摘? ? 要：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）輔助地基偽衛(wèi)星定位的主要目的是解決工程實(shí)際應(yīng)用中的一些問題。在地基偽衛(wèi)星應(yīng)用于碼頭港口等環(huán)境較為復(fù)雜的場景時，因?yàn)榛揪嚯x地面較近，多徑現(xiàn)象較為嚴(yán)重，給固定整周模糊度帶來了困難，無法得到準(zhǔn)確的初始值。以GNSS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位模式為參考，對GNSS輔助偽衛(wèi)星系統(tǒng)定位初始值的工作方案進(jìn)行了研究，比較了算術(shù)平均值濾波、中值濾波等常用一階數(shù)字濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過分析多組GNSS靜態(tài)定位的誤差，設(shè)計(jì)了一種二階數(shù)字濾波器。試驗(yàn)結(jié)果表明，二階濾波器的濾波效果達(dá)到了偽衛(wèi)星初始值定位的精度要求，能夠在工程上解決偽衛(wèi)星的初始值問題。

關(guān)鍵詞：GNSS輔助偽衛(wèi)星系統(tǒng);慣性導(dǎo)航系統(tǒng);初始值;二階數(shù)字濾波器

中圖分類號：TN713;TP273? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2020）04-0036-07

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS，簡稱“慣導(dǎo)系統(tǒng)）是本世紀(jì)初發(fā)展起來的導(dǎo)航技術(shù)，具有自主性強(qiáng)，不受環(huán)境、載體本身的運(yùn)動和無線電的干擾，可輸出全部導(dǎo)航參數(shù)，實(shí)時數(shù)據(jù)更新率高，短期的精度和穩(wěn)定性出色等特點(diǎn)。[1]由于慣導(dǎo)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)，加上高精度的慣導(dǎo)設(shè)備的價(jià)格逐步降低，其目前已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域。INS的工作模式主要是通過高精度陀螺儀傳感器得到的加速度和角速度積分獲取位置、速度、姿態(tài)等參數(shù)，這些參數(shù)的誤差會隨著導(dǎo)航時間的延長而累積，經(jīng)過一段時間后變得完全無法使用。而全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的誤差不會隨著時間的延長而變化，而且在GNSS信號受到遮擋時，短時間內(nèi)慣導(dǎo)系統(tǒng)可以提供精度足夠的定位結(jié)果。因此，GNSS與慣導(dǎo)系統(tǒng)的組合成為許多慣導(dǎo)系統(tǒng)提高自身性能的選擇。

根據(jù)使用的觀測值以及GNSS與INS相互輔助關(guān)系的不同，GPS/INS的組合模式主要分為三種：基于GNSS導(dǎo)出的位置速度的松組合、基于GNSS原始觀測值的緊組合和INS輔助GNSS的深組合。[2]松組合是GNSS與INS最簡單的組合模式。INS與GNSS各自獨(dú)立工作然后將導(dǎo)航的位置差和速度差作為組合濾波的輸入函數(shù)。松組合方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)，可以提高定位連續(xù)性和穩(wěn)定性。但若長時間無法接收到4顆GNSS衛(wèi)星，則無法得到GNSS的導(dǎo)航信息來對濾波器進(jìn)行更新，整體導(dǎo)航性能就會累積誤差而變得很差。緊組合模式相比松組合是一種相對復(fù)雜的組合模式，它在GNSS可見衛(wèi)星數(shù)目少于4顆但不少于1顆的情況下，仍可輸入觀測值到濾波器進(jìn)行更新，從而限制INS的誤差積累，擁有更好的定位精度和穩(wěn)定性，因此更加適合城市、峽谷等衛(wèi)星容易遮擋的應(yīng)用場景。不過緊組合定位需要建立比松組合更加復(fù)雜的系統(tǒng)模型和觀測模型，計(jì)算量更大，濾波器的收斂速度會較慢。深組合則使用INS輸出經(jīng)過修正的導(dǎo)航參數(shù)來輔助GNSS跟蹤環(huán)路，是一種在硬件層面更深層次的組合方式，具備強(qiáng)大的動態(tài)性能和抗干擾能力，更多用于軍事領(lǐng)域。

GNSS/INS作為GNSS輔助其他定位系統(tǒng)的一個典型應(yīng)用，對GNSS輔助地基偽衛(wèi)星的初值定位的組合模式起到了參考作用。GNSS輔助偽衛(wèi)星初始值定位的精度會直接影響偽衛(wèi)星后續(xù)定位的精度，在設(shè)計(jì)定位初值的組合模式時，需要采用數(shù)字濾波器提高初始值的精度，進(jìn)而提高整個系統(tǒng)的定位精度。筆者擬在比較算術(shù)平均值濾波、中值濾波等常用一階數(shù)字濾波器優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種能滿足偽衛(wèi)星初始值精度要求的二階數(shù)字濾波器，并在試驗(yàn)平臺比較驗(yàn)證其有效性。

1? 偽衛(wèi)星初始值

GNSS和偽衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度定位的關(guān)鍵技術(shù)就是載波相位整周模糊度的固定。只有正確獲取模糊度的整數(shù)解，載波相位觀測量才可以成為用于定位解算的高精度測量值。[3]整周模糊度的求解通常分為兩步進(jìn)行：（1）通過一定的算法求解出整周模糊度;（2）驗(yàn)證所得到的整周模糊度的準(zhǔn)確性。GNSS的整周模糊度有多種方法用于固定，常用的靜態(tài)觀測法是將接收機(jī)放在一個固定的位置上，經(jīng)過多歷元的觀測，當(dāng)觀測量達(dá)到一定程度就可通過載波相位觀測方程實(shí)現(xiàn)對整周模糊度的計(jì)算。靜態(tài)觀測法的運(yùn)用需要建立在衛(wèi)星不同歷元的運(yùn)動使得構(gòu)建的載波相位方程不共線的基礎(chǔ)上。由于偽衛(wèi)星的基站是固定不動的，幾何多樣性不足，因此無法使用靜態(tài)觀測法進(jìn)行整周模糊度的固定。另一種GNSS解決整周模糊度的在航解算法，因?yàn)閭涡l(wèi)星的基站距離地面高度不高，多徑效應(yīng)比GNSS嚴(yán)重很多，使得整周模糊度的固定極為困難。由于這些原因，工程應(yīng)用中地基偽衛(wèi)星系統(tǒng)通常采用靜態(tài)初始化法（Known Point Initialization，KPI）來固定整周模糊度。

1.1? 靜態(tài)初始化法

靜態(tài)初始化法（Known Point Initialization，KPI）是接收機(jī)在地面固定且基站固定不動的前提下，測定接收機(jī)的具體坐標(biāo)，計(jì)算出接收機(jī)與基站的距離，并帶入觀測方程解出整周模糊度的方法。為了消除接收機(jī)的時鐘誤差，地基偽衛(wèi)星使用了單差分技術(shù)。在式（1）和（2）中，對流層誤差通過了一個校正模型來擬合，假設(shè)以接收機(jī)接收基站[i]的信號作為參考信號，接收到節(jié)點(diǎn)[j]的為另一組信號，則單差分方程由式（1）與（2）相減所得，如式（3）所示。

假設(shè)接收機(jī)在[t]時刻的坐標(biāo)為[xut，yut，zut，]兩個基站的坐標(biāo)分別是[xi，yi，zi，][xj，yj，zj]。式中[ρij]代表距離差，如式（4）所示。

其中：[ΔNij]表示單差模糊度，[τijt]表示對流層延時的差值，[v=εi-εj]是噪音誤差的差值。接收機(jī)的坐標(biāo)是已知的，所以當(dāng)忽略噪聲和使用模型修正過對流層誤差后，可以算出[ΔNij]，如式（5）所示。

由式（5）可以看出，當(dāng)測定的接收機(jī)坐標(biāo)越接近真實(shí)值，解算出的整周模糊度就越準(zhǔn)確，偽衛(wèi)星的定位精度也就更高。所以，一個高精度的初始值是地基偽衛(wèi)星系統(tǒng)性能的保障。在應(yīng)用中，偽衛(wèi)星的初始值也都是經(jīng)過精確測量后輸入系統(tǒng)的。

1.2? ?初始值的獲取

在工程實(shí)際應(yīng)用中，每次定位前都人為地對接收機(jī)的精確坐標(biāo)進(jìn)行測算，是不符合工程實(shí)際需求的。因?yàn)榻邮諜C(jī)的位置不一定方便進(jìn)行測量，而且每次使用都進(jìn)行初始值的測量也影響產(chǎn)品的使用體驗(yàn)。參考GNSS/INS組合定位模式，GNSS輔助INS可以很好地彌補(bǔ)INS隨著時間的增加誤差不斷累積的缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的精度。在地基偽衛(wèi)星的應(yīng)用中，GNSS的多徑效應(yīng)沒有地基偽衛(wèi)星嚴(yán)重，整周模糊度的解算難度相較偽衛(wèi)星成功率更高，而且GNSS短時間內(nèi)的靜態(tài)定位精度可以達(dá)到厘米級。因此，可以利用GNSS測定地基偽衛(wèi)星接收機(jī)的位置，對測定的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后作為地基偽衛(wèi)星的初始值輸入系統(tǒng)，最終解算出地基偽衛(wèi)星的整周模糊度，讓地基偽衛(wèi)星成功開始定位。給定初始值后，即使GNSS出現(xiàn)可見星數(shù)不足導(dǎo)致精度不夠的問題，也不會影響偽衛(wèi)星的精度。而且在組合定位成為地基偽衛(wèi)星研究重點(diǎn)的現(xiàn)在，系統(tǒng)融合GNSS不會在工程上有困難。所以，GNSS輔助地基偽衛(wèi)星獲取初始值可以成為一個符合工程實(shí)際應(yīng)用的解決方案。

2? ? GNSS輔助偽衛(wèi)星初始值定位方案

2.1? 組合方式

在確定了GNSS輔助偽衛(wèi)星的方案后，對GNSS與地基偽衛(wèi)星定位初始值的組合模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。組合方式如圖1所示。

GNSS輔助地基偽衛(wèi)星初始值定位過程需要在系統(tǒng)運(yùn)行之后，先保證偽衛(wèi)星接收機(jī)處于靜止不動的狀態(tài);偽衛(wèi)星系統(tǒng)會等待GNSS發(fā)送定位初始值和可開始定位的標(biāo)志位;在GNSS獲取到足夠多的定位初始值之后，將多組數(shù)據(jù)輸入到數(shù)字濾波器進(jìn)行處理，再將濾波后的結(jié)果和可開始定位的標(biāo)志位發(fā)送給偽衛(wèi)星定位解算模塊，偽衛(wèi)星的定位解算模塊接收到初始值后，使用靜態(tài)初始化法進(jìn)行整周模糊度的解算;在解算出整周模糊度后，偽衛(wèi)星接收機(jī)便可開始運(yùn)行，進(jìn)行動態(tài)定位。

2.2? 數(shù)字濾波器

使用靜態(tài)初始化法進(jìn)行整周模糊度的解算對初始值的精度要求較高。雖然GNSS的靜態(tài)定位精度可以達(dá)到厘米級，但是為了獲取更加準(zhǔn)確的初始值，既需消除一些硬件噪聲和環(huán)境的電磁干擾對定位結(jié)果的影響，還需對GNSS的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波之后再作為偽衛(wèi)星初始值。為了得到更為精確的初始值，提高整個系統(tǒng)的定位精度，下文將比較算術(shù)平均值濾波、中值濾波等常用一階數(shù)字濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過分析多組GNSS靜態(tài)定位的誤差，設(shè)計(jì)一種能達(dá)到偽衛(wèi)星定位初始值精度要求的二階數(shù)字濾波器。

2.2.1算術(shù)平均值濾波

算術(shù)平均值濾波是最為常用的數(shù)字濾波器，算法原理是按照輸入的[N]個采樣數(shù)據(jù)[xi=i=1～N]，尋找一個[y]，使[y]與各個采樣值的偏差平方和最小，公式為：

通過式（6）求極值可以得出[y=i=1Nxi/N]，與采樣值的算術(shù)平均值的算法公式相同，這個方法是將[N]次采樣值相加，取其算術(shù)平均值作為采樣值。

隨機(jī)干擾信號的特點(diǎn)是在某一數(shù)值附近范圍作上下波動，如果僅采用一次采樣的值作為最終的結(jié)果顯然是不準(zhǔn)確的，工程上通常采用算術(shù)平均值濾除隨機(jī)干擾信號。但是算術(shù)平均濾波器輸出會引入脈沖帶來的誤差，無法有效濾除脈沖性干擾，因此，不適合脈沖干擾嚴(yán)重的場合。算術(shù)平均濾波器對信號的平滑程度取決于[N]。當(dāng)[N]較大時，平滑度高，但靈敏度低，外界信號的變化對測量結(jié)果[Y]影響小;當(dāng)[N]較小時，平滑度低，但靈敏度高。[4]對于偽衛(wèi)星系統(tǒng)初始值來說，只需要輸出一組定位結(jié)果，對濾波算法的靈敏度沒有要求。所以，偽衛(wèi)星初始值定位選用算術(shù)平均值濾波器，將[N]設(shè)為能采集到的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。

2.2.2中值濾波

中值濾波是對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣[N]次（[N]一般為奇數(shù)），然后將[N]次采樣的值按照大小進(jìn)行排序，在重新排列的序列中取其中間值作為本次采樣值。設(shè)有采樣值序列[x1，x2，…xi]，長度為[N]，計(jì)算方法如下。

（1）首先利用排序算法將序列[xi]重新排列，生成新的序列為[y1，y2，…yi]。

（2）計(jì)算[N/2]的值。若能夠整除，說明[N]為偶數(shù);若不能夠整除，則對[N/2]進(jìn)行取商的運(yùn)算，將[N/2]的值記為[k]。

（3）當(dāng)[N]為偶數(shù)時，最終輸出值[z=yk+yk+1/2];當(dāng)[N]為奇數(shù)時，最終輸出值[z=yk]。[5]

中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動，或者采樣器硬件本身不穩(wěn)定所造成的誤差而引起的脈沖干擾比較有效。對于偽衛(wèi)星初始值定位的濾波而言，是一個具有可用性的數(shù)字濾波器。

2.2.3二階濾波

二階數(shù)字濾波器應(yīng)用于GNSS輔助偽衛(wèi)星系統(tǒng)初始定位中，也稱為偽衛(wèi)星初值濾波器，其濾波流程如圖2所示。[6]GNSS將靜態(tài)定位結(jié)果輸入到算術(shù)平均值濾波器內(nèi)，算術(shù)平均值濾波器的[N]設(shè)為10，在收集到10組定位結(jié)果后，將濾波值輸入到二階中值濾波器內(nèi)，中值濾波器的[N]也設(shè)置為10。在中值濾波器也進(jìn)行了濾波之后，將濾波值作為定位初始值輸入到偽衛(wèi)星系統(tǒng)中。得到一個濾波后的定位初始值，需要100組GNSS靜態(tài)定位的值。GNSS設(shè)定為每5 s將一個定位值輸入到濾波器內(nèi)。通過計(jì)算可知，得到初始值的時間為500 s，再加上GNSS捕獲跟蹤信號所需要的時間（一般不超過30 s），得到一個高精度的定位初始值的時間不會超過600 s。這個時間在高精度定位領(lǐng)域是可以接受的。

3? ? 試驗(yàn)與分析

為了實(shí)測二階濾波器與常用一階濾波器的濾波效果，對二階濾波器（偽衛(wèi)星初值濾波器）、算術(shù)平均值濾波器、中值濾波器的濾波效果在10個測試地點(diǎn)進(jìn)行了測試。對濾波后的定位結(jié)果與真實(shí)坐標(biāo)的差值做出了統(tǒng)計(jì)，圖3、圖4、圖5給出了3種數(shù)字濾波后定位結(jié)果的誤差。

從圖3、圖4、圖5可以看出： 二階濾波器濾波結(jié)果的誤差在大部分的測試點(diǎn)都表現(xiàn)比另外兩種一階數(shù)字濾波器的誤差更小，在個別測試點(diǎn)的誤差會比另外兩種一階濾波器稍大?？傮w上，二階濾波器的濾波效果達(dá)到了偽衛(wèi)星初始值定位的精度要求，能夠在工程上解決偽衛(wèi)星的初始值問題。

4? ?結(jié)語

為了解決地基偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)由于多徑效應(yīng)引起的初始值定位困難問題，按照GNSS的整周模糊度解算原理并參考了GNSS與INS的組合定位方式，提出了GNSS輔助偽衛(wèi)星初始值定位的方案。初始值的精度會影響偽衛(wèi)星后續(xù)定位的精度，對GNSS定位結(jié)果進(jìn)行二階濾波相較于常用的一階濾波可以提高初始值的精度，進(jìn)而提高整個系統(tǒng)的定位精度。GNSS輔助偽衛(wèi)星系統(tǒng)的組合不但在工程上解決了定位初始值問題，提高了偽衛(wèi)星系統(tǒng)的實(shí)用性，也為后續(xù)兩個系統(tǒng)的組合定位奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 劉帥. GPS/INS組合導(dǎo)航算法研究與實(shí)現(xiàn)[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2012.

[3] 匡宇龍，王玲，樂樂.地基偽衛(wèi)星單歷元三頻組合逐級模糊度解算方法[J].全球定位系統(tǒng)，2020（2）：44-48.

[4] 崔建偉.基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字濾波器、傾角傳感器設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.

[5] 牛秀琴.幾種改進(jìn)的中值濾波算法研究[D].成都：四川師范大學(xué)，2012.

[6] 高端陽，李安，傅軍.一種指數(shù)漸消記憶加權(quán)濾波的內(nèi)交點(diǎn)定位算法[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2018（3）：299-304.

責(zé)任編輯? ? 張志釗