结果显示B D S 可实现水平方向优于 m/s,高程优于m/s的测速精度.但是,关于B D S 测速模型,尤其是动态测速模型的研究相对较少.然而,考虑测速服务的应用场景和卫星观测条件限制,导航卫星观测数据不可避免地受遮挡及多径效应等的影响,基于多源数据融合 与多系统融合 的测速模型得到广泛探讨.当前,B D S 系统正处于全面推广应用的新阶段,如何实现B D S 高精度可靠测速服务是必须关注的问题.因此,针对基于历元差分的单站GN S S测速模型中存在的典型问题,以及B D S 高性能应用服务需求,本文拟构建一种基于单站B D S 相位观测数据的测速模型,通过增加传统测速模型中线性无关观测方程,并构建合理的约束条件,实现单站B D S 相位测速模型性能的提升.单站B D S 相位差分测速模型GN S S载波相位非差观测模型可表示为srfsr,ffNsfcdtscdtrdt r osrdi o nsr,fsr,f()式中,上标s与下标r分别表示卫星与接收机;为星地间几何距离;dtr与dts分别表示接收机与卫星钟差参数;f为频率f的波长;Nsf为对应的整周模糊度;di o n与dt r o为电离层与对流层延迟量;sr,f为观测噪声.式()中还包括接收机端和卫星端的相位硬件延迟.为实现载体的运动速度的准确求解,需对载体速度与轨迹之间的关系进行分析.首先,基于频率f的观测数据,对式()求关于时间参数的导数esrVsrfsr,fcdtrcdtsdt r osrdi o nsr,fsr,f()式中,esr表示星地方向向量;Vsr为卫星与接收机间的相对速度;考虑使用的是高频观测数据,可忽略对流层与电离层延迟变化率的影响.为表示载体各方向速度分量之间的关系,按星地观测方向余弦进行投影处理,可得速度矢量非差观测方程esr/lsresr/msresr/nsrXrYrZrcdtrfsr,fcdtssr,fesrXs/lsrfsr,fcdtssr,fesrYs/msrfsr,fcdtssr,fesrZs/nsr()式中,卫星速度VsXsYsZs 可根据预报轨道求取;令载体的速度近似值表示为VrXrYrZr;则式()中l、m、n分别可表示为lsrXsXrVsVr,msrYsYrVsVr,nsrZsZrVsVr.理论上,根据式()可求解出载体的速度分量;sr,f表示相位观测值变化速率,其数值可根据中心差分法与截断误差共同判断.由于上述速度求解模型单一,为提升相位测速模型的可靠性,进一步利用历元间差分观测值构建线性无关的测速方程.令L、M、G为x、y、z方向余弦;Xsxsyszs 与Xrxryrzr 分别表示卫星s的空间位置及接收机r的近似坐标;Xr xr yr zr 为载体的位置改正数.令sr为星地间几何距离的近似值,由式()可进一步得Lsr(fsr,ffNsfcdtrcdtsdi o nsr,fdt r osrsr,f)Lsrsr xrMsr(fsr,ffNsfcdtrcdtsdi o nsr,fdt r osrsr,f)Msrsr yrGsr(fsr,ffNsfcdtrcdtsdi o nsr,fdt r osrsr,f)Gsrsr zr()考虑导航卫星运行轨道高度,tn和tn历元的方向向量可表示为Lsr(tn)Lsr(tn)xs(tn)xr(tn)Xs(tn)Xr(tn)Msr(tn)Msr(tn)ys(tn)yr(tn)Xs(tn)Xr(tn)Gsr(tn)Gsr(tn)zs(tn)zr(tn)Xs(tn)Xr(tn)()J u n e V o l N o A G C Sh t t p:x bc h i n a s m pc o m令x(xsxr),y(ysyr),z(zszr);显然,tn历元的接收机位置参数可基于微分形式表示为x(tn)x(tn)x(tn)xxry(tn)y(tn)y(tn)yyrz(tn)z(tn)z(tn)zzr()式中,x(tn)、y(tn)和z(tn)分别表示x、y与z方向的tn历元卫星位置到tn 历元接收机位置的距离分量;令Ax(tn)x(tn)x,Ay(tn)y(tn)y,Az(tn)z(tn)z.因此,在式()与式()的基础上,利用历元间差分模型可得到载体位移方程表达式Lsr(tn)(fsrc dtrsr)Ax(tn)xrx(tn)x(tn)Msr(tn)(fsrc dtrsr)Ay(tn)yry(tn)y(tn)G()sr(tn)(fsrc dtrsr)Az(tn)zrz(tn)z(tn)()则载体位移参数解算方程可表示为Ax(tn)Lsr(tn)Ay(tn)Msr(tn)Az(tn)Gsr(tn)xryrzrc dtrfsrLsr(tn)(x(tn)x(tn)fsrMsr(tn)(y(tn)y(tn)fsrGsr(tn)(z(tn)z(tn)srsrsr()式()为位移增量微分后的载波相位历元间差分矢量模型,将位移增量除以历元间隔后,再联合式()可实现载体瞬时速度的解算.由于载体速度参数估计易受环境影响,尤其是在部分卫星受遮挡的条件下,本文进一步考虑增加线性无关约束方程提高参数解算的可靠性.考虑载体运动过程中航向与位移参数之间的几何关系,如图所示,可构建额外的约束条件.为便于分析,可将载体的位移矢量xryrzr 转换至当地局部坐标系E、N、U方向xRyRzR,即构建站心坐标与空间坐标系下的位移量等价换算.图载体运动航向角与位移增量关系F i g T h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a d i n ga n g l e a n dd i s p l a c e m e n t i n c r e m e n t sxRyRzR s i nc o s s i ns i nc o s s i nc o sc o sc o sc o ss i ns i nxryrzr ()式中,和分别表示载体的大地经纬度.而基于载体运动中轨迹几何特性和车辆运动特征,短时内可利用载体的前一历元的速度方向代替当前历元航向,即载体的航行角可表示为Ha r c c o s(yR/(xR)(yR)xR a r c c o s(yR/(xR)(yR)xR()因此,考虑前一历元的航向与当前历元位移增量之间的相关性,可通过施加航向约束条件(高频观测数据中可利用前一历元的速度方向近似替代当前历元航向),实现载体位移参数的可靠求解,即VH s i nHyR c o sHxRH()式中,VH为残差;H表示截断误差.式()的矩阵表达为VH s i nH c o sH s i nc o s s i ns i nc o s s i nc o sxRyRzRH()第期王潜心,等:顾及载体航向约束的单站B D S 相位测速模型令C s i nH c o sH s i nc o s s i ns i nc o s s i nc o s则式()为VHCxRyRzRTH()式中,位移增量可转换为载体速度参数Vxxr/(tntn)Vyyr/(tntn)Vzzr/(tntn)或VExR/(tntn)VNyR/(tntn)VUzR/(tntn)()因此,通 过 联 立 式()、式()、式()与式()可实现基于载体航向角约束的单站速度高精度解算函数模型的构建.单站B D S 相位测速试验分析静态试验为验证本文提出的航向约束下的载体测速模型,首先从静态试验角度分析B D S 单站测速模型的性能.试验中以MG E X测站多频观测数据为数据源.为说明B D S 测速精度,以ME T G站为例,采用 年月 日:的B D S 采样频率为H z的观测数据,剔除精度较差的I G S O与G E O观测数据.根据本文载体位移解算模型的构成,试验设计了如下套对比方案.方案:利用式()进行测站位移解算并求解速度,即在原始载波相位历元间差分模型基础上解算位移增量,除以历元间隔换算载体的速度矢量.方案:联立式()与式()进行测站位移增量解算,即顾及载体航向约束的相位历元间差分矢量测速模型.方案:联立式()与式()进行测站速度测定,即组合B D S 载波相位观测值位移增量微分方程与非差模型的矢量测速模型.方案:联立式()、式()与式()进行测站速度测定,即顾及航向约束的载波相位位移增量微分方程与非差模型组合矢量测速模型.理论上,在利用式()进行测速过程中,需对求取sr,f的历元数据进行确定,本文选择个历元进行解算.考虑MG E X测站较稳定,其短时速度可近似为,因此,不同试验方案测速结果可直接反映不同模型的性能.考虑篇幅限制,图中仅以B I观测数据为基础给出了种方案 历元速度序列,以及N E面内的速度矢量(理论静止,速度真值为).同时,表统计了基于B I/B C/B a观测数据的不同方案N、E、U及N E方 向 的 速 度 矢 量 精 度 平 均 值 与 均 方 根(RM S).试验结果表明,传统的历元间相位差分法测速精度会随时间积累而逐渐降低,但组合位移增量微分方程与相位非差模型后可明显削弱该现象;主要是在建模时通过微分模型降低了对前一列元位置信息的依赖,从而使测速精度在N、E、U方向上均有所提升.在加入航向约束的条件下,以B I结果为例,组合位移增量微分方程与相位非差模型的测速精度较传统历元间差分模型在N方向上提升了,且在E方向提升了;但在U方向精度提升不显著,可能由竖直方向未约束而吸收了部分水平方向的未模型化的测速误差所致.同时,试验结果表明,B D S 新频点B a与B I测速性能相当,而B C略优于B I.但就不同方案而言,B C与B a测速结果可得出与B I类似的结论(下述试验均以B I为例展开分析).整体而言,通过顾及航向约束可有效地提升速度参数估计精度,在航向平面上测速精度得到明显提升,而误差较小的分速度精度可维持不变;且对于静态测站而言,本文提出的航向约束模型可实现N、E、U方向均为mm/s的测速精度.为进一步说明航向约束条件下的测速效果,额外选取了个MG E X测站加入分析,统计整个试验时段的不同方案测速精度如图所示,显然静态条件下航向角可以准确获取,试验表明经过航向约束后的N E平面合速度精度得到明显提高.需要注意的是,图中ME T G与ME T 测站的速度精度方案略低于方案,可能是由于多路径误差影响,导致测站在E方向航向角噪声较大,通过航向角约束条件间接引入了观测噪声使测速残差出现反向波动(图).同时,图结果显示,在加入航向角约束的条件下,N方向及N E平面内的测速精度均有一定的提升,如方案与方案所示;但U方向精度不同测站出现了一定程度的下降,主要原因为:本文提出的约束模型通过航向角约束水平面内的速度分量,在提升N、E方向测速精度的同时,由于U方向缺少相关约束信息,间接吸收了水平方向未模型化的误差;类似于GN S S定位过程,U方向精度受多种因素综合影响而略低于水平方向,而测速过程中虽引入航向J u n e V o l N o A G C Sh t t p:x bc h i n a s m pc o m角信息(由水平位移计算得到),但本质上增加的多余观测仍属于水平方向上的信息;U方向速度参数与载体俯仰角相关,试验中构建的约束主要关注水平面内的运动,下一步将构建基于俯仰角与航向角的多维严密约束模型.图ME T G测站种方案速度解算序列及N E平面的测速矢量分布F i g T h ev e l o c i t yr e s i d u a l so f f o u r s c h e m e sa n dt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fN Ed i r e c t i o n图MG E X各测站不同方案速度估计精度F i g V e l o c i t ya c c u r a c i e so fd i f f e r e n t s c h e m e s f o rd i f f e r e n tMG E Xs t a t i o n s动态试验为进一步验证本文提出的顾及航向约束的单站B D S 相位测速模型在实际应用中的可靠性,本节从动态试验角度进行分析.试验利用两台海星达i R T K 测地型GN S S接收机采集 年月 日:时间段内G N S S多频观测数据,截止高度角设为,采样频率为H z.考虑动态测速精度评估需要参考基准,试验中建立了一个参考站,基于改编的HA L O_G P S软件,通过载体与参考站间构建的三差法(星间站间历元第期王潜心,等:顾及载体航向约束的单站B D S 相位测速模型间)进行速度求解作为单站B D S 相位动态测速的参考.动态试验轨迹如图所示(徐州区域),一台接收机固定于车顶作为动态站,另一台架设在楼顶作为参考站,同步采集B D S 高频数据.表静态条件下不同频率观测数据的种测速方案精度统计T a b V e l o c i t yr e s u l t so f f o u r s c h e m e s i ns t a t i c sm o d eb a s e do nd i f f e r e n t o b s e r v a t i o n s静态均值RM SN/(mm/s)E/(mm/s)U/(mm/s)N E/(mm/s)N/(mm/s)提升率/()E/(mm/s)提升率/()U/(mm/s)提升率/()N E/(mm/s)B I方案 方案 方案 方案 B C方案 方案 方案 方案 B a方案 方案 方案 方案 图接收机架设与车辆运动轨迹F i g T h e c o n f i g u r a t i o n s o fr e c e i v e r s a n d t h et r a j e c t o r yo fv e h i c l e为说明三差法作为动态速度参考的可靠性,试验前分别使用静态试验中的套方案和三差法进行静态条件下的测速性能对比,即利用一组静态观测数据对车顶上的接收机进行速度解算.同时,为避免数据质量对测速的影响,测速软件中引入了多套数据质量控制算法,如实时周跳探测与修复.表列出了静态条件下种方案及三差法N、E、U方向速度残差的RM S统计结果(静态条件下真值为).结果表明,三差法测速精度均优于其他方案,因此在观测条件较优的条件下,三差法可作为动态试验精度评定的参考.为详细分析顾及航向约束的单站B D S 相位测速法,下文基于试验中移动站运行轨迹,分别对直线运动与转向两个过程进行分析.表静态测试条件下不同方法测速精度(RM S)对比T a b V e l o c i t ya c c u r a c i e s(RM S)o fd i f f e r e n tm e t h o d s i ns t a t i c sm o d e smm/s静态测速NEU方案 方案 方案方案三差法直线运动在小车运行轨迹的基础上,截取了一段近似直线运动的过程(历元,频率为H z),为说明小车的运行状态,分别计算了B D S 卫星的空间定位精度因子(P D O P)序列与航向角序列,如图所示.同时,利用基准站与小车之间同步观测,进行三差法速度解算,如图所示.通过图与图可以近似看出载体为水平直线运动,其竖直方向速度参考值接近.试验 中B D S 平 均 可 见 卫 星 数 为颗,P D O P值为.载体运动航向角显示直线共存在 、和 共个阶段,直线运动中航向角可精确获得.为说明航向约束对载体动态速度估计精度的影响,图给出了施加航向约束前后单站B D S 相位测速残差序列,图给出了位移增量微分与相位非差模型在施加航向约束前后的速度残差序列.表列出了约束前后J u n e V o l N o A G C Sh t t p:x bc h i n a s m pc o m不同测速方法速度残差RM S的统计结果.基于直线运行条件下不同测速方案结果可知,组合位移增量微分与相位非差模型的测速方案较传统差分方法在U方向更加稳定;在施加航向约束的条件下,可 分 别 获 得N、E、U方 向、和 mm/s的测速精度;其中,N与E方向的测速精度 可 得 到 有 效 改 善,分 别 提 升 了 和;而U方向由于缺少速度约束条件,测速精度未显著提升.同时,图与图中,E与N方向约束前速度存在两个历元的明显跳变,与图中的速度序列,以及图中P D O P和航向角相对应,在 历元处受实际复杂路况影响,直线运动数据采集过程中存在速度突变,导致无航向角约束条件下N与E方向速度存在相应的跳变;而在 历元处,受N与E方向的速度同时突变影响,同样引起了约束前的速度残差跳跃.考虑路面较平坦且U方向速度较稳定而未出现类似残差跳跃现象.为避免粗差对最终精度的影响,结果统计中构建了倍中误差阈值进行判别,即表中测速精度结果中已对明显的异常跳变历元进行了剔除处理,图与图中仅为表示约束前后的速度残差序列.图直线运动过程P D O P与载体航向角序列F i g T h es e r i e so fP D O Pv a l u e sa n dh e a d i n ga n g l ed u r i n g l i n e a rm o t i o n转向运动转向作为载体运动的另一主要特征,试验中同样测试了载体转向过程中航向约束下的测速模型性能.试验选取了 历元观测数据,图给出了车辆转向过程中的P D O P值及航向角序列;由图可看出,卫星跟踪条件较直线运动条件下略差,且车辆航向角变化较频繁.同样,图 与图 分别为不同方案施加约束前后的速度残差序列,表列出了相应的残差RM S统计结果.试验结果表明,车辆转向运动时,传统历元间相位差分法与组合位移增量微分方程与非差模型的测速精度在N、E、U个方向上大致相同;但在加入航向约束后,传统历元间相位差分法测速精度在N方向提升了,E方向提升了,组合位移增量微分方程与非差模型的测速精度在N、E、U方向分别提升了、和.图直线运动过程基于三差法解算的载体N、E、U方向速度序列F i g T h es e r i e so fv e l o c i t yf o rN,E,Ud i r e c t i o n sb yt r i p l ed i f f e r e n c ed u r i n g l i n e a rm o t i o n图施加航向约束前后单站B D S 相位历元间差分测速残差序列F i g T h ev e l o c i t yr e s i d u a l so fB D S t i m e d i f f e r