精度导航定位

精度导航定位（精选十篇）

精度导航定位 篇1

自1994年美国的全球定位系统(GPS)全面运行以来,卫星导航定位系统在军事和商业上的应用越来越普遍。由于巨大的军事和商业利益,俄罗斯和欧洲也在建立各自的全球导航卫星系统。俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)已经部分建成,预计在2007年覆盖全球;欧洲的全球导航卫星系统(GNSS)Galileo正在筹建之中,预计在2010年左右建成。

全球卫星导航定系统能提供包括陆地、海洋、航空和航天的全天候的导航定位能力,有着巨大的军事用途和商业利益。那么,全球卫星导航定系统提供精确导航定位的基础是什么?本文从已有的卫星导航系统入手,详细描述影响卫星导航定位系统精度的主要问题,如卫星导航所用的时间基准、时间同步、导航卫星的定轨以及它们对定位精度的影响等。

1 影响卫星导航定位系统精度的几个问题

用卫星的无线电信号进行导航定位的前提是已知卫星的精确位置、统一的时间基准和卫星播发的导航信号。初始的卫星轨道由测控系统进行跟踪和测量。在调试完成后,卫星进入预定的轨道,这时的卫星轨道一般精度不高,需要监测站对卫星轨道进行不断的监测和修正,使卫星轨道的预测越来越精确,最终达到使用要求。导航定位系统应有精确、统一的时间基准,一般采用一组铯原子频标,使得各个卫星的时钟与时间基准对齐,各个卫星用统一的时刻播发导航信息。对于GPS来说,各个卫星播发导航信息的绝对时刻在2 ms之内,而各个卫星时钟与统一的时间偏差则在导航电文中播出。

有了卫星的精确位置、卫星播发导航信号的时刻和统一的时间基准,剩下的问题就是导航接收机精确地测量卫星信号到达接收机的时刻,到达时刻的测量可分为伪距(伪码)测量和载波相位测量,这2种测量方法有不同的测量精度和解算要求。

可以看出,影响卫星导航定位系统定位精度的主要问题是,导航系统保证的统一的时间基准、时间的同步、卫星轨道的测量,以及用户接收机采用的测量方式。

2 时间基准[1,2]

时间基准作为一个基本的物理量,经过几千年的演化,在20世纪初进入了电子和原子时代,从最初的LC振荡电路、晶体振荡器、原子频标到现在正发展的离子存储频标,作为时间基准的频率标准大约以每10年提高1个量级的速度进步。

各种的频率源,从可靠性、价格、长期稳定性、短期稳定性上来看各有优缺点,如晶体振荡器具有体积小、价格便宜、可靠性高和短期稳定性好的优点,但其长期稳定性较差,晶体振荡器一般只能达到2×10-8的量级。

一个好的商业级铯频标可达到2×10-14/d,而最好的铯束频标可达到4.4×10-15[1]。氢原子频标的频偏较大,但稳定性好,一般其频偏为5×10-11,稳定性可达2×10-16/d。原子频标除了铯钟和氢钟还有铷钟,铷钟体积比较小,但频偏和稳定性都较差,其短时稳定性为3×10-11/(1～1 000 s)和长时稳定性为5×10-11/月[2]。

从性能上看,铯钟和氢钟性能较好,从价格上和可靠性上看,晶体振荡器则更有竞争力,所以,导航卫星上不仅配备铯钟和氢钟,也配备晶体振荡器。

上述原子钟是在地面达到的频率稳定性,在导航卫星上由于受到体积、重量和环境的限制,铯钟和氢钟都达不到以上的频率稳定度,如GPS卫星的频率稳定度为1×10-13左右。我国的可用于卫星导航的正在研制氢钟可达2×10-14[2]。

3 时间同步[2]

在卫星之间,卫星和地面站之间,卫星和用户接收机之间,维持和时间基准的同步是导航定位系统要解决的主要问题之一。实现时间同步一般有单向时间传递、共视时间传递和双向时间传递3种方法。对于大范围远距离的时间传递,一般采用卫星传递无线电信号,如地球同步卫星或GPS卫星。下面对单向、共视、双向时间传递的方法和目前达到的精度进行分析。

3.1 单向时间传递

单向时间传递是最简单的时间传递技术,但也是性能上最差的方法。时间信息从源A经过传输介质时延dab到达用户B,由于每千米有大约3.3 μs的时延,因此传播路径的时延不能忽略。如果源和用户的位置精确已知,则传输时延能被粗略计算。这时的主要误差是电离层时延、对流层时延、多径影响和硬件设备时延。以GPS卫星和GPS接收机为例,当前的GPS广播时间的精度在ns级,比较好的GPS接收机能在几分钟内获得优于±100 ns的时间传递精度。24 h平均可达±10 ns,这是因为广播的卫星位置精度为几米,其时间误差为3～6 ns;电离层延迟可用双频接收机测定,且被限制在几ns;对流层延迟的残差一般为几ns;硬件的不确定性也有几ns;而这些残差在一昼夜内有一定的周期性,故可通过24 h平均减低。

3.2 共视时间传递

改善单向时间传递技术的方法是共视法,该技术允许直接比较相距遥远的2个用户时钟,其原理框图如图1所示。

在该技术中,2个用户A和B不断接收一个信号发射机的信号,测量接收机接收的信号与本地时钟的钟差,通过E-mail或FTP等手段交换2用户的时差值,A和B的钟差由R-A和R-B获得。如果信号到接收机A和B的传输时间精确相等,则2个接收机能精确同步,而不依赖发射机的特性和传输介质。

如果信号到接收机A和B的传输时间精确相等,则2个接收机能精确同步,而不依赖发射机的特性和传输介质。

如果能精确消除信号到达2个接收机的波动和2个接收机的不一致性,则两地能精确地同步。这个理想的情况是不存在的,但是,即使R到A和B的路径不是精确相等,如果它们是近似相等,且波动的延迟是高度相关的,这个方法依然工作得非常好。只要两地的距离较小,使得上述的次佳条件成立,且几何上保证对流层延迟相关,则有比单向时间传递更好的时间标定结果,唯一不利的条件是两地必须进行数据交换。

共视卫星法的钟差=A-B-(dra-drb),共视卫星法的时间传递精度为1～10 ns。在相关文献中,用GPS卫星和较好的GPS载波相位接收机,在相距2 400 km的两地,可达1 ns以内,24 h平均则为100 ps左右。

3.3 双向时间传递

双向时间传递能使两地的时钟直接比较,一个半双工的系统是信号被传回的单向系统,它的单向时延能发送给用户。一个全双工的系统是两地不断的互传,半双工的系统不能消除延迟波动。如果入站和出站时延相等或精确已知,一个全双工的系统不依赖实际的传输路径。完全消除传输路径影响可能是困难的,因为2站的硬件不可能完全相同,且收发频率也必须是分开的。

一个使用同步卫星的双向时间传递如图2所示,称为双向卫星时间和频率传递系统。一旦传播时延能被消除,双向卫星时间和频率传递系统能提供稳定和精确的时间传递。

在双向卫星时间和频率传递技术中,基本的时间测量是TIC(时间间隔计数器),TIC由发送钟信号开启,由接收的远程钟信号关闭,一般是1个脉冲信号/s,TIC的数据被2个站同时记录,且数据文件在2个站之间交换。TIC的方程为:

TIC(A)=A-B+dtb+dbs+dsba+dsb+drb+Sb;

TIC(B)=B-A+dta+das+dsab+dsa+dra+Sa。

中,TIC(A)和TIC(B)是各自的TIC读数,A和B是各自的时钟时间;dxxx是各自的传播时延;Sa和Sb是Sagnac效应(地球自转效应),且Sb=-Sa,Sa=2wAr/c2,w为地球自转角速度,c2是光速的平方,Ar定义为连接卫星到2个站和地心到2个站,在赤道面投影所形成的区域。

适当调整2个时钟,使它同步在0.25 s以内,则TIC的值总是正的。A与B的钟差为:

可以看出,绝大部分的路径延迟被消除,发送和接收延时因设备不同不能消除,这是双向技术的主要误差源。卫星时延对于在2个方向上同时传送的同一颗卫星,能被完全消除。因为上行和下行频率不同,传播时延不能完全消除,这主要是电离层延时不同。由于双向卫星时间和频率传递系统有大的天线,有利于消除多径影响。

双向卫星时间和频率传递系统在24 h周期内,能提供优于1 ns的时间传递,有些系统能达到0.1 ns的精度,一般情况下双向卫星时间和频率传递系统能校准1 ns。

从以上的叙述可知,时间传递或时间同步,主要有3种方法。但是导航定位系统一般使用双向卫星时间和频率传递系统获得更好的对时精度;共视卫星方法在一定条件下,也能提供极好的精度,由于共视卫星方法设备简单,是值得研究的方法。单向时间传递最简单,适于精度要求不高的时间同步。

4 卫星轨道确定

4.1 卫星轨道确定的一般方法

我们知道,用GPS导航定位系统确定用户的位置时精度很高,GPS接收机定位依赖的是GPS卫星的精确位置和预测的运动轨迹。也就是说,GPS卫星在提供服务前,它必须先确定自己的精确位置和预测的运动轨迹。

卫星的定轨依靠的是卫星跟踪传感系统,它可分为被动传感系统和主动传感系统。主动传感系统用雷达跟踪卫星,即雷达发送测距信号到卫星,卫星转发测距信号到雷达跟踪站,测得卫星到地面站的距离和角度,测控网通过测得原始数据对卫星轨道进行计算和预测。

被动传感系统用望远镜和CCD相机,望远镜恒速地扫过一个空间区域,摄像机拍下这一区域的照片,这些照片能监视任何目标的移动,区分恒星和人造卫星。用望远镜、CCD摄像机和计算机处理,有可能对卫星进行精确定轨,美国的空间技术科学家正在对这一方法进行研究。

GPS卫星的定轨综合了被动和主动技术,GPS卫星主动发射无线电测距信号,地面GPS接收机被动地接收测距信号。全球布站的GPS卫星监测网,收集5个监测站(很快将为6个)的测量数据在中心站进行轨道解算,随着布站的增加监测站未来将到18个。那时,通过用超过4个地面站同时接收,用精确的地面站位置和精确的时间同步可直接解算出卫星的精确位置和钟差(与GPS接收机定位解算的原理相同)。

美国为了满足不断发展的航天技术的要求,在1961年开发了称为TRACE的定轨程序,TRACE软件已被不断地增强和开发了40年,成了应用广泛的少数几个工业标准之一。TRACE不是为满足特定卫星的定轨任务,它提供一般化的可配置方案,适应各种轨道模型、定轨任务和测控网;它提供误差分析能力,使得卫星轨道设计者能评估设想,优化跟踪计划。

4.2 卫星轨道确定的误差源

轨道预测是一个非常复杂的任务,它需要各种精确的模型。航天器的运动符合开普勒定律(Kepler Law),但这并不意味着确定和简单,卫星受到各种力的作用,精确模型化卫星轨道必须考虑几个方面的问题。

4.2.1 重力势

地球不是一个完美的球体,它的赤道半径大约比两极长20 km;它的内部物质也是很不均匀的,所以,地球的引力场(或重力势)是很复杂的,早期的模型来源于对地球全球的重力测量。虽然模型逐步改善,但在消除重力场影响时并不成功,美国综合了大量的高精度GPS 数据、激光测量数据和来自其他卫星轨道的数据,于1996年建立了精确的地球重力势模型,第一次使得重力场影响不再是一个主要的误差源。

4.2.2 动态重力势效应

地球的卫星——月球,导致地球的潮汐变化,除了海潮外,月球能引起地球40 cm的形变,地球的气体大气受到同样的扭曲。这个潮汐效应是不确定的,在任何一天地球有可能比典型的24 h平均转速快或慢。目前,这个效应还不能预测,必须进行不断的测量,定轨系统必须进行经常修正。可从“国际地球自转服务”的科学团体得到一些预测数据。

4.2.3 坐标结构

“国际地球自转服务”也提供一个精确的定轨评估,一个由地球内部的熔岩和地核引起的地球形变运动,可产生地轴的晃动。地理北极和地轴天复一天的相对变动,虽然定轨专家要保持地球方位变化的最新理论,但是一般预测的是地球自转轴的章动和运动。

4.2.4 宇宙的引力作用

所有天体施加的引力都能影响地球卫星的轨道,这可通过最新的天文观测数据,使宇宙的引力作用模型化。

4.2.5 太阳光的影响

太阳通过光压对卫星轨道施加影响,太阳的辐射压似乎可以简单地计算,实际上依赖于卫星是否朝着太阳和卫星表面的反射能力。卫星可由地球或月球全部或部分地遮挡,阳光可能被地球反射而照射到卫星,阳光可使卫星的各部分热量不均,引起热辐射加速效应。太阳光影响的模型,需要考虑精确的卫星外观模型和了解它的姿态。

4.2.6 低轨卫星两点加速度

在卫星的转移轨道上,太阳的辐射被地球完全挡住时,太阳辐射压下降到零而引起卫星加速;在近地点,地球对卫星产生最大的拉动效应。

4.2.7 大气拖动

在地球大气和近真空之间没有明显的边界,大气的残余可外展几百千米。对于以高速飞经极少大气的卫星,极少的大气也足以拉动卫星并最终使它落下。大气拖动模型和太阳光影响的模型相似,各种轨道和各种卫星要研究,卫星表面要模型化。大气拖动模型的建立是一个困难的问题,实际上,在一天最好条件下,最好的模型也只有15%的精确度。

4.2.8 电离层延迟

在使用无线电测量时,动态的电离层能导致信号的很大损失,特别在像S波段和L波段这样的低频段。在太阳活动活跃时,电离层有大的暴发或引起电离层风暴。在这种情况下,只能通过测量而不能进行预测。

从上述可知,卫星定轨和轨道预测有许多方法,如被动监测网、主动监测网和2种方法的组合,除了监测网外,航天器的精确轨道模型是轨道预测的关键。监测网能实时的测量航天器的轨道,但轨道预测精度依赖于各种模型的精度。对于GPS系统,卫星轨道精度对用户测距的影响,已由1990年的6 m改进为现在的2 m左右。用GLONASS+GPS双频接收机组成的监测网,对GLONASS卫星的精确的轨道定位的均方值已达20 cm。

5 结束语

导航定位精度体现卫星导航定位系统的整体性能。影响定位精度的因素很多,可分为系统和用户2部分。如上所述的“时间基准”、“时间同步”和“卫星轨道确定”等问题是卫星导航定位服务要解决的问题,它们是卫星导航定位系统建设时面临的基本问题,体现了卫星导航定位系统的技术水平。

摘要：对影响导航定位系统定位精度的各种因素进行了分析。研究了影响导航定位精度的关键技术问题,如时间基准、时间同步和卫星定轨等。叙述了GPS系统的时间基准精度的国内外技术水平,以及时间同步的各种常用方法,如单向时间传递、共视时间传递和双向时间传递等。描述了影响卫星定轨的各种因素,特别是地球重力、月球引力、宇宙引力、大气阻力和阳光光压等对卫星轨道的作用。指明了卫星导航系统的主要误差源或影响定位精度的主要因素。

关键词：卫星导航,时间基准,时间同步,卫星定轨

参考文献

[1]SULLIVAND B,BERGQUISTJ C,BOLLINGER J J,et al.Primary Atomic Frequency Standards at NIST[J].Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology,2001,106(1):47-63.

精度导航定位 篇2

通过分析微小型组合导航系统中导航计算机的.功能要求,确定了导航计算机的硬件设计指标.提出以高性能浮点型TMS320C6713数字信号处理器(DSP)为核心处理器芯片,设计了高速18位差分A/D转换电路、16位D/A转换电路等多种接口电路,运用现场可编程逻辑技术有效地降低了系统设计复杂度.设计并实现了可靠的程序实现流程,使捷联惯性航姿系统脱离通用计算机平台.实验证明:基于DSP的组合导航系统的精度和实时性能够达到设计要求,并且,便携、价廉,对导航系统在微小型领域的广泛使用具有实际意义.

作 者：孙永荣 刘建业 刘瑞华 杜亚玲 SUN Yong-rong LIU Jian-ye LIU Rui-hua DU Ya-ling 作者单位：孙永荣,刘建业,杜亚玲,SUN Yong-rong,LIU Jian-ye,DU Ya-ling(南京航空航天大学,自动化学院,江苏,南京,210016)

刘瑞华,LIU Rui-hua(中国民航学院,空中交通管理学院,天津,300300)

精度导航定位 篇3

此研究报告刊登于《农业工程学报》2011年第3期，题为“基于GPS和机器视觉的组合导航定位方法”，第一作者为中国农业大学“现代精细农业系统集成研究”教育部重点实验室的硕士研究生陈艳。通信作者为张漫副教授，该研究为国家自然科学基金项目和国家“863”计划项目。

定位精度直接影响农业机械进行路径自动跟踪的质量。全球卫星定位系统（GPS）和机器视觉是自动导航系统中使用较多的两类传感器，农田中作物收割与未收割的边界有时并非直线，单独使用GPS进行导航，在确定导航基准线方面存在一定的误差；使用机器视觉进行此类作业，可以实时提取出当前作物行的特征信息，提高了定位的精度，但是单独使用机器视觉时，在图像处理过程中有时会出现漏检的情况；为了弥补单一传感器的不足，常采用多传感器组合进行导航定位。对多传感器信息进行融合时，常采用Kalman滤波算法，该方法可对研究对象过去、现在和将来的状态做出线性最优估计，比较适合动态环境中传感器信息的实时融合；但是Kalman滤波器是一种线性滤波器，对农业机械导航的非线性系统无法得到满意的效果；而UKF方法是根据Unscented变化(无迹变换)和卡尔曼滤波相结合得到的一种算法，该方法是对非线性函数的概率密度分布进行近似，用一系列确定样本来逼近状态的后验概率密度，UKF没有线性化忽略高阶项，因此非线性分布统计量的计算精度较高。

为了更好的改善农业机械的导航定位效果，研究者将GPS和摄像机两种传感器结合起来，并采用UKF滤波算法对采集到的信息进行融合。

该研究构建了一个基于GPS和机器视觉的多传感器组合导航定位系统。在此系统中，采用GPS获取导航车的绝对位置信息、航向角度和行驶速度；机器视觉通过图像处理获取导航基准线，并得到代表作物行特征的点；UKF滤波器用来对上述传感器获取的信息进行滤波，并以电瓶车为平台，对滤波前后的定位效果进行对比。试验结果表明，使用UKF滤波后的定位精度得到了改善，减少了定位数据的标准偏差，免了视觉信息丢失时导航无法进行的情况，提高了系统的稳定性。

高精度卫星导航定位行业发展综述 篇4

1.1 行业发展现状

1.1.1 发展历程

中国卫星导航定位行业起步较早, 但只在近些年才真正发展起来, 军用和民用市场齐头并进。中国从八十年代中期开始引进GPS技术。随着全球卫星导航定位产业的发展, 以及第一代自主卫星导航系统--北斗系统的建成, 卫星导航定位技术与产品已进入我国国民经济的多个领域并发挥了重要作用, 尤其在测绘、勘探、海上渔业、车辆定位监控等方面。从企业发展的角度来看, 我国卫星导航定位行业的发展历程大致可划分为四个阶段。

(1) 50年代末至60年代末是GPS研发的初级积累阶段。

1958年底, 美国海军武器实验室委托霍布金斯大学应用物理实验室, 研究为美国军用舰艇导航服务的卫星系统, 即海军导航卫星系统。60年代末, 美国在此基础上着手研制新的卫星导航系统, 以满足海陆空三军和民用部门对导航越来越高的要求。

(2) 70年代初至80年代末GPS研发正式开始。

GPS系统从本世纪70年代开始研制, 历时20年, 至80年代末具备了实际应用的条件。1973年12月, 美国国防系统采购和评估委员会批准GPS的建议书, 20世纪70年代中期, 开始了GPS系统的地面试验。

(3) 1989年至1994年是GPS实用组网阶段。

1989年2月4日, 第一颗GPS工作卫星发射成功, 宣告了GPS系统进入工程建设阶段。同年, 麦哲伦公司生产了第一台GPS手持接收机。1992年1月, 在沙漠风暴战争中应用GPS。1994年, GPS系统正式建成。

(4) 1994年至2000年是GPS军转民的过渡阶段。

1996年2月, 美国总统令宣布GPS为军民两用系统, 标准定位服务 (SPS) 对民用开放, 2000年5月, 美国总统令SA关闭, 价格不贵的民用GPS接收机能将其水平定位精度从不低于100m提高到15～20m, 民用GPS的具备了真正的实用价值。

(5) 2000年GPS正式放开在全球广泛推广应用。

GPS产业从军用转入民用后, 逐渐向普通消费群体发展, 作为使用终端的GPS产品正逐渐的深入人们生活得各个领域。GPS使用终端最主要的应用方面主要体现在各种接收器, 比如航空、航海用途的接收器, 汽车导航设备, 或用于登山、远足的手持接收器等终端产品。

现阶段, 刺激整个民用GPS市场消费的主要因素当属汽车行业的高速发展。目前经济最发达同时也是汽车产业极为繁荣的的美国、欧洲、日本三个地区, 由于电子地图与消费电子技术的高度发达, 再加上智能型运输系统的成熟应用, 成为了汽车导航普及率最高的三个地区, 带动了全球导航市场的发展。

1.1.2 市场规模与增长

在21世纪的头十年, 中国卫星导航产业应用市场规模历经了从弱小到逐步成规模的发展阶段, 在全球年均25%增长的大环境下, 中国卫星导航产业保持了领先于全球的增长势头, 年均增长超过50%就算在历经危机的2008年, 其增长势头依然, 特别在中央"保增长、扩内需、调结构"的政策措施的影响下, 国家继续加大对基础建设的投资, 土地测量、资源勘探、工程测量、港口建设、海洋渔业、精密机械控制等各方面应用市场需求的增长, 而在民用市场包括汽车导航、智能交通、个人位置服务等各细分消费市场需求增长就更为显著, 2008年整个中国卫星导航产业应用市场产值仍然保持了50%左右的高速增长, 在2009年, 中国卫星导航产业整体市场规模接近600亿人民币。

1.2 行业基本特点

1.2.1 专业市场正在成长, 国内厂商加速赶超国外厂商

中国高精度GNSS产品市场已经越来越成长为一个开放竞争的市场, 尽管在市场形成的初期, 国内厂商在产品创新和渠道影响力上不及在全球市场上久经考验的国外厂商, 但是随着国内各厂商十年来不懈努力, 国内厂商逐渐成为高精度GNSS产品市场最有力的竞争对手。

1.2.2 国内企业竞争力提升, 从进口主导格局走向国产替代进口

GNSS产品又属于技术门槛较高和具有一定成本门槛的行业, 国内品牌通过引进学习国外技术和自主研发, 目前中国企业已经开始具备自主创新、产品升级换代的能力, 中国GNSS行业已经初步具备参与国际市场竞争的能力。

经过10多年的发展, 我国高精度GNSS产业已经从进口主导格局开始走向国产替代进口, 并逐渐主导国内市场, 并积极参与国际市场的竞争。

1.2.3 行业毛利随着技术进步、成本回落以及规模影响的共同驱动下稳步提升

随着行业技术水平的进一步提升GNSS产品的成本也在逐步下降, 加上国产品牌综合竞争力的提升, 特别是国产品牌对行业的GNSS应用起到了重要普及和客户引导的作用, 使得GNSS在行业的应用中取得了较大发展, 并取得了较大规模的增长。

1.2.4 GNSS产业已经形成专业的上下游产业链结构, 中国高精度GNSS产业链已经初步形成, 国产品牌在GNSS产业价值链上取得重要位置

国产品牌GNSS将进入新的品牌整合阶段, 由现在的少数主流品牌到新的多品牌并存阶段发展到最后少数主流品牌长期共存。随着国产品牌综合竞争能力的提升, 包括中海达、南方测绘等国产品牌不断走出国门, 积极参与到全球市场竞争并逐渐成为全球高精度GNSS市场的新生力量的代表。

2 卫星导航定位应用市场概况

2.1 应用市场规模

2.1.1 产业规模与增长

卫星导航应用分为专业应用和消费应用, 专业应用市场主要涉及航空、航海、测绘、GIS采集、精密机械控制、精细农业等领域。2009年全球专业应用市场规模在150-200亿美元之间, 占整个卫星导航定位市场四分之一强。

中国专业应用市场在2009年市场规模超过100亿元, 约占整体卫星导航应用市场的五分之一强, 保持不低于20%的增长趋势。其中, 最值得关注的是GIS应用领域依然保持着40%以上的快速增长。

2.1.2 细分应用结构

在专业应用细分领域, 由于该行业在中国发展和成熟度低于全球水平, 其结构与全球结构存在较大差异, 在2009年, 在测绘勘探和系统工程领域, 两者产值各约为40亿元, 所占比率各约为45%左右, 而GIS应用领域产值规模较小, 处于起步阶段, 约为10亿, 占比不到10%。

2.2 行业应用市场发展

2.2.1 测绘仪器市场

(1) 市场规模与增长。

中国测绘仪器市场的起步要慢于全球市场, 但由于中国整体经济发展水平处于快速增长阶段, 加上国家不断加强对基础建设的投资, 以及国内不同行业的信息化水平的提高, 在2005～2009年间, 中国测绘仪器市场销售量年均增长率17%, 市场销售额年均增长率为18%。

(2) 产品销售结构。

对与全球来讲, 随着GNSS技术的发展, 应用的广泛和深入, GNSS产品的销售比重和销售数量也在逐年提升, 在销售额上已经占到整体销售的三分之一强。

从中国测绘仪器市场的产品销售结构来看, 其销售变化态势与全球基本一致, 随着产品结构的进一步优化, GNSS产品销售增长明显高于整体市场的平均水平, 也明显快于常规测绘仪器的增长水平。中国测绘仪器市场的产品结构向着有利于GNSS产品方向增长, GNSS产品的销售比重也在逐年提升。

2009年, 在测绘领域, 高精度GNSS产品销售额比重37%以上, 但GNSS产品的销售比重低于同期的全球水平。显然, 说明中国高精度GNSS产品在测绘领域空间尚未被挖掘, 中国市场与全球应用水平相比, 不仅仅有着很大的市场提升空间, 而且相对于全行业的应用水平以及高速增长的中国市场而言, GNSS产品也具有巨大的市场发展潜力。

(3) 中国GNSS产品应用市场国内外品牌销售格局。

中国GNSS产品在2005年以前, 国外品牌在中国市场占据主导地位, 但随着国产品牌的技术积累、市场开拓能力的提升, 国产品牌不断蚕食了已有的应用市场, 同时在新生的应用市场也迅速掌握先机, 在成本降低和技术提升的共同驱动下, 国产品牌凭借其综合竞争能力的不断提升, 逐渐掌握了行业市场的价格主动权, 进而成为GNSS产品行业应用市场的主导品牌。

2004年至2009年五年间, 国内外品牌在市场地位上正历经一场翻天覆地改变, 在销售数量上, 国外品牌从2005年占到中国市场8成, 下降到2009年的2成;销售额方面, 国外品牌从2005年所占比例的85%, 下降到2009年的50%左右。这种市场竞争结构的变化, 充分说明在中国GNSS产品的市场, 国产品牌地位与国外品牌的竞争中逐步体现出优势地位。

2.2.2 GIS地理信息市场

(1) GIS数据采集器在中国的市场发展历程。

就GIS数据采集器而言, 通常以精度为尺度, 即亚米级、0～3米级、5米及以上级分为高中低端三个档次;以应用领域为尺度, 划分为专业级和民用级两个级别。而在中国国内GIS数据采集器市场中, 各个厂商也存在着较大的差别, 其中最为典型的就是中海达和合众思壮, 中海达是以中高端产品应用于专业领域, 合众思壮以中低端部分应用于专业领域和部分应用于民用领域。

从GIS数据采集器在中国的发展历程来看, 大致分为三个阶段。

第一阶段:全部由国外产品占据国内市场, 国内厂商以代理国外产品为主。此阶段以合众思壮为代表。

第二阶段:国内厂商通过代理, 逐步对行业进行了了解, 在此基础上, 通过采购厂商部件, 在国内进行组装, 同时开发相应的行业数据采集软件进行嵌入, 最终形成自主品牌的销售, 但都局限于中低端市场, 此阶段国内厂商的毛利较低。此阶段以合众思壮为代表。

第三阶段:国内个别颇具实力的厂家通过自主研发, 成功开发出高端GIS产品, 打破国外厂商在中国的垄断, 实现与国外厂商的竞争。此阶段以中海达为代表。

(2) GIS数据采集器的市场发展趋势。

GIS数据采集行业作为高精度GNSS行业一个新兴的应用领域, 其将成为继高精度测量型GNSS产品之后又一重要的应用领域, 同时, 其发展趋势归集起来主要有如下特点。

第一, GIS数据采集器成为继传统专业测量型GPS产品后的重要新兴市场。

第二, GIS数据采集器依托其便携移动和专业测量的双重特点, 广泛渗透到各个行业应用市场, 但市场应用还处于启动的初期阶段。

第三, 承载巨大发展潜力需求的GIS市场, 技术的不断革新和产品的推陈出新, 提高GIS数据采集器在各行业的渗透率。

第四, 专业测绘产品品质与符合专业用户和消费用户需求的GIS数据采集器将在价格驱动、技术驱动和产品驱动下呈现爆发性地增长, 未来市场潜力无限。

2009中国GIS数据采集器销售额突破2亿元关口, 而随着GIS数据的应用被逐步推开, 估计到2014年中国GIS数据采集器市场规模将超过10亿元, 在未来的五年间, 中国GIS数据采集器市场销售额年均增长率将超过40%。

2.2.3 系统工程

(1) GNSS系统工程应用发展。

GNSS系统工程产品可广泛应用于变形监控、精密机械控制 (港口自动化、工程机械控制、海上施工定位、飞机进近及船舶靠泊) 、精细农业、气象服务等方面。

GNSS系统工程应用之一:变形监控

国外从20世纪80年代开始用GPS进行变形监测, 发展到今天已经相当的成熟。但在我国, 由于高精度卫星导航产业的发展起步较晚, 其应用水平还远低于国外水平, 但我国地质自然灾害频发, 国家防灾减灾意识提升, 变形监控领域将在未来应用将被广泛挖掘。

GNSS系统工程应用之二:精密机械控制精密机械控制主要应用在港口自动化、工程机械控制、海上施工定位、飞机进近及船舶靠泊、精细农业、气象服务等领域, 精密机械控制作为人类全面进行体力解放的重要方向, 其应用和发展将不可限量。

(2) 发展趋势。

成熟的市场化GNSS系统工程产品与符合用户预期的价位是未来市场提速的“发动机”GNSS系统工程产业化将在产品升级、价格驱动和技术推进三方面为市场带来良性循环, 促进中国传统产业进行以GNSS为基础的信息化融合。

预计2010至2014年的五年间, 中国GNSS系统工程市场规模将保持在40%左右的增长趋势, 到2014年, 产值有望达到20亿。

2.2.4 海洋水声探测市场

(1) 整体概述。

海洋水声探测设备作为水下作业的"眼睛", 代表了人类探索水下世界技术发展的巨大成就。水声探测设备的市场流向按照用途主要有四个, 分别是测绘、勘探、工程、航海, 分别主要对应海洋测绘业、海洋资源勘探业、海洋工程建筑业、海洋船舶工业。水声探测设备深入渗透到海洋经济一、二、三产业中, 可应用于多个海洋细分产业, 保证了海洋经济的发展。

(2) 市场规模与发展。

全球水声知名品牌有ODOM、RESON、Se mra d、C-Ma x、Ge o-Ac ou st ic s、EL AC、ATLAS、SeaBeam等。就全球水声产品而言, 主要可划分物理海洋仪器设备、海洋物探仪器设备、海洋测绘仪器设备以及水下工程仪器设备几个产品线。海洋水声探测设备应用领域广泛, 下游应用行业的繁荣会促进市场的螺旋式上升。具体包括以下五个下游应用领域:测绘应用、勘探应用、工程应用、航海应用、防灾应用。

全近年来, 全球水声探测市场一直保持着平稳增长势头, 从2005年的6亿美元增长到2009年的10亿美元, 年均增长率在15%左右。

中国市场潜在需求极大, 但由于价格、技术发展阶段等原因, 目前市场规模较小, 在全球范围所占比重极小, 2004年, 中国海洋水声探测市场规模约为1.5亿人民币, 2009年超过3个亿人民币, 年均增长率保持在15%左右, 呈现一个稳步增长势头, 但与全球市场规模相比, 整体规模偏小, 而且以进口为主, 进口品牌约占了整体市场规模的65%以上。

国产设备相对低端, 在中国水声探测市场的比例为35%, 主要原因是高端水声市场研发投入过高, 国产企业产品技术水平落后, 不能满足高端水声市场的需要。

市场的保有结构方面, 全国水声探测设备市场保有资产规模约为11亿人民币, 其中, 以国产为主的单波束产品占比约为三分之一, 进口为主的多波束约占三分之二。

3 卫星导航定位行业细分产品市场竞争分析

3.1 高精度GNSS测绘产品市场层次分明, 国内企业市场销售量拥有绝对优势

中国目前GNSS产品市场格局可划分为三个梯队, 第一梯队是有着多年经验的成熟外资企业, 如天宝、徕卡、拓普康, 优质的产品和业内口碑是外资企业维持市场格局的利器, 但国内客户对性价比更高一筹的国内企业的青睐将悄然改变这种格局。第二梯队由行业领先的国内品牌, 以中海达和南方测绘为主, 在行业整体格局中起着至关重要的作用。第三梯队有上海华测、合众思壮、苏一光等国内中小品牌, 也是市场里面活跃的追随者。

在2008至2009年间, 在销售数量方面, 以中海达和南方测绘为代表的国产强势品牌, 占据了市场接近55%的份额, 两大国产品牌各平分秋色;而进口品牌所占数量份额已经不足30%, 市场占有率已经牢牢为国产品牌占据。

在销售额方面, 2008年中国高精度GNSS产品销售规模约为8亿, 2009年销售规模将超过9亿。由于进口品牌多年以来累积的国家部委单位客户, 其价格较高, 从而在销售额上体现出了相当的份量, 其销售额市场占比在50%左右, 与国产品牌平分秋色。而中海达、南方测绘两家销售额市场占比合计在40%左右, 其余的10%左右市场销售额为第三梯队品牌所分割。

3.2 G I S采集器产品边界向消费市场扩展, 或取代手持机成为高端个人导航定位终端

专业级GIS采集器在2007年以前, 一直为外资品牌天宝、徕卡、拓普康所垄断, 2008年, 中海达推出国内专业级高精度GIS数据采集器, 打破了外资品牌规定国内市场的垄断, 同时国内其他一些著名的卫星导航企业也逐步介入高专业级GIS数据采集器领域, 开始与外资品牌进行同台竞争。2009年, 专业级GIS数据采集器市场规模超过一个亿, 国产品牌中海达作为在专业级GIS数据采集器领域与外资品牌同台竞争的企业, 占到该专业市场10%以上的市场份额。

3.3 系统工程市场

目前GNSS系统工程主要由四大部分组成:即系统产品、应用软件、系统实施、系统营运。国内厂商中海达作为此领域新兴的参与者, 目前跨越了从系统产品、应用软件、系统实施三大链条环节, 具备了全面解决方案的实施能力。

GNSS系统工程在国外发展了多年, 外资企业一直试图用国外市场的经验将中国市场培育起来, 但受市场发展阶段的限制, 国内市场仍然以科研院所为主导, 企业的参与将改变这一结构, 在市场上参与竞争的企业主要有徕卡、天宝、中海达等企业。预计09年所有系统统称应用领域的销售额超过4个亿, 在目前以企业为主导参与的变形监控领域, 其销售规模约在6000万～7000万之间。

3.4 水声探测设备

水声探测设备市场按产品先分为单波束和多波束等, 国内企业的产品均为单波束, 多波束产品除少数科研院所研制的设备, 基本依靠劳雷、青岛领海、青岛海洋这些代理商。在2009年超过3个亿的水声探测设备市场中, 劳雷、青岛领海、青岛海洋等三大代理商代理的国外品牌产品, 占到这个市场绝大部分市场。在国内自有品牌方面, 中海达凭借进入先机优势、客户基础以及与国外品牌相比的性价比优势, 取得了国产水声探测市场 (测绘用) 的第一国产品牌市场的位置, 占到国产品牌水声探测设备销售额的三分之一强, 海鹰加科紧随其后。

4 行业发展趋势分析

4.1 行业发展的影响因素

(1) 良好的经济发展势头和独特的中国经济发展模式是中国GNSS产业发展的基石。

目前支撑中国经济继续保持平稳增长, 并形成独特的经济发展模式, 离不开中国经济发展的五大支点, 包括“推进有中国特色的新型工业化、信息化与工业化的融合和相互促进、推进中国有特色的城镇化、推进中国全方位的市场化进程和以全球思维推进国际化”。

未来一个时期, 在中国特有的发展模式下, 而以卫星导航定位新技术为代表的新兴产业将会出色纷呈。

(2) 《测绘资质管理规定》和《测绘资质分级标准》的修订, 进一步规定了测绘单位必须拥有的测绘仪器。

《测绘资质分级标准》中对测绘单位拥有测绘仪器的规定, 有效保证了GNSS和水声测绘产品的市场销售。测绘仪器是从事测绘生产的工具, 测绘仪器的各项指标是否符合规定将直接影响测绘成果的质量。因此, 各测绘单位在采购仪器时既要保证仪器性能, 又要保证仪器的价格和数量, 对性价比高的国内企业是一个难得的机会。

(3) 伴随产品质量的提升, 成本与性价比优势将帮助国内企业抢占国内外市场。

在品牌与产品同步升级的情况下, 国内企业的发展壮大对外资品牌市场份额的挤占将不仅表现在国内市场, 天然的成本与价格优势有利于国内企业在东南亚、非洲等地的业务拓展。中国产品较高的性价比不仅对于中国本国, 就是对俄罗斯、马来西亚这样还不太富裕的国家一样具有吸引力。随着经济形势好转, 东南亚、非洲等持续快速建设中的发展中国家经济必将为中国的GNSS测绘仪器企业提供更多的发展机遇。

(4) 伴随着国家信息化建设的推动, GNSS产业将是继通信产业、IT产业后信息化社会构架的支柱产业之一。

根据国家十一五规划, 未来15年内, 中国将大力推进国家信息化建设, 充分利用信息技术, 提高经济增长的质量和效益。

随着各主要国家, 美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS卫星系统、我国的北斗系统, 以及欧盟的伽利略系统的建立, GNSS产业有了更大的可供发挥的平台。在全球范围内, GNSS产业将成为一个全新的朝阳产业。

(5) 北斗二代卫星导航系统的规模应用和产业化发展将推动民品产业化的道路。

根据国家发改委的文件通知显示, 中国正加速以卫星通信广播、卫星导航、卫星遥感应用为核心的卫星应用产业发展, 到2020年, 完成应用卫星从试验应用型向业务服务型转变, 地面设备国产化率达80%, 使卫星应用产业产值年均增速达到25%以上, 成为高技术产业新的增长点。对于卫星导航产业的自主创新道路以及加强北斗二代系统的应用, 将会进一步推动民品产业化发展的道路。

(6) 电子信息产业结构软化, 基于内需的软件和服务产业保持较快增长。

随着中国经济的快速发展和信息化建设的推进, 中国电子信息产业和市场的竞争重心正逐步由“产品和技术”向“应用和服务”转变, 这其中有2个重要特点:其一, 电子信息产业构成逐渐从以硬件为核心向以软件和服务为主导的方向过渡;其二, 电子信息企业也日益将“应用和服务”置于战略重点地位。

4.2 行业市场发展趋势

对比发达国家的产业发展历程和我国当前的行业状况, 从更长远的角度来看行业的成长趋势, 我们可以发现, 中国的高精度GNSS产业已经进入了一个中长期的上升阶段, 而且这种成长趋势才刚刚开始, 未来极为可能持续5～10年以上的快速增长, 其增长的主要驱动因素如下。

第一, 经济进入重工业阶段后城镇化、新农村建设、海洋开发、防灾减灾、环境保护、铁路、公路基础设施投资带动内需持续增长;

第二, 国家信息化的建设, 推动GNSS卫星导航改造传统产业的驱动力进一步增强, 并成为国家信息化建设的支柱性产业;

第三, 中国北斗二代的进一步完善, 将增强自主导航卫星系统在国民经济各行各业的应用, 并促使国家大型安全系统的快速发展, 推动国产卫星导航产业的各行各业的自主化品牌的大发展;

第四, 国产品牌依托其自主创新能力建设和技术突破, 竞争力进一步提升, 替代进口品牌, 同时走向国际市场。

基于以上各项因素判断, 预计在未来五年内, 中国高精度GNSS行业将依然保持高速成长的势头, 届时会形成一个产值在70～80亿之间的大市场。其中在高精度GNSS测量型产品领域, 预计整体市场依然保持增长势头, 但增长会呈现平缓下移式的增长态势, 市场规模可达到35～40亿之间;在GIS数据采集领域, 预计整体市场年均增长将在40%以上, 市场规模将突破10亿元大关;在系统工程领域, 预计整体市场年均增长率在40%左右, 市场规模将突破20亿大关;在海洋水声探测领域, 预计整体市场平均增长率也将保持30%的增长, 市场规模将接近15亿。

有望在五年后的2014年, 整体市场规模将达到35～40亿之间。

摘要：本文以高精度卫星导航定位行业的发展为研究对象, 论文首先分析了卫星导航定位行业的发展现状和基本特点, 进而探讨了卫星导航定位应用市场的规模与发展现状, 在此基础上, 笔者详细分析了卫星导航定位行业细分产品市场的竞争态势, 探讨了整个行业发展的趋势, 全文是对我国高精度卫星导航定位行业现状与未来发展趋势的全面总结与分析, 相信对相关同行有着重要的指导作用。

车辆组合导航定位技术 篇5

车辆组合导航定位技术

介绍车辆导航定位及其组合导航定位技术.组合导航利用现代信息融合技术,实现对车辆组合导航的.准确定位,具有全方位、全天候、自主式定位功能.着重研究了GPS/GLNOASS/MM和GPS/DR/MM三组合导航定位及跑车试验分析.跑车试验表明,车辆组合导航定位精度及可靠性比单独GPS导航定位有所提高,车辆运行效率和安全性大大改善,提高了通行能力,有效地缓解了交通拥挤状况,从而为实现交通管理“自动化”以及车辆行驶“智能化”提供了可靠的保证.

作 者：张飞舟 范跃祖 孙先仿 Zhang Feizhou Fan Yuezu Sun Xianfang  作者单位：北京航空航天大学自动控制系,100083 刊 名：系统工程与电子技术  ISTIC EI PKU英文刊名：SYSTEMS ENGINEERING AND ELECTRONICS 年，卷(期)： 22(6) 分类号：P228.4 关键词：全球定位系统   车辆地面导航系统   地图匹配  

精度导航定位 篇6

关键词：北斗卫星,导航定位系统,船位精度

引言

目前, 获取空间信息和数据的主要手段是使用卫星导航系统。在全球范围内, 世界各国陆续开发、相继建设多种卫星导航定位系统, 例如美国的全球定位系统 (GPS) 、俄罗斯的格洛纳斯系统 (GLONASS) 和欧盟的伽利略定位系统 (GALILEO) , 并已经得到了较为广泛的应用。北斗卫星导航系统 (Bei Dou) 则是我国自主研制、独立发展、正在运行和持续完善的全球卫星导航定位系统, 主要提供定位、测速、授时和通信等开放或授权服务。海上使用北斗卫星定位系统完成以舰船为目标的探测性质试验需要可靠和精确的船舶实时位置信息, 以确保试验结果的有效性和准确性。

1 北斗卫星导航系统与船位测量

1.1 北斗卫星导航系统

北斗卫星定位系统由空间段、地面段和用户段三部分组成, 其中空间部分由5颗轨道高度为三万六千公里的静止轨道 (GEO) 卫星、27颗轨道高度两万一千五百公里的中轨道 (MEO) 卫星和3颗轨道高度为三万六千公里的倾斜同步卫星 (IGSO) 组成。北斗卫星导航系统采用三球交汇测量原理进行定位和测量。原理是以两颗卫星为球心, 两球心至用户的距离为半径作球面, 另一个球面是以地球地心用户所在点至地心的距离为半径作球面, 三个球面的交汇点为用户位置[1], 定位精度达到10m以内。

1.2 船位测量与卫星定位

由于海洋环境的特殊性和复杂性, 海洋领域的科学研究和工程建设还面临着诸多难题, 其中最为关键的技术制约之一就是船舶的精准定位与实时监控。北斗卫星系统的出现, 有助于推进和实现我国海洋工程的国产化和全球化, 突破国外卫星导航系统的制约和控制。目前, 船舶定位和测量的方法主要包括推算定位、陆标定位、天文定位、无线电定位和卫星定位等5种方法。本文主要介绍卫星船位测量方法。

利用空间卫星来测量和确定船位, 多普勒测量法、伪距测量法、干涉法和载波相位测量法是较为常用的方法。多普勒测量法是用户接收机通过连续对几颗卫星多普勒频移的进行测量。伪距测量法是由于空间卫星的位置已知, 用户接收机分别接收三颗以上空间卫星信号, 测出用户接收机到卫星的距离可解出船位。干涉法是同时在已知点和未知点进行卫星观测, 得到同颗卫星信号到达测量点的时间之差, 同步测定多颗卫星的延时差和变化率解算出未知点的数据。载波相位测量法是利用本地参考信号与用户接收机接收卫星载波信号的相位差, 计算出电波从用户接收机到卫星的相位延迟, 确定相对的距离。

2 精度测量流程

我国自主研制的北斗二代卫星的陆续发射, 北斗卫星导航系统的功能日趋完善, 越来越多的北斗二代用户机将接入科研、试验、勘探、航海等国民经济的各个领域。在科研、试验等对动态精度要求较高的业务工作中, 精度测量一般执行以下的流程过程。北斗用户接收机海空平台实现数据实时采集、存储并回传至船载活动中心站及陆地数据中心;船载中心站实现数据实时采集、处理、显示、分发、对船载活动站进行辅助控制及事后精密处理的功能;陆地基准站实现数据实时采集存储、发送基准数据、对各个配合平台进行协调控制、数据采集、存储备份功能。设备架设于需要测量平台的载体上, 通过数据链路传输定位数据, 为科研和试验提供高精度定位信息。

3 精度评定方法

3.1 按标准偏差处理

3.1.1 标准偏差

将测量值排成一列;求出测量值与真值的偏差。

计算标准偏差:

式中, n—测量次数;x—第i次测量值与真值的偏差。

3.1.2 径向标准偏差σR

式中, n—测量次数;轴向标准偏差;轴向标准偏差;xi、yi分别为x和y方向的测量值;x和y分别为x和y方向的真值。

3.2 按系统误差和随机误差综合处理

3.2.1 求取数据纬度、经度一次差

3.2.2 计算纬度、经度的系统误差

计算纬度、经度的随机误差:

3.2.3计算综合误差

结果形式:

3.3 精度评定

海上航行测量中, 船位真值测量设备的系统误差和标准偏差与被测设备系统误差和标准偏差比较应满足下式:

动态评定时, 当测量设备天线与被试设备天线不在同一位置时, 在精度评定时就考虑位置归心改正;

每一项定位精度应注明其可信度, 下表给出的误差X出现在之间的概率可供参考。

由表1可看出测量值出现在±之间的可能性为68%;测量值出现在±之间的可能性为95%;测量值出现在±之间的可能性为99.7%。

4 结束语

北斗卫星导航系统在科学、经济等多个领域有着广泛的用途, 发挥着越来越重要的作用。本文给出了一种使用北斗卫星定位时的精度评定方法, 为船用定位测量业务使用北斗卫星导航系统提供参考。

参考文献

[1]王磊, 张荣文, 张超.基于北斗系统的VRS技术在定位中的应用[J].海洋测绘.2009 (01) .

精度导航定位 篇7

美、俄卫星导航比我国早起步三十年, 但目前仍无法实现对室内的定位与导航, 不能满足人们80%时间在室内的位置服务需求。美国高通、瑞典爱立信公司利用地面通信网的室内定位精度仅能达到40米。但目前中国科学家已经攻克这一国际难题, 抢占国际尖端科技竞争制高点。

历经十多年潜心攻关, 北京邮电大学空间导航与通信实验室邓中亮团队研发了世界上首个“羲和”室内高精度位置服务平台, 攻克了通信网建筑内“反散射”传播的三维“米级”定位国际难题, 提出了共频带通信网增强、反散射聚合三维定位理论方法与架构, 填补了传统视线传输定位在室内的局限性, 实现了广域定位室内外精度1~3米, 垂直1米, 比国外公开精度高5~10倍。创新了移动通信、广播、无线网和卫星导航等多资源融合高精度定位技术, 为我国导航服务探索了一条投入少、见效快的建设之路。

邓中亮教授正在演示“羲和”定位系统

“羲和”室内高精度位置服务平台的成功研发和广泛推广, 率先解决了北斗卫星导航系统的‘最后一公里’瓶颈, 为国家“一带一路”、城镇化、“互联网+”发展战略, 以及军事斗争准备提供现代室内感知位置基础。预计到2020年, “羲和”系统将打造上千亿元的产业链, 从而牵动上万亿的经济发展动力。

“互联网+”与“一路一带”经济的深入发展, 推动室内外高精度位置服务的爆发式增长需求

“互联网+”与“一路一带”经济的深入发展, 推动通信与导航技术在相互融合中迅速发展, 导航系统与通信系统紧密结合, 使导航定位信息产生更直接的应用价值, 发挥出更广泛的效能, 实现单一定位导航向监控、管理、交通、救助、娱乐等综合位置服务的转变。位置服务作为战略型新兴产业已广泛进入人们生活, 正在成为国防安全、经济建设、社会生活中不可或缺的部分。

邓中亮教授向有关领导汇报“十二五”成果

“智慧城市”、“互联网+”服务、“工业4.0”等需要精确的室内外位置信息做基础支撑。城市的智慧化在于以位置信息为基础的全面感知、泛在互联和融合应用;物联网需要精准感知位置实现空间紧密耦合关联;“互联网+”服务更是以位置为中心实现线上线下精确交互。自2012年开始, LBS服务应用增长速度已超越微博、微信等, 成为移动互联重要业务。

随着现代社会的不断发展, 城镇化进程加快, 大型建筑日益增多, 人们80%以上的时间处于室内环境 (含地下、矿井、隧道等) , 人们对室内外高精度定位导航的需求呈现爆发式增长趋势。

公共安全、生产安全、应急救援、公共卫生、物联网、特殊人群监护、大型场馆管理、智慧城市建设等领域都需要使用准确的室内外导航定位信息:

(一) 在消防救援方面, 我国10万余高层建筑, 每年火灾10万逾起, 基于位置的消防救援问题突出, 需要对消防员、被困群众及消防设施进行精确的室内外无缝定位和逃生路径规划。

(二) 在老幼人群关爱方面, 全国1.4亿空巢老人、上亿学龄儿童需要基于位置的关爱服务, 在被监护人出现紧急情况时 (如发病、走失等) , 基于位置信息可展开快速救助。

(三) 在公共安全方面, 全国1000余火车站, 160余民用机场, 上千个地铁在运营车站, 以上地点单日人流量可达数十万, 安全管理问题突出, 需要对安全管理人员进行定位, 对人流量进行统计, 对应急疏散路径进行引导, 对危险人员进行监控。

(四) 在医疗服务方面, 全国两万余县级以上医院, 月均就诊人数超过四亿, 基于位置的医疗服务需求迫切, 掌握住院病人、急救病人、医务人员及重要医疗器械位置信息, 能够提高医疗救护效率。

(五) 在矿山管理与救援方面, 全国上万家煤矿, 560万矿工, 每年矿难死亡上千人, 需要掌握井下人员位置信息, 提高矿难救援与日常生产安全管理效率。

(六) 在大型场馆人员、物资管理方面, 全国6000余个展馆、博物馆, 大量5万平米以上的大型仓库, 其人员、物资管理需求迫切, 掌握人员、物资的室内外无缝位置信息, 能够实现对工作人员及重要物资的无缝监管。

(七) 在商场导购方面, 我国数千个大型购物广场, 最大达121.5万平米, 日消费者超20万人, 通过位置服务, 能够向顾客提供便捷的精准导购服务。

(八) 在车辆导航方面, 我国大型室内停车场车位已达数千个, 公路隧道近万个, 全国近亿民用车辆导航需求开始由室外导航向室内外无缝导航转变, 室内外无缝位置服务能够为车辆进入地下停车场或隧道时, 提供无缝的车辆导航服务。

(九) 在个人服务方面, 我国手机用户达十亿, 位置服务用户已超过2亿, 近三年年增长率超过100%。个人导航、地点交友 (如微信摇一摇) 、即时通讯、以地理位置为基础的小型社区等服务。

传统室内外高精度定位技术存在定位精度与覆盖范围的突出矛盾, 室内外无缝高精度三维定位面临严峻挑战

(一) 卫星室内定位“最后一公里”瓶颈

全球卫星导航系统 (GPS、北斗、伽利略、GLONASS) 因建筑遮挡在室内及建筑周边无信号, 故无定位能力。卫星信号因穿透损耗, 多径干扰等, 室内GPS信号强度远低于GPS ICD最小-160d Bw的要求, 因此室内无定位信号覆盖, 即存在室内最后一公里不能定位的问题, 不能实现室内外高精度位置服务。

(二) 近距离通信定位技术的局限性

近距离通信定位技术包括无线局域网、射频标签、紫蜂、蓝牙、超宽带无线电、地磁场强、红外定位、光跟踪定位、计算机视觉定位、超声波定位等, 局域视线定位系统单设备覆盖能力受限, 室内外高精度位置服务需高密度布设, 位置服务运维难。

基于Wi-Fi的室内定位系统目前主要有两类:第一类是Wi-Fi无线AP区间定位, 通过收集Wi-Fi无线AP安装位置, 和定位台接收到的AP地址, 实现基于Wi-Fi无线AP区间定位, 如美国Google Map。基于AP位置的定位技术成本低, 但由于AP自身的位置并不精确, 不能精确计算用户距AP的距离, 定位误差通常达10~20米;第二类则采用Wi-Fi无线信号RSSI指纹匹配定位技术, 如我国自主研发的“寻鹿”定位系统、“翼周边”系统, 以及美国的Wi Fi SLAM、加拿大Wifarer等。利用该类技术需要建立相关指纹数据库, 对数据库的运行维护要求高, 定位精度受信号强度影响大, 常用于重点场所的局部定位服务。

Zigbee定位技术与WIFI定位技术相似, 是基于IEEE802.15.4标准的局域网定位技术, 精度可达3米, 但由于信号强度受环境影响较大, 如人员走动、墙体/门的遮挡反射等均会导致定位精度下降。

基于RFID的定位系统根据RFID标签的信号强度及已知的RFID标签位置比较进行实时定位, 实现米级定位精度需要布设大量参考标签, 难以实现大范围推广应用。

蓝牙定位与WIFI定位相同, 其优点在于蓝牙芯片成本低、功耗低, 已在笔记本电脑以及手机中上大量普及。但蓝牙节点远不如Wi-Fi无线AP普及, 因此其应用普及程度不及Wi-Fi定位系统。

UWB用于定位具有伪距测量精度高、抗多径干扰能力强的优势, 在视距环境下较Wi-Fi、Zigbee、RFID等定位系统精度大幅提高, 但UWB系统目前远不及其他系统普及, 且作用距离仅为10米量级, 现阶段的产业推广难度较上述系统更加困难。

(三) 广域通信定位技术的测量不确定性

传统移动通信与广播网室内外定位成本低、覆盖广。但城市建筑结构对无线信号传输形成了多障、多重反射与散射、非视线传播等, 基站到终端距离测量困难。

移动通信基站由于地面网络信号覆盖良好, 因此可对室内用户进行定位。目前, GSM、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA等在网运行的系统均具备定位功能, 第四代通信系统LTE在其Release 9中引入了定位参考信号 (PRS, Positioning Reference Signals) , 用于伪距测量及定位。已有的移动通信基站定位系统包括小区识别码定位、环路往返时延定位、上行链路信号到达时间定位方法、上行链路信号到达时间差方法以及信号到达角度定位方法、高级前向链路三角定位、下行链路增强观测时间差定位方法、下行链路空闲周期观测到达时间差方法等。移动通信基站定位系统较局域室内定位系统成本低、易于普及, 现有手机均具有一定程度的定位能力。但目前移动通信基站定位技术由于受非视距及多径干扰大、时间同步精度差等影响, 定位精度普遍在百米量级 (一般为50~300米) , 无法实现米级高精度室内定位。

孙家栋院士向邓中亮颁发全国十大科技创新人物奖

通信与导航深度融合的高精度室内外三维定位技术, 实现了“定位精度高, 覆盖范围大, 技术成本低”, 成为国际领先的室内导航位置服务技术

针对室内外高精度无缝定位与服务中面临的关键问题, 在科技部“羲和”重大计划支持下, 北京邮电大学邓中亮团队牵头, 联合多家单位, 基于通信网络与卫星, 开展了“星地一体、内外衔接、高精定位、无缝保障”的水平精度1~3米, 垂直精度小于1米的室内外导航与位置服务关键技术与产业化研究, 构建了“羲和”室内外高精度位置服务平台。主要技术优势如下:

(一) 共频带三维定位TC-OFDM

在理论研究方面, 发现室内定位导航信号散射传输突变规律, 建立建筑空间导航定位基础理论与方法, 提出共频带增强三维定位新思想, 突破通信网传统非视线线定位瓶颈, 大幅增强了基于通信网络的室内外无缝定位能力。

由此形成卫星导航融于地面通信TC-OFDM (Time-Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 技术体制, 是国际上一个新的导航通信复合技术体制, 实现了移动通信蜂窝基站网的高精度定位测量功能、室外“卫星盲区”覆盖与室内可测的位置服务。

(二) 散射多径聚合、导航路径动态规划

针对建筑多单元结构对无线信号多重干扰问题, 利用建筑空间几何特性, 提出了非视线镜像传播估计新方法, 大幅降低了“基站-终端”距离测量计算误差。

通过突破建筑内多障非自由空间导航路径动态规划难题, 基于建筑结构多层多单元可连通性特点, 构建建筑空间特征库、位置与时态关联模型, 提出建筑空间多尺度网格编码与时空数据融合计算方法, 提升了导航规划效能。

(三) 多源融合导航定位新体系

融合BD/GNSS、TC-OFDM、Wi-Fi、蓝牙、惯性、视觉等多种手段, 创建多元紧耦合定位模型, 实现空天地一体化多源融合大型建筑群内外对人与物体的“米级”无缝定位。

为实现广域室内外无缝定位, 开展基站/WiFi/卫星等多源无线信息的融合, 采用了基于信号完备性判决的异构网络变权位置解算技术, 实现了异构网络定位系统的软切换, 保障了定位结果的连续性。

(四) 室内导航与位置服务架构与系统

结合室内定位技术, 在空间信息模型基础上添加定位导航数据模型, 构建起面向室内定位导航的立体单元网格空间信息模型, 地图存储空间减小到原先的1/5;完成广域室内外电子地图的无缝融合, 实现室内外无缝路径规划;制定离、在线两种地图服务方式应用接口标准规范, 解决了Arc GIS等现有标准在室内定位及位置服务中应用接口不足的问题, 满足室内地图匹配及位置服务需求。

建议加大研发和推广力度, 尽快将技术和市场领先转化为技术和市场主导, 实现“定位中国, 定位世界”的强国强军梦想

未来室内位置服务技术将国家战略布局和国际科技竞争热点, 向深空、深地方向多元发展, 引领现代服务产业发展。主要建议如下:

(一) 空天地一体化的导航与通信体制

室内位置服务将面向空天地一体化、通信与导航体制结合, 实现卫星、基站、无人机、雷达、惯导、近距离通信等全源导航定位融合, 聚合地理信息、交通信息、商业信息等全息地图数据, 实现虚拟化、弹性可恢复的、协同的、模块化的服务体系结构, 全天候、全地域地提供高精度、无缝隙的位置服务。

(二) 融合移动互联, 创新业务, 提升服务

随着车联网技术需求的发展, 卫星导航产业的四大细分市场将进入高速增长阶段。首先是高端制造业, 包括导航芯片与模块、多种通信芯片与模块、接收机组件、显示器件与正集成;其次是软件业, 包括各种系统类软件、导航定位收拾软件、地图引擎与嵌入式应用;再次是导航相关的现代服务业;最后是综合数据业。

4G大大提高了移动终端的通信带宽, 带来了更多应用前景。其中包括业务数据速率要求较高的多媒体业务, 例如高清视频监控、3D视频点播、实景地图、3D地图、导航与位置服务等。还包括单业务带宽要求较小, 但同时在线用户较多的应用, 例如QQ、微信等即时通信系统。以及时延要求较高的实时性业务, 例如视频会议、视频监控和大型网络游戏等。

(三) 发展高精度定位服务抢占物联网应用制高点

位置服务将步入无缝化时代, 以亚米级导航电子地图为基础, 室内导航、全息地图与位置服务、城市智能交通、个人位置服务等将蓬勃发展起来。随着信息网络技术从单系统到互联网、再到云服务时代的进步, 位置服务资源将从集中到分散、再发展到集中, 实现多资源、多功能、多途径的综合位置服务, 构建完整的国家和社会安全保障服务平台。

(四) 推动智慧城市建设

精度导航定位 篇8

卫星技术、数据链、通信网络以及自动化技术将是空中交通管理系统所依赖的空管通信、导航和监视的新的技术方案。全球导航卫星系统 ( GlobalNavigation Satellite System, GNSS) [1]与现行陆基系统相比, 具有高精度、多功能和全球性等优点[2], 解决了航路设计受限与地面设施设备的问题, 也为远距离飞行提供了实时定位导航的技术手段。基于GNSS的导航系统与可靠的增强系统结合以后, 可运用于航空器全部飞行阶段。

GNSS导航可使航空器用于定位的卫星数量增加且几何分布好, 从而有利于提高卫星导航的定位精度[3]。快速选择天空中的卫星是提高导航有效性和可靠性的基本保障, 是GNSS中的关键技术, 对提高导航精度和航空器的安全性有着重要的作用。

在创新性方面, 基于现有陆基导航系统向星基导航系统的发展演进, 用实测卫星数据对几何精度因子 ( Geometric Dilution Precision, GDOP) 进行仿真, 并分析影响导航精度的原因; 其次, 重点对选星算法进行对比研究, 并对影响导航精度的选星算法进行改进。该研究对保证民航下一代的导航与监视技术的安全和有效性具有一定的借鉴及指导意义。

1 GDOP

GDOP用于衡量导航精度的数值, 它表示定位误差与空间卫星星座间的几何位置变化关系[4]。更一般的说, 是用来表示定位误差放大倍数或者是精度衰减因子。

在实际情况中, 卫星组成的体积越小则GDOP的值越大。在选择定位卫星时要选择卫星分散在不同的位置, 且在不同的区域都有分布, 这样卫星的几何精度就会变小。在导航系统中, 观测卫星数增加, 可用于定位的卫星就更多。由于每个卫星信号测量误差不能改变, 要提高定位精度就必须使GNSS提供多个可供选择的卫星, 使GDOP值减小[5]。

σ2x、σ2y、σ2z和σ2b表示位置误差的方差和钟差的方差, 可以得出总的定位误差即总的均方差σrms:

卫星定位误差与两方面的因素有关: ①卫星测得的伪距的均方差, 与接收机本身有关, 一般不能改变; ②与余弦矩阵有关, 即与卫星在空间轨道的分布情况有关。所以用户在选择定位卫星的时候要选择精度因子小的卫星进行定位。

2 GNSS 卫星导航几何精度

GNSS导航增加航空器观测卫星的数目。航空器接收到可用于定位的卫星信号越多, 会使GDOP值降低, 如以下证明所示[6]:

当原有可见卫星的数量增加之后, 原来的几何矩阵H也发生变化, h为增加卫星的几何矩阵。卫星的方向余弦矩阵为M = [HThT]T, 则有MTM =HTH + hTh。

根据定义MTM为正定矩阵, 正定矩阵分解为ATNA形式。其中A为正交阵, N为对角阵, N =Diag ( d1, d2, …, dk) , 则

所以, GDOPM< GDOPH。从以上的证明过程可以看出, 增加用户观测星的数目, 就增加了卫星的可见范围[7], 从理论上证明了多模卫星改善GDOP的大小, 使得航空器的定位精度提高。

3 导航星座选择算法

GNSS可以实现全球无缝覆盖、高定位精度和高动态性等优势。GNSS导航系统观测卫星数量和定位精度都有显著提高, 但是由于有更多的卫星数据需要处理, 搜索卫星的时间将增加。为了解决卫星信息多、搜索卫星时计算复杂等特点, 就需要一种选星算法提高接收机搜索卫星的效率。由于在定位过程中需要其中精度最高的卫星, 这就涉及到卫星星座选择的问题。如何选择多模卫星星座, 使用户得到最好的定位服务, 称之为星座的最佳选择算法[8]。

3. 1 最佳选星算法

最佳选星法是通过遍历天空所有的卫星信息, 然后找出满足要求的最小GDOP的方法。具体方法是航空器接收到天空中所有卫星的星历数据, 计算出所有可视的N颗卫星在天空的位置。然后在N颗卫星中选出m ( m < N) 颗卫星, 用遍历的方式依次计算每一次选择卫星的GDOP值, 最后选取所有组合中最小GDOP值的卫星作为用于导航的星座。该算法简单可靠, 可以完全保证选择的卫星具有最小的精度, 但缺点是遍历计算所有可能的GDOP值。但是根据计算GDOP值的公式, 每次都需要计算矩阵的逆, 会造成很大的运算开销, 运算量增大造成搜星时间增加, 延长导航等待时间。

3. 2 最大行列式值选星算法

计算GDOP时, 需要计算矩阵的逆, 运算量将很大。针对此问题, 采用基于行列式的选星算法[9], 通过迭代计算方向余弦矩阵的行列式可以简化计算量, 有计算速度快、运算简单和选星精准等优点。

GNSS卫星定位, 可以使航空器观测卫星数量增加, 在轨卫星的几何分布更加合理, 导航的精度也有较大提高。GNSS系统之间的时钟误差不一样, 所以会增加观测的未知量, 就要求更多的卫星观测量组成矩阵进行联立求解。将组合定位的观测方程式可以表示为:

LGPS和LBD分别表示GPS和北斗的伪距残差;HGPS和HBD分别表示GPS和北斗的方向余弦矩阵;X =[ΔxΔyuΔzu- cΔtGPS- cΔtBD]T表示用户坐标的残差和GPS和北斗系统的时钟误差。

测量矩阵为:

GDOP计算等于:

在进行卫星选择的过程中不用遍历计算GDOP, 而是只需选取满足最小的行列式| ATA |值的卫星组合。

3. 3 改进最大四面体体积法

最大体积法是指从观测卫星中选出4颗卫星组成四面体, 满足体积最大卫星作为观测伪距的卫星。GNSS卫星定位系统要求定位的卫星为5颗; 而且不同系统的轨道高度不同, 虽然体积计算数值很大, 但是导航精度很低。所以不同星座的卫星组合, 需要对最大的四面体体积算法进行改进。首先选择一颗卫星, 然后在剩下的卫星中进行最大四面体法选星。一般地, 仰角最大的卫星使GDOP改善最大。针对不同卫星定位系统的轨道高度差, 需要将卫星与航空器的距离单位化。即将所有的卫星高度统一, 消除卫星轨道高度所计算四面体体积带来的偏差。

以航空器为坐标原点, 与4颗卫星连线组成的矢量进行单位化可以表示为e1、e2、e3和e4, 把卫星轨道统一在同一高度的球体上[10,11]。矢量末端组成的四面体体积表示为V。

根据GDOP表达式, GDOP和四面体V的关系为:

式中, ( HTH) *为HTH的伴随阵; trace ( ) 表示矩阵的迹;

如果设所以

四面体体积可以用行列式来表示, 它们之间的关系可以表示为V =1/6︱H︱ , 所以几何因子可以表示为:

总的来说GDOP的值可以看成是体积V的反比, 随着四面体体积的增大, GDOP的值变小[12]。所以用求卫星在空间中的体积可以简单地替代求复杂的矩阵的逆。

4 仿真分析

4. 1 GNSS 导航的 GDOP

组合卫星对精度因子的改善情况, 如图1所示。卫星的组合方式为GPS和北斗。仿真是将GPS、北斗以及组合卫星的GDOP进行对比。卫星的截止仰角为5°, 仿真时间为600 m。从图1中可以看出: 组合卫星的GDOP值明显比GPS卫星的小, 特别是在GPS卫星的GDOP值比较大的时刻, 改善尤为明显。

4. 2 选星算法仿真

在多种卫星系统组合定位的情况下, 航空器可见卫星数量增大, 使得所有可见卫星的GDOP值变小, 如图2所示。在有更多可选的卫星星座下, 3种选星算法的GDOP值变化不是很明显, 除了改进的最大体积算法在某些卫星分布不好的情况下GDOP有些增大, 但是增加的幅度明显比单系统卫星小。可见多模组合卫星定位系统的卫星天空布局更完善, 定位精度得到了明显改善。

4. 3 算法运算复杂度分析

最后研究3种运算复杂度, 这对用户接收机快速搜索卫星, 减少定位的启动时间都有很重要的运用价值。3种选星算法的运行时间如图3所示。

在不同的卫星个数下, 3种算法各仿真2 000次求运算时间的平均值。可以看出卫星数量少的时候耗时相差不大, 随着可见卫星数量的增加, 选星算法搜索卫星的运算时间增大, 并呈现指数的增加趋势。最小GDOP法的运算时间增长最快, 其次是最大行列式法, 改进最大体积法用时最少。当可见卫星数量过大时, 对用户接收机搜索卫星是不利的。

假设此时的卫星数为m, 最小GDOP法需要计算C5m次矩阵逆运算, 最大行列式法需要计算C5m次行列式值, 改进的最大四面体体积法需要计算C5m次行列式。最小GDOP法和行列式法计算的次数相同, 但是计算矩阵的逆比行列式要复杂得多。改进的最大体积法计算的行列式次数比最大行列式要少, 而且计算4阶行列式比计算5阶行列式的运算复杂度要低, 所以改进的最大体积法运行时间最短。

5 结束语

主要介绍了几何精度和GNSS导航系统星座选择算法。首先, 研究了表征卫星的几何精度, 通过证明与仿真表明: GNSS系统对卫星空间几何布局的改善, 进而提高了系统的导航精度。其次, 研究了GNSS卫星导航星座选择算法, 即最小GDOP法、改进的最大四面体体积法和最大行列式算法, 并实时仿真分析了3种算法的GDOP。最后, 对3种算法的运算时间进行分析, 指出运算时间的改善是牺牲运算精度, 解决了在GNSS导航中提高精度和快速搜索卫星的重点和难点问题。

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精度导航定位 篇9

ILS的一部分数据传输频率是108 ~ 112 Hz,50k Hz的带宽。这些频率与用于向全世界无线电广播的频道直接相邻。无线电干扰和选址是ILS面临的一个重要问题。这是寻求ILS替代系统的主要原因之一。而全球导航卫星系统GNSS( global navigation satellite system) 定位误差的很大部分来自于垂直几何结构。利用差分GNSS得到的水平定位精度非常高( 小于1 m) 。ILS在垂直导航上非常精确,而GNSS在水平导航上非常精确[1]。以合适的方式将ILS和GNSS的测量融合在一起,将实现一个非常精确和可靠的进近引导体制[2,3]。

一个融合的着陆系统应该有一个混合的陆基和空基组件。抵消共模故障是融合系统的一个很大优势。若某一系统的一部分出现故障,仍然有足够的安全裕度继续实施着陆操作。根据预先分析,两个系统同时故障的概率将是极小的,空地基系统是相互独立的[4]。

现在的目标是将差分GNSS和ILS下滑道组合在一起,为II/III类着陆系统创造一个更强大和精密的定位系统。下滑道测量将提供精确的垂直导航,差分GNSS将提供精确的水平和垂直冗余导航。该定位系统称为差分GILS进近系统。

1 进近系统模型

差分GILS进近系统包含三个不同的数据来源。分别是ILS下滑道数据,地面参考站的GNSS数据和机载接收机的GNSS数据。从下滑道接受数据的频率是20 Hz。从飞机上接收GNSS数据的频率为1Hz。地面站的GNSS数据上行传输到飞机的频率为1 Hz。这三个测量源得到的数据转移到机载处理器,计算飞机的位置。在这项研究中,将提出一种方案,输出频率为4 Hz。数据传输给自动驾驶仪的频率通常为16 Hz。在这项研究中,4 Hz可以验证差分GILS进近系统的精度。组合进近体制框图如图1所示。

在特定的时间段,机载端可以接收到GNSS地面参考站发来的消息,机载接收机处理得到的GNSS数据,以及从ILS接收机得到的下滑道测量数据。为了融合GNSS数据和ILS数据,须先统一坐标系,具体方案详见下文。

2 数据获取及融合

2. 1 ILS数据获取

ILS的坐标系是基于跑道截获点RPI ( runway point of intercept) 和跑道入口的局域跑道坐标系,其中RPI是下滑道延伸到跑道表面与跑道交叉的点[3]。

局域坐标系的原点是跑道入口,X轴位于跑道平面,正方向是飞机离场方向,Y轴位于跑道平面且垂直于X轴,正方向背离下滑台,Z轴垂直于跑道平面且垂直指向上方。则可以通过飞机角度来定义飞机进近过程中任意离散点。

图2 中,θ 为下滑角,φ 为下滑宽度。ICAO发布的附件10 规定[3],地面表示下滑宽度为0. 175DDM( difference in depth of modulation) ,对应机载端用电流表显示的下滑宽度为150 μa。

现通过公式推导说明如何从DDM值转换为下滑角。例如: θ = 3° 下滑角,φ = 0. 7° 下滑宽度,DDM = + 0. 025。计算过程如下

( 1) 找到下滑宽度和DDM之间的比率关系:

( 2) DDM值乘以R就可以得到对应的下滑宽度值:

( 3) 在下滑宽度和式( 3) 中求得的下滑宽度值的基础上,计算下滑角偏差:

( 4) 从标准下滑角中减去角度偏差得到的便是飞机下滑过程中的角度

2. 2 差分GNSS数据获取

差分GNSS是首先利用已知精确三维坐标的差分GNSS基准台,求得伪距修正量或位置修正量,再将这个修正量实时或事后发送给用户,对用户的测量数据进行修正,以提高GNSS定位精度。

根据差分GNSS基准站发送的信息方式可将差分GNSS定位分为三类,即: 位置差分、伪距差分和相位差分。由于本文的验证平台采用单频接收设备,现主要以伪距差分作为基准差分手段[1]。

伪距校正是使用从地面站传来的未处理的伪距在机载处理器中计算完成。地面接收天线的位置是已知的,每颗卫星的位置可以利用50 Hz导航参数的星历轨道参数计算得到。因为地面接收天线的位置和SV的位置是已知的,所以可以计算SV和地面天线的真实几何距离[5]。

计算出每颗卫星的相关几何距离,并从相应的伪距测量中删减,以提高移动端的测量精度。并联合卫星时钟误差的处理。卫星时钟偏置校正依赖于使用GNSS接收机的类型。现在使用接收机的类型需要将卫星时钟校正加到伪距中。地面接收机时钟偏差的最终计算结果是存在于所有的伪距测量中。这是通过平均所有校正数据以及减去所计算的结果来消除偏差。伪距差分校正的最终表达式如式( 6) 所示。

式中 ρ 表示GNSS信号接收机测得的地面接收天线与卫星间的伪距; p0表示地面接收天线与卫星间的几何距离; Bsv表示卫星时钟偏差所引起的距离偏差; Bu表示接收机时钟偏差所引起的距离偏差。

所采用的GNSS数据是已经通过差分处理的大地坐标系下的经纬度数据。需要通过式( 7) 转换为空间直角坐标。

式( 7) 中,B、L、h分别为大地坐标系下表示的该位置点的纬度、经度和高度,m; N为地心到该位置点的空间距离,m; A为大地坐标系所采用椭球的长半轴,f为大地坐标系的第一偏心率平方。它们的取值分别为: A = 6 378 137 m,f = 0. 006 694 379 990 14;X、Y、Z为转换后得到的空间直角坐标。

通过式( 8) 将飞机的空间直角坐标转换为局域跑道坐标系。

式( 8) 中,( X-g,Y-g,Z-g) 为飞机相对于ILS跑道入口的坐标值,B0、L0是跑道入口的大地坐标; ( x,y,z) 为飞机实时位置的空间直角坐标; ( x0,y0,z0)为跑道入口的空间直角坐标。

2. 3 ILS、差分GNSS数据融合

应用无迹卡尔曼滤波的基本算法,在线性最小方差信息融合的准则下,提出了按照最优系数加权的方法融合导航数据的方法。

具体工作主要分为以下两步,对两组导航源的数据进行局部滤波,滤除数据中的噪声; 将局部滤波得到的数据通过矩阵加权的方式融合成一组新的航迹数据。上述处理方法可能会略微降低系统精度,但由于充分考虑了相关误差因子的权重和容限,使系统误差始终保持在允许范围内,同时,由于采用两个相互独立的导航源,使得系统的完好性和可用性大幅度提高。数据融合系统示意图如图3 所示。

图3 中,两个局部滤波器采用的是无迹卡尔曼滤波器,该滤波器以Unscented变换为基础,通过采样已知位置的少量粒子点的线性卡尔曼滤波器。由于选用确定性采样方法,使无迹卡尔曼滤波器与扩展卡尔曼滤波器算法虽然运算量基本相当,但其滤波效果优于扩展卡尔曼滤波器[6—8]。

系统模型函数为

在此函数中,状态X( k) ∈ Rn,ILS量测数据和RNP量测数据,输入噪声W( k) ∈ Rr和观测噪声分别是均值为零,方差为Qw和Ri的互不相关的高斯白噪声,V1( t) 和V2( t)互不相关。

这里i = 1,2 ,δtt= 1 ,δtk= 0( t ≠ k) 。

综上所述,本系统的数据处理过程如下。

第一步,需要用户状态的初步估计值和误差协方差矩阵的估计值,用^X( k k - 1 ) ,P( k k - 1 )表示。

第二步,计算卡尔曼增益,如式( 13) 所示。

基于当前的误差协方差和与测量有关的大量噪声,当前测量值被加权。K值越大表示测量噪声越小,因此其权重越大。K值越小表示测量中噪声越大,则其权重越小。

第三步,更新用户状态的加权测量估计值,如式( 14) 所示。

第四步,基于新的测量信息计算新的误差协方差矩阵,如式( 15) 所示。

P( k k) = [I - Kg( k) H]P( k k - 1)( 15)

若滤波器收敛,P矩阵的协方差增长越小,表示测量值越多估计值增长越好。重复执行第一步到第三步,最终,滤波器将达到稳定,协方差保持大致恒定。

经过上述实验,可以得到ILS数据和GNSS数据,在线性最小方差信息融合准则下,按照标量加权数据融合滤波器,可以得到为

式( 16) 中,融合系数 αi( i = 1,2) 可由下式得到

式( 17) 中,,α = [α1,α2],e =[1,1]T。其对应的数据融合滤波误差协方差矩阵P0s为

对于矩阵A中各元素的求解如下所示

因为两个数据源是相互独立的,所以,式( 20)中,Rij= 0 ,化简公式为

利用式( 19) 和式( 21) 可得矩阵A。

3 试飞验证结果及分析

在进近过程中,机组将主要注意力分配在飞行仪表上DOTS显示上,而DOTS值是通过水平精度和垂直精度间接而得。现主要研究差分GILS进近系统对于提高水平导航精度的作用。所采用的测试环境以MATLAB软件平台为基础。采用实验数据为某航空公司的波音737—800 飞机由深圳飞往武夷山03 号跑道的飞行数据,录取自于2014 年11 月至2015 年4 月。如图4 和图5 所示。

在图4 中,上图是ILS飞行数据误差,下图是GNSS飞行数据误差,上图的绿色飞行轨迹存在复飞作业,在融合ILS和GNSS数据的过程中,现只考虑其余三组数据。

为清晰对比数据融合前后的差异,图5 显示了其中一组ILS和GNSS数据航迹,以及KALMAN融合后的航迹。由于该组数据的选取具有随机性,则图5 可用于说明组合进近导航体制具有提高水平导航精度的能力。

4 结论

通过无迹卡尔曼滤波器来平滑GNSS和ILS的飞行数据,利用卡尔曼滤波器的融合算法将两组飞行数据拟合成一组精度和可靠性更高的飞行航迹。

跑道参考点RDP( runway datum point) 是指最终进近段中,距离航迹有一定相对高度的一个位置点,是仿真过程的原点。用字母D表示飞机位置距离RDP的水平距离( 单位: m) 。

通过分析实验的仿真结果,验证了RTCA245 文件中表2-1 的两条理论[2]。

( 1) 当291 < D ≤ 873 且水平误差小于或等于16 m( 95% ) 时,导航性能类型为I类。

( 2) 当0 < D ≤ 291 且水平误差小于或等于6. 9 m( 95% ) 时,导航性能类型为II类。

通过试飞验证,可知在距离跑道入口很近的地方,若仅通过差分GNSS的方法得到的航迹很有可能会超出局方限定阈值,而通过本文提出的差分GILS进近系统模型得到的航迹将不会超出阈值,该模型利用KALMAN滤波的方法,将ILS数据和差分GNSS的定位数据融合,提高了飞机的水平导航精度,可以将CAT I标准提升为类CAT II水平。

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精度导航定位 篇10

此研究报告刊登于《农业工程学报》2011年第3期，题为“基于GPS和机器视觉的组合导航定位方法”，第一作者为中国农业大学“现代精细农业系统集成研究”教育部重点实验室的硕士研究生陈艳。通信作者为张漫副教授，该研究为国家自然科学基金项目和国家“863”计划项目。

定位精度直接影响农业机械进行路径自动跟踪的质量。全球卫星定位系统(GPS)和机器视觉是自动导航系统中使用较多的两类传感器，农田中作物收割与未收割的边界有时并非直线，单独使用GPS进行导航，在确定导航基准线方面存在一定的误差;使用机器视觉进行此类作业，可以实时提取出当前作物行的特征信息，提高了定位的精度，但是单独使用机器视觉时，在图像处理过程中有时会出现漏检的情况;为了弥补单一传感器的不足，常采用多传感器组合进行导航定位。对多传感器信息进行融合时，常采用Kalman滤波算法，该方法可对研究对象过去、现在和将来的状态做出线性最优估计，比较适合动态环境中传感器信息的实时融合;但是Kalman滤波器是一种线性滤波器，对农业机械导航的非线性系统无法得到满意的效果;而UKF方法是根据Unscented变化 (无迹变换) 和卡尔曼滤波相结合得到的一种算法，该方法是对非线性函数的概率密度分布进行近似，用一系列确定样本来逼近状态的后验概率密度，UKF没有线性化忽略高阶项，因此非线性分布统计量的计算精度较高。

为了更好的改善农业机械的导航定位效果，研究者将GPS和摄像机两种传感器结合起来，并采用UKF滤波算法对采集到的信息进行融合。

该研究构建了一个基于GPS和机器视觉的多传感器组合导航定位系统。在此系统中，采用GPS获取导航车的绝对位置信息、航向角度和行驶速度;机器视觉通过图像处理获取导航基准线，并得到代表作物行特征的点;UKF滤波器用来对上述传感器获取的信息进行滤波，并以电瓶车为平台，对滤波前后的定位效果进行对比。试验结果表明，使用UKF滤波后的定位精度得到了改善，减少了定位数据的标准偏差，免了视觉信息丢失时导航无法进行的情况，提高了系统的稳定性。