CN111896981A - 一种低轨导航增强定位性能评估系统和方法 - Google Patents

一种低轨导航增强定位性能评估系统和方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种低轨导航增强定位性能评估系统和方法。该系统包括GNSS天线、功率分配器、RTK接收机、低轨导航增强接收机、数据处理设备以及目标设备；其中，GNSS天线安装在目标设备上，GNSS天线的输出端连接功率分配器的输入端，功率分配器的两个输出端分别与RTK接收机和低轨导航增强接收机的输入端相连接；RTK接收机和低轨导航增强接收机的输出端分别连接到数据处理设备上。本申请通过RTK接收机和低轨导航增强接收机共用天线的零基线设计，借助当前RTK接收机的高精度实现了对低轨导航增强接收机定位精度的评估，摆脱了对地面基准点的测试依赖并解决了动态环境模式下的定位精度测试难题，为后续低轨导航增强系统在各领域的应用推广提供了支撑。

Description

一种低轨导航增强定位性能评估系统和方法
技术领域
本发明涉及导航系统定位性能评估领域，尤其涉及一种低轨导航增强定位性能评估系统和方法。
背景技术
随着航天科技的不断发展，以及人们对导航需求的不断提高，低轨导航增强技术凭借其精度高、收敛速度快等优点已成为导航领域当前争相研究的项目，国内外很多大公司和机构都在低轨导航增强领域进行了规划和布局。高精度定位导航具有广泛和深远的应用市场和前景，可以应用在车辆、航天、精密农业、军事等重要的行业或领域。
传统导航系统的定位性能评估有两种方法：一是采用系统间对比校验的方式，比如通过GPS的定位结果校验BD的定位结果，但双方定位精度都是米级，无法完成绝对精度评估；二是采用同一地点多次测量对比结果，计算内符合精度，无法得到绝对精度。
未来低轨导航增强系统致力于为用户提供快速厘米级的定位服务，如何准确进行低轨导航增强定位性能指标测试，是低轨导航系统未来投入使用为国民经济服务的关键。
发明内容
为了解决上述至少一个技术问题，本申请一方面提供了一种低轨导航增强定位性能评估系统，另一方面提供了一种低轨导航增强定位性能评估系统的控制方法。
根据本申请的一方面，提供了一种低轨导航增强定位性能评估系统，该系统包括GNSS天线、功率分配器、RTK接收机、低轨导航增强接收机、数据处理设备以及目标设备；其中，
所述GNSS天线安装在所述目标设备上，所述GNSS天线的输出端连接所述功率分配器的输入端，所述功率分配器的两个输出端分别与所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机的输入端相连接；所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机的输出端分别连接到所述数据处理设备上；
所述GNSS天线将所接收的来自低轨导航增强系统的信号传输到所述功率分配器，所述功率分配器将来自所述GNSS天线的信号转换成两路信号，并将该两路信号分别单独地传输到所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机；
所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机对各自收到的信号进行处理，并将处理后的数据传输至所述数据处理设备；
所述数据处理设备对来自所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机的所述数据进行处理，得出所述低轨导航增强系统的收敛时间和定位精度。
优选地，在所述功率分配器和所述GNSS天线之间加装低噪放。
优选地，所述GNSS天线安装在所述目标设备的顶部，并且安装位置至少高于地面1米。
根据本申请的另一方面，提供了一种对上述系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
S1、对所述RTK接收机定位性能进行标定；
S2、测量所述目标设备的静态定位精度和收敛时间；以及
S3、测量所述目标设备的动态定位精度和收敛时间。
在一些实施例中，所述步骤S1包括：将所述RTK接收机架设在基准站控制点或者已知坐标点；设置所述RTK接收机为单基站RTK模式工作，初始化完成后，采集多组定位结果，每组测试后重新开机进行初始化；对定位结果进行计算，得到的所述RTK接收机的定位精度；将所述定位精度与所述RTK接收机的设备标定值对比，所述定位精度需要满足以下条件：水平定位精度<3毫米(RMS)；垂直定位精度<5毫米(RMS)。
在一些实施例中，所述步骤S2包括：对所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机同时加电，所述低轨导航增强接收机定位结果收敛后采集多个时刻的定位数据，获取所述RTK接收机的定位结果数据，并统计所有数据，计算低轨导航增强系统置信度为95％的定位精度和均方根误差。记录所述低轨导航增强接收机开机时间，并记录所述低轨导航增强接收机收敛时间，收敛判断标准为：连续10个历元定位误差小于10厘米，历元时间间隔30秒。
在一些实施例中，所述步骤S3包括：将所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机冷开机，测试以不同速度运动的所述目标设备，每次测试30分钟以上，采集该时间段内的动态定位结果，统计所述低轨导航增强接收机收敛后定位结果；获取每次低轨导航增强接收机收敛时间，收敛判断标准为：连续10个历元定位结果与所述RTK接收机定位结果相差不到10厘米。
本申请各实施例所提供的技术方案，通过RTK导航接收机和低轨导航增强接收机共用天线的零基线设计，借助当前RTK接收机的高精度实现了对低轨导航增强接收机定位精度的评估，摆脱了对地面基准点的测试依赖并解决了动态环境模式下的定位精度测试难题。为后续低轨导航增强系统在各领域的应用推广提供了支撑。
附图说明
图1是根据本申请一方面提供的一种低轨导航增强定位性能评估系统的示意图；
图2是根据本申请另一方面提供的一种低轨导航增强定位性能评估系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本申请进行进一步的说明。所描述的实施例不应视为对本申请的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接或活动连接，也可以是可拆卸连接或不可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通、间接连通或两个元件的相互作用关系。
根据本申请的一方面，如图1所示，提供了一种低轨导航增强定位性能评估系统10，该系统10包括GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)天线101、低噪放(Low-noise Amplifier)102(图中未示出)、功率分配器103、RTK(Real-timeKinematic)接收机104、低轨导航增强接收机105、数据处理设备106以及目标设备107。
在系统10中，GNSS天线101安装在目标设备107上。GNSS天线101的输出端连接功率分配器103的输入端。功率分配器103的两个输出端分别与RTK接收机104和低轨导航增强接收机105的输入端相连接。RTK接收机104和低轨导航增强接收机105的输出端分别连接到数据处理设备106上。在本申请的一些实施例中，低噪放102(图中未示出)、功率分配器103、RTK接收机104、低轨导航增强接收机105和数据处理设备106中的任一个或多个装置或设备可以设置在目标设备107上跟随目标设备107一起移动。
GNSS天线101将所接收的来自低轨导航增强系统的信号传输到功率分配器103，功率分配器103将来自GNSS天线101的信号转换成两路信号，并将该两路信号分别单独地传输到RTK接收机104和低轨导航增强接收机105。
RTK接收机104和低轨导航增强接收机105对各自收到的信号进行处理，并将处理后的数据传输至数据处理设备106。数据处理设备106对来自RTK接收机104和低轨导航增强接收机105的数据进行处理，最终得出评估低轨导航增强定位的收敛时间和定位精度。
在本申请的一些实施例中，数据处理设备106可以是智能手机、平板电脑、个人台式机、笔记本电脑、上网本、手持电子装置，智能穿戴装置等，也可以是云端或本地服务器。
在本申请的一些实施例中，目标设备107可以是汽车、飞机、无人机、电动车等有导航需求或可以搭载导航装置的可移动设备。
在本申请的一些实施例中，在功率分配器103和GNSS天线101之间加装低噪放102。
在本申请的一些实施例中，GNSS天线101安装在目标设备107的顶部，且安装位置至少高于地面1米。
根据本申请的另一方面，还提供了一种低轨导航增强定位性能评估系统的控制方法，如图1和2所示，该方法包括以下步骤：
S1：RTK接收机104定位性能标定步骤，即，将RTK接收机104放置于基准位置以用于对RTK接收机104进行标定，具体参见下述S101到S103；将定位结果与基准位置的坐标进行对比，以保证RTK接收机104的精度满足要求；
S2：静态定位精度和收敛时间测试步骤，即，将目标设备107移动至空旷区域，保持静止状态，并对RTK接收机104和低轨导航增强接收机105同时加电，RTK接收机104和低轨导航增强接收机105将所采集的静态数据传输至数据处理设备106，数据处理设备106计算出静态定位精度(包括静态测量水平精度和静态测量垂直精度)及收敛时间；
S3：动态定位精度和收敛时间测试步骤，即，将目标设备107在空旷区域内以不同的速度移动，并对RTK接收机104和低轨导航增强接收机105同时加电，RTK接收机104和低轨导航增强接收机105将所采集的动态数据传输至数据处理设备106，数据处理设备106统计出目标设备的定位结果，并计算出动态定位精度(即在这段时间内定位结果的均方根误差)及收敛时间。
在本申请的一些实施例中，S1步骤还可以包括：
S101：将RTK接收机104架设在基准站控制点或者其他已知坐标点；
S102：RTK接收机104进行单基站RTK模式工作，与基准站距离小于5公里，初始化完成后，采集100个以上定位结果，采样间隔设置10秒，共进行10组测试，每组测试后重新开机进行初始化。
Figure BDA0002568250230000041
Figure BDA0002568250230000042
式中，RMSh为RTK接收机104测量水平精度，RMSv为RTK接收机104测量垂直精度；N0、E0、U0为测试点已知坐标的北、东、高坐标，Ni、Ei、Ui为RTK接收机第i个定位结果的北、东、高坐标，i＝1～100。
S103：将测量得到的RTK接收机104定位精度与RTK接收机设备标定值对比，其中定位精度指标为：水平定位精度<3毫米(RMS)；垂直定位精度<5毫米(RMS)。
在本申请的一些实施例中，S2步骤还可以包括：
S201：在选择空旷场地时，需满足以下任一项或多项条件：(1)静态测试点远离高压输电线路和微波无线电传输通道，至少保持不小于50米的距离；(2)远离大功率无线电发射源，至少保持不小于200米的距离；(3)视野内障碍物高度角不超过15度，周围无强烈反射卫星信号的物体，如大型建筑物、水面等。
S202：在静态模式下的定位精度测试，每次测量时需对RTK接收机104和低轨导航增强接收机105同时加电，低轨导航增强接收机105定位结果收敛后采集50个时刻的定位数据，采集时间间隔为30秒；在每个静态测试点重复测量20次，总共进行20个静态测试点，获取RTK接收机104的定位结果数据，并统计所有数据，计算低轨导航增强系统置信度为95％的定位精度和均方根误差。均方根误差计算公式如下：
Figure BDA0002568250230000051
Figure BDA0002568250230000052
式中，RMSH_LeoStatic为低轨导航增强接收机静态测量水平精度，RMSV_LeoStatic为低轨导航增强接收机静态测量垂直精度；NiRTK、EiRTK、UiRTK为第i个测试点RTK接收机104测量坐标的北、东、高坐标平均值，Nijk_leo、Eijk_leo、Uijk_leo为低轨导航增强接收机105第i个测试点第j次测量的第k个采集时刻定位结果的北、东、高坐标，i＝1～20，j＝1～20，k＝1～50。
置信度为95％的定位精度统计方法如下：
将低轨导航增强接收机105定位结果与RTK接收机104在该测试点定位平均值做差，得到三方向定位偏差ΔNm、ΔEm、ΔUm，计算公式如下：
ΔNm＝Nijk_leo-NiRTK
ΔEm＝Eijk_leo-EiRTK
ΔUm＝Uijk_leo-UiRTK
NiRTK、EiRTK、UiRTK为第i个测试点RTK接收机104测量坐标的北、东、高坐标平均值，Nijk_leo、Eijk_leo、Uijk_leo为低轨导航增强接收机105第i个测试点第j次测量的第k个采集时刻定位结果的北、东、高坐标，i＝1～20，j＝1～20，k＝1～50，m＝(i-1)*1000+(j-1)*50+k＝1～20000；
该时刻平面偏差为
Figure BDA0002568250230000061
将集合{ΔHm}元素按照从小到大的顺序得到有序集合{δHm}，取20000*95％＝19000处的数值即为置信度95％的水平精度，置信度95％垂直精度计算类似。
S203：在静态模式下的收敛时间测试，在每个测试点进行静态定位测试20次，记录低轨导航增强接收机开机时间，记录低轨导航增强接收机收敛时间，收敛判断标准为：连续10个历元定位误差小于10厘米，历元时间间隔30秒；选择20个测试点，所有测试结束后统计400次收敛时间求平均，平均值为低轨导航增强接收机静态模式下收敛时间。
计算公式如下：
Figure BDA0002568250230000062
式中，Tclose为收敛时间，tk为每次收敛时间。
在本申请的一些实施例中，S3步骤还可以包括：
步骤S301：在动态模式下的定位精度测试，每次测试目标设备以不同速度运动，例如目标设备为汽车，汽车的运动速度随机在30～120公里/小时之间，RTK接收机104和低轨导航增强接收机105冷开机，每次测试30分钟以上，采集该时间段内的动态定位结果，采样时间间隔为10秒，重复测试10次，统计低轨导航增强接收机收敛后定位结果。
均方根误差计算公式为：
Figure BDA0002568250230000063
Figure BDA0002568250230000064
式中，RMSH_LeoDynamic为低轨导航增强接收机动态测量水平精度，RMSV_LeoDynamic为低轨导航增强接收机动态测量垂直精度；NijRTK、EijRTK、UijRTK为第i次测试第j时刻RTK接收机测量坐标的北、东、高坐标平均值，Nij_leo、Eij_leo、Uij_leo为低轨导航增强接收机第i个测试第j时刻定位结果的北、东、高坐标，N为每次采集的时刻数，N＝30*60/10＝180；i＝1～10，j＝1～N。
置信度为95％的定位精度统计方法如下：
将收敛后低轨导航增强接收机105的定位结果与同时刻RTK接收机104的定位结果做差，得到三方向定位偏差ΔNij、ΔEij、ΔUij，计算公式如下：
ΔNij＝Nij_leo-NijRTK
ΔEij＝Eij_leo-EijRTK
ΔUij＝Uij_leo-UijRTK
NijRTK、EijRTK、UijRTK为第i次测试第j时刻RTK接收机测量坐标的北、东、高坐标平均值，Nij_leo、Eij_leo、Uij_leo为低轨导航增强接收机第i个测试第j时刻定位结果的北、东、高坐标，N为每次采集的时刻数，N＝30*60/10＝180；i＝1～10，j＝1～N。
平面偏差为
Figure BDA0002568250230000071
将集合{ΔHij}元素按照从小到大的顺序得到有序集合{δHij}，取1800*95％处的数值即为置信度95％的水平精度，置信度95％垂直精度计算类似。
S302：在动态模式下的收敛时间测试，每次测试目标设备以不同速度运动，例如目标设备为汽车，汽车的运动速度随机30～120公里/小时之间，设备冷开机，每次测试10分钟以上，动态定位结果采样时间间隔为10秒，重复测试50次，通过时候分析，统计50次测试每次低轨导航增强接收机收敛时间，收敛判断标准为：连续十个历元定位结果与RTK接收机定位结果相差不到10厘米，50次收敛时间求平均，得低轨导航增强接收机动态模式收敛时间，计算公式如下。
Figure BDA0002568250230000072
式中，Tclose为收敛时间，tk为每次收敛时间。
本申请实施例所提供的技术方案，通过RTK导航接收机和低轨导航增强接收机共用天线的零基线设计，借助当前RTK接收机的高精度实现了对低轨导航增强接收机定位精度的评估，摆脱了对地面基准点的测试依赖并解决了动态环境模式下的定位精度测试难题。为后续低轨导航增强系统在各领域的应用推广提供了支撑。
以上所描述的实施例仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、装置可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种低轨导航增强定位性能评估系统，该系统包括GNSS天线、功率分配器、RTK接收机、低轨导航增强接收机、数据处理设备以及目标设备；其中，
所述GNSS天线安装在所述目标设备上，所述GNSS天线的输出端连接所述功率分配器的输入端，所述功率分配器的两个输出端分别与所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机的输入端相连接；所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机的输出端分别连接到所述数据处理设备上；
所述GNSS天线将所接收的来自低轨导航增强系统的信号传输到所述功率分配器，所述功率分配器将来自所述GNSS天线的信号转换成两路信号，并将该两路信号分别单独地传输到所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机；
所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机对各自收到的信号进行处理，并将处理后的数据传输至所述数据处理设备；
所述数据处理设备对来自所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机的所述数据进行处理，得出所述低轨导航增强系统的收敛时间和定位精度。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述功率分配器和所述GNSS天线之间加装低噪放。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述GNSS天线安装在所述目标设备的顶部，并且安装位置至少高于地面1米。
4.一种如权利要求1所述的系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
S1、对所述RTK接收机定位性能进行标定；
S2、测量所述目标设备的静态定位精度和收敛时间；以及
S3、测量所述目标设备的动态定位精度和收敛时间。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
将所述RTK接收机架设在基准站控制点或者已知坐标点；
设置所述RTK接收机为单基站RTK模式工作，初始化完成后，采集多组定位结果，每组测试后重新开机进行初始化；
对定位结果进行计算，得到的所述RTK接收机的定位精度；
将所述定位精度与所述RTK接收机的设备标定值对比，所述定位精度需要满足以下条件：水平定位精度<3毫米(RMS)；垂直定位精度<5毫米(RMS)。
6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
对所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机同时加电，所述低轨导航增强接收机定位结果收敛后采集多个时刻的定位数据，获取所述RTK接收机的定位结果数据，并统计所有数据，计算低轨导航增强系统置信度为95％的定位精度和均方根误差。
记录所述低轨导航增强接收机开机时间，并记录所述低轨导航增强接收机收敛时间，收敛判断标准为：连续10个历元定位误差小于10厘米，历元时间间隔30秒。
7.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
将所述RTK接收机和所述低轨导航增强接收机冷开机，测试以不同速度运动的所述目标设备，每次测试30分钟以上，采集该时间段内的动态定位结果，统计所述低轨导航增强接收机收敛后定位结果；
获取每次低轨导航增强接收机收敛时间，收敛判断标准为：连续10个历元定位结果与所述RTK接收机定位结果相差不到10厘米。
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