基于滑动窗的积分多普勒伪距光滑算法研讨

更新时间:2019-03-04 文章来源:www.leijuncn.com 责任编辑:佚名 点击数:

20世纪80年月开端,HATCH R初次提出采取载波相位光滑伪距的方法来进步定位精度[1],此种方法能够在静态或低静态亚博比分中有用改良接受机的测距成果[2]。然而在高静态前提下,会遇到周跳成绩,且处置处分难度较大年夜大。

针对载波相位光滑伪距呈现周跳的成绩,国内别的学者研讨了坚固窗光滑伪距算法[3],坚固窗即只采用坚固的点数盘算一次。这类算法使用了多普勒频移不雅察值自力于载波相位不雅察值,不因载波相位产生周跳而发生变更[4-6]的原理,有用防止了处置周跳成绩,同时进步了定位精度。

关于坚固窗积分多普勒光滑伪距这类算法,在光滑进程中须要使用多普勒加权积累和取代多普勒积分,所发生的积累偏差会向光滑后的伪距引入偏向[7]。并且在高静态前提下,接受机所处情况庞杂多变。这类前提下采取坚固窗盘算光滑初值会将奇怪值包括到初值中且无奈剔除,终极将形成宏大年夜大的定位偏向。

针对上述成绩,本文提出了一种基于滑动窗盘算初值的积分多普勒伪距光滑算法,有用处置处分了坚固窗积分多普勒光滑伪距呈现的成绩。

1 积分多普勒伪距光滑原理剖析

因为多径噪声和接受机热噪声项对载波跟踪环惹起的相噪值在厘米级,只要伪码相噪值的1%[8],载波相位不都雅丈量精度高于伪码不都雅丈量两个数目级。为了进步伪距不都雅丈量的精度,同时使用积分多普勒在数值上表示为载波相位变更然而不受载波周跳影响的这一性子[9],本节研讨了积分多普勒伪距光滑算法,详细以下。

已知0时辰卫星s1的伪距为ρ(0),那么k时辰卫星s1的伪距ρ(k)为:

其中,fdoppler为多普勒频次。

2 滑动窗积分多普勒伪距光滑算法

本文上一节推导了任一时辰伪距ρ(k)基于积分多普勒的表白式。本节将基于此式推导基于滑动窗的积分多普勒伪距光滑公式。

起首,盘算光滑初值。关于任一时辰i,使用接下来较长一段时光的码相位不都雅丈量和积分多普勒值对当前时辰的伪距收场精估量[10]。假定用于精估量的历元个数为N,即盘算初始值的精估窗长度为N,则对i时辰的伪距精估量成果能够表现为:

式中,T为历元距离时光,ρ(i)为i时辰码相位不雅察伪距。因为接受机无奈供给持续时光域上的载波多普勒信息,在式中采取加权和的情势取代式(4)中的积分。

其次,算法使用i时辰精估量得出的伪距对后续伪距收场光滑处置,假定需处置的历元为i时辰后的第M个历元,设此时辰为k,则该历元时辰的伪距光滑成果可表现为:

随后将光滑伪距和码相位伪距收场加窗组合构成高精度伪距:

往后,当前不都雅丈量提取竣过后,精估窗口向后滑动一个历元,窗长度稳定,盘算第i+1时辰的初值,用新的精估量初值盘算第M+i+1时辰的光滑伪距。尔后时辰反复上述步调。

本算法每次获得新的伪距值都从新盘算光滑初值,从而有用处置处分了加权和积累偏差成绩和初值包括奇怪值的成绩。算法详细推行流程如图1所示。

3 试验与剖析

3.1 滑动窗异样值和积累偏差处置试验

积累偏差试验:采取本文的滑动窗算法与传统的坚固窗算法分辨对单点收场永劫光定位,其中传统的坚固窗初值窗长为100个历元,本文的滑动窗精估量窗长也为100个历元,对定位成果偏差收场比较剖析,详细如图2和图3所示。

从图中能够看出,跟着时光变长,传统的坚固窗算法定位偏差在积累增大年夜大,在丈量时光段内最大年夜大积累偏差到达了8 m,而滑动窗定位成果偏差仍然处于畸形程度,牢靠后程度偏差在6 m之内,高度偏差在10 m之内。

奇怪值处置试验:卫星号为6的卫星在第20 s的伪距上加偏差3 000 m,采取本文的滑动窗算法与传统的坚固窗算法分辨对单点收场永劫光定位,详细如图4和图5所示。

从图中能够看出,当伪距呈现跳变时,传统坚固窗算法定位呈现宏大年夜大方向,而滑动窗算法会跟着窗的滑动使定位偏差逐步回归畸形。在高静态场景中,因为情况庞杂,伪距不都雅丈量极易产生跳变,本文提出的滑动窗算法将极大年夜大地施展作用。

3.2 静态试验

静态试验试验时光为2018年1月15日,所在参考坐标为东经116.322 795 4°,北纬39.958 994°,高度为71 m,不雅察时光为180 s,数据输出频次为10 Hz。分辨对伪距光滑前后定位成果和测速成果收场比较剖析,图6~图8为光滑前后的接受机定位测速偏差。

从静态定位成果偏差比较图中能够看出,滑动窗算法有用地进步了定位精度。

3.3 静态试验

静态试验采取GPS卫星信号模仿器发生炮弹飞翔轨迹,使用高静态GPS导航接受机及时跟踪定位。炮弹发射初速率为80 m/s,最大年夜大过载40 g,初始点海拔高度为1 351 m,射程为10 km,发射仰角45°,标的目的角北偏东30°。采取接受机光滑前后的定位测速成果与模仿器原始弹道轨迹做比较,分辨盘算其偏差。

静态定位成果偏差比较图如图9~图11所示,从中能够看出,本文提出的滑动窗积分多普勒伪距光滑算法在高静态场景下一样能够有用晋升定位精度。

3.4 试验剖析

本文分辨以滑动窗异样值和积累偏差处置试验、静态试验和静态试验对本文提出的基于滑动窗的积分多普勒伪距光滑算法收场了剖析考证。

其中静态试验定位偏差均值如表1所示,静态试验定位偏差均值如表2所示。

须要阐明的是,本算法在定位进程的前期接受机处于伪距光滑的初始化阶段,其测速偏差及定位偏差显明大年夜大于伪距光滑实现后的对应成果。

从表中能够看出,不管是静态场景仍是静态场景,滑动窗积分多普勒伪距光滑算法均优于传统的坚固窗算法。

4 论断

本文研讨了基于滑动窗的积分多普勒伪距光滑算法,侧重处置处分了坚固窗多普勒伪距光滑算法的过错:用多普勒加权和取代多普勒积分扫除了积累偏差,处置处分了庞杂情况下光滑初值包括奇怪值的成绩。收场了积累偏差、异样值处置和静态定位试验,试验成果考证了本文算法优于传统的坚固窗算法。而且使用导航卫星信号模仿器,对本算法收场了模仿弹道轨迹的跟踪定位试验,成果表白,此算法在高静态前提下有用地晋升了定位精度,其中程度精度匀称晋升7 m,高度匀称晋升3.79 m,在ECEF坐标系下x、y、z 3个标的目的速率精度匀称晋升0.01 m/s、0.03 m/s、0.03 m/s。

参考文献

[1] HATCH R.The synergism of GPS code and carrier measurements[C].Proceedings of the Third International Geodetic Symposium on Satellite Doppler Positioning,Las Cruces,New Mexico,U.S.A.,1982,1:1213-1232.

[2] 周泽波,沈云中,李博峰.基于相位光滑伪距与多普勒数据的GPS静态定位[J].大年夜大地丈量与地球能源学,2008,28(3):59-63.

[3] 隋叶叶,杨小江,柳涛.载波相位光滑伪距算法研讨与精度剖析[J].电子工程设想,2013,21(8):112-115.

[4] 常志巧,郝金明,李俊义.使用多普勒不雅察检测周跳和粗差[J].测绘传递,2008(3):28-30.

[5] 王甫红,张小红,黄劲松.GPS单点测速的偏差剖析及精度评估[J].武汉大年夜大学学报(信息迷信版),2007,32(6):515-519.

[6] 李立言.高静态GNS信号处置及解算要害技巧研讨[D].杭州:浙江大年夜大学,2012.

[7] 谢钢.GPS原理与接受机设想[M].北京:电子家当出书社,2011.

[8] JAY A.Fattel,Aided Navigation,GPS with high rate sensors[M]. McGraw Hill,2008.

[9] 金磊,陈帅,刘亚玲,等.基于积分多普勒光滑伪距的导航算法研讨[J].航天把持,2015,33(1):61-65.

[10] 孙伟,段顺遂.GPS多普勒伪距光滑定位与测速方法[J].测绘迷信,2016,41(12):81-84.

作者信息:

殷 彪,耿生群,赵 昀

(北京航空航天大年夜大学 电子信息工程学院,北京100191)

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