论文总字数：30416字

摘 要

全球导航定位系统（GNSS）与人们的生活联系日益紧密，GNSS终端的发展也极其迅速。然而对于GNSS接收机的动态检测，国际上还没有形成一套通用的和广泛认可的标准，在我国与此相关的也是研究甚少。因此本文主要研究了高精度GNSS接收机终端的动态检测技术，主要通过精度与误差等指标对接收机在动态情况下的性能进行评估。本实验设备主要由搭载了基准设备与待检测的接收机的计量车组成，通过同一根天线接收卫星数据，解算基准设备与接收机的定位解。通过统计两者的差值和数据分析与处理得到待检接收机的精度。本研究得到待检接收机的精度达到厘米级，精度满足要求。本研究的创新之处在于提出了一种接收机的动态定位性能检测方法，为车载动态定位终端行业检测提供参考。除此以外，采用GNSS/INS组合定位基准设备，提升了基准系统的连续性和动态性。

关键词 GNSS/INS 动态检测 接收机 基准设备 不确定度

Abstract

Global navigation and positioning system (GNSS) and people's lives increasingly close contact and GNSS terminal development is extremely rapid. However, for the dynamic detection of GNSS receivers, the international community has not yet formed a set of common and widely recognized standards, in China is also related to this little research. Therefore, this paper mainly studies the dynamic detection technology of high precision GNSS receiver terminal, mainly through the accuracy and error indicators of the receiver in the dynamic performance evaluation. The experimental equipment is mainly composed of a metering vehicle equipped with a reference device and a receiver to be tested, and the satellite data is received through the same antenna to solve the positioning solution of the reference device and the receiver. The accuracy of the receiver to be tested is obtained by counting the difference between the two and the data analysis and processing. In this study, the accuracy of the receiver to be tested reaches the centimeter level, and the accuracy is satisfactory. The innovation of this research is to propose a dynamic positioning performance detection method for receiver, which can provide reference for vehicle dynamic positioning terminal industry. In addition, the use of GNSS / INS combination of positioning equipment to improve the continuity of the benchmark system and dynamic.

KEY WORDS: GNSS/INS Dynamic detection Receiver Reference equipment Uncertainty

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1背景与意义 1

1.1.1背景 1

1.1.2意义 2

1.2国内外研究现状 2

1.3本文的研究目的与研究内容 3

第二章GNSS接收机动态检测原理 4

2.1基础知识 4

2.1.1卫星定位原理 4

2.1.2接收机组成结构与工作原理 5

2.1.3误差源 5

2.1.4 RTK技术 6

2.1.5常用坐标系 6

2.1.6时间系统 9

2.2基准设备 9

2.3接收机性能动态检测原理 10

2.4精度统计原理 11

2.5相关软件 11

第三章 测试方法 13

3.1测试场景的选择 13

3.1.1测试场景的分类 13

3.1.2测试场景统计 13

3.2计量车使用方法 14

3.3实时监控 15

3.4数据处理 17

3.5编程实现批量处理 18

3.5.1编程工具 18

3.5.2时间匹配 18

3.5.3核心代码 19

第四章 实验分析 20

4.1实验结果 20

4.1.1筛选前结果 20

4.1.2筛选实例 22

4.1.3全程测试 24

4.1.4隧道测试 27

4.1.5高速测试 29

4.2检测报告 31

第五章 总结与展望 33

5.1总结 33

5.2展望 33

附录一 软件流程图 35

附录二 MATLAB数据处理程序 36

致 谢 42

第一章 绪论

1.1背景与意义

1.1.1背景

GNSS（Global Navigation Satellite System）的全称是全球导航卫星系统，经过数十几年的发展，已经成为社会生活中必不可少的一项技术，它广泛应用在科技、军事、交通、勘探等方面，几乎囊括了人类生活的各个领域。其重要性不言而喻。

目前，全球主要有四大导航系统，即美国的GPS（Global Positioning System）导航系统、俄罗斯的GLONASS导航系统、中国自主研发的北斗卫星导航系统以及欧盟的Galileo导航系统。其中，美国的GPS是起步最早、发展的最成熟、定位精度最高、性能最稳定的导航系统，在如今的世界中发挥着极其重要的作用。我国的北斗卫星导航系统也后来居上，在2000年我国经过不懈努力和奋起直追建成了北斗导航试验系统，因此成为了继美国和俄国之后的第三个拥有自主卫星导航系统的国家，目前在我国渔业、水利、交通、救灾、测绘和电信等方面已发挥了巨大的作用。北斗卫星导航系统目前已发射了23颗卫星，计划于2020年实现全球覆盖。

定位系统的精度检测可以分为静态检测和动态检测，检测方法各有不同。静态测试下的测试方法主要是单点定位检测法，该方法较为简单。但是有很多情况需要动态定位，因此需要研究定位系统的动态检测方法。目前大多数实时定位应用都是在动态条件下进行的，动态定位精度是否满足需求和条件，是研发人员必须面对的一个重要问题。目前大多数专家学者都是通过分析实际路线与定位路线的偏差来对系统的定位精度进行检测和评估。

全球卫星导航系统近年来和惯性导航技术的发展越来越紧密，二者在导航定位方面各具优势和劣势，将二者组合形成导航系统，可以优势互补提高定位性能，实现单个系统不能实现的优势。GNSS/INS组合导航分为三种模式：紧组合、松组合和深组合（也称为超紧组合）。松组合是利用GNSS接收机输出的位置、速度和INS输出信息进行组合；紧组合是利用GNSS接收机输出的伪距、伪距率等观测量与INS结合星历反算得到得伪距、伪距率进行组合，提高了组合系统的动态性能和抗干扰性能；深组合是深层次、硬件层面的组合方式，提高了组合系统的捕获灵敏度、再捕能力和定位精度，这种组合模式和相关技术已经发展成为实现组合导航领域的研究热点^[1]。本实验设备计量车中的基准设备便采用了GNSS和INS的紧组合方式，提升了基准设备的连续性和动态性。

近年来随着GNSS的研究和应用不断扩展和进步，卫星导航系统以及接收机的性能也在飞速地提高，对高精度GNSS接收机性能的分析与评估也相继提出了更高的要求。GNSS的信号非常容易受到干扰，因此对GNSS的精度提出巨大的挑战。精度的高低对人们生活的各个方面都有很大影响，如导航地图的使用。GNSS系统的动态检测便成为本课题重点研究的内容。

1.1.2意义

在科技高速发展的今天，国家之间的竞争已经越来越体现在各个领域中尖端科技的较量，拥有更高新、更尖端的科学技术的国家就意味着掌握了主动权和话语权。在诸多尖端科技领域中，GNSS技术无疑是最重要的技术之一，它关系着国家的国防、军队、国家安全、经济等各个方面，这项技术的发展在现代化进程中决不可轻视。

作为全球卫星导航系统的重要组成部分，GNSS接收机的作用日益重要，在军事领域，GNSS接收机的精度性能和状态对目标定位和导弹射击等场合起着决定性作用；在个人终端设备中，定位精度和性能影响到用户能否准确到达目的地，能否为用户提供准确导航服务；在测绘领域，GNSS接收机影响着作业员能否准确获得地理信息；在经济方面，接收机动态定位精度的提高可以通过自主研发的技术提升产品研发效率。除上述之外，还有众多领域也对高精度GNSS接收机性能提出很高的要求。

基于以上，通过吸收前人的研究成果并立足于当前的实际要求与实验设备，本文以某一GNSS接收机为例提出一种新的检测接收机性能的方法，对今后的研究具有重要意义。

1.2国内外研究现状

在全球卫星导航系统不断发展和成熟的几十年里，GNSS接收机也得到了迅速的发展和广泛的应用，对GNSS接收机的性能检测也引起了技术研究者的重视，这些国内外专家与机构对这一问题开展了较为深入的研究与探讨。

美国国防部自1993年至今共发布了5版GPS标准定位服务性能标准文档，这些文档是为了向全世界展示并承诺GPS的服务性能。该文档的发布主导了卫星导航系统性能标准及其评估指标体系。俄国的GLONASS系统通过俄罗斯信息分析中心和俄罗斯太空设备研究所等机构展开性能检测，主要发布系统性能报告、SDCM监测站、实时监测结果、事后检测结果、精密定位结果和简要报告等。

现有的检测方法有如下几种。动态定位理论推算法主要由精度评估方程计算一些精度指标，精度指标有用户距离误差（URE）、URE的变化率（URRE）、URRE的变化率、URRE的变化率（URAE）、协调世界时偏差误差（UTCOE）等参数。动态定位性能理论推算法利用精度强弱度值和用户距离误差值对定位性能进行理论评估，可以总体上反映卫星的定位导航性能，但是未加考虑用户段和环境段的影响，也并没有考虑载体动态特性可能对定位性能产生的影响，故此方法和用户实际获得的动态定位性能可能存在不符。

动态定位性能模拟仿真法是利用软件和硬件仿真来实现和验证系统组成并以此来评估GNSS系统有可能达到的定位精度。研究人员研发了多款用于系统评估的软件平台，如ELCANO软件、GSSF软件，国内的信息工程大学和中电54所等机构也进行过相关专业软件的研发并成功用于专用设备上。该方法的优点在于可以对待测接收机进行充分完备的全面测试，可用于静态检测、低动态监测、高动态检测等情景的评估。也可从需求出发通过模拟所要求的动态指标进而生成动态轨迹来进行性能仿真。然而，这种方法的缺点在于在动态检测下精度性能指标的考察有一定缺失，用此方法建立的系统模型所得到的精度结果与实际情况下的取得的定位精度结果存在一些差别，而差别的大小取决于模型和实际情况的契合程度。

动态定位性能测试评估法又分为地面无线电测距法、差分GNSS法、GNSS PPP法和摄影测量法。无线电测量定位法主要利用电磁波传播的基本特性得到运动物体与发射台之间的相对位置关系。其有测量方位角、测量距离、测量距离差和测量速度等几种方式，目前测量距离的方法精度性能较好。这种方法适用于静态、低动态和高动态等情况。在国际上，差分GNSS法、PPP法是两种被采用最多的两种高精度GNSS定位精度测试方法。差分GNSS法运用差分GNSS设备的定位结果来评估待检设备的动态定位精度，第一种方式是伪距差分，第二种方式是载波相位差分。我国北斗系统建成后，动态定位性能的检测和评估以差分GPS即伪距差分作为评估标准。摄影测量法是采用光学定位法和摄影测量原理，利用相片坐标解算其成像目标的空间位置^[2]。

对于动态定位性能的指标评价统计方法，目前主要采用GNSS实时动态差分（Real-time Kinematic，RTK）和动态精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）系统作为评估基准。定位性能包括水平方向、高程方向定位性能和三维合成定位性能。常用95%置信度和RMS统计方法。还有基于测量不确定度理论的GNSS动态定位性能指标评价方法。

1.3本文的研究目的与研究内容

本文主要以某一高精度GNSS待检接收机为例，研究了一套如何测试该接收机性能的方法。利用GNSS加惯导组合系统进行高精度定位，通过同一根天线将卫星信号分别引入基准设备和接收机中，测得一份基准数据和待检设备的数据，通过统计比较和分析两组数据的误差，解算出在常用坐标系下定位误差的不确定度，来求得待检设备精度，进而对高精度GNSS接收机性能进行评估。

本文共分为六章，各章节内容安排如下：

第一章为绪论部分，重点叙述了本课题的基本背景和来源，介绍了高精度GNSS的发展与应用，并说明了本课题研究的重要意义。通过了解和搜寻国内外对该课题的研究和发展，对比了他们的优点和缺点。并找到一些目前常用的数据统计计算方法，有利于本课题的进一步研究，基于前人理论，发展本论文的创新之处。最后对论文总体结构和创新点进行了说明。

第二章介绍了一些与本课题相关的理论知识，原理与理论是支持本论文提出的检测系统中最基础的部分。然后介绍了我们的待检设备即高精度GNSS接收机的组成结构和工作原理，只有深入了解了他的工作原理才能更好地对其进行检测。最后介绍了本文提出的检测方法中另一个重要设备即基准设备。

第三章介绍了测试方法，首先需要选择测试的场景，在什么环境下进行测试，怎样测试，如何使用这些工具和设备，最后提出怎样进行实时监控并进行事后分析。数据处理部分，首先介绍了一些基本概念如坐标系和时间系统。接着主要介绍如何利用MATLAB对大量数据进行统计和分析，得到定位解的不确定度。最后介绍如何通过软件分析筛选需要剔除的数据，得到较为精确的定位解的不确定度。

第四章给出了实验结果和检测报告。

第五章给出了本此研究的实验结论及总结，并反思和展望了本次研究。

第二章GNSS接收机动态检测原理

2.1基础知识

2.1.1卫星定位原理

卫星定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点的位置，换言之，卫星定位原理是一种空间的距离交会原理。

假设在地面某待定位置放置一个GNSS接收机，在同一时间接收到四颗以上的卫星所发射出来的信号，然后通过一定的方法测定这四颗以上的卫星在此时刻的位置以及它们分别到这个接收机的距离，接着运用距离交会法解算出测站的位置。

图2-1 卫星定位原理示意图

载波相位测量原理是根据卫星载波信号在卫星与接收机之间的相位差来测距的。设卫星j在t时刻发射一载波信号，此时相位为，经过s距离后到达接收机，这时相位变为，相位变化为，由于载波信号是正弦波，根据波长可得二者之间距离：

（2.3）

式中：相位以周为单位；

：相位起始历元的整周部分；

：非整周部分；

：载波波长。

然而实际测量中，载波信号相位无法测量，通常利用接收机的振荡器产生一个基准信号，这个信号与卫星信号的频率及初相位完全一致，那么任何时刻接收机的基准信号就代表卫星发射信号即：，在相同时刻接收的卫星信号为，则：

（2.4）

信号传播距离为：

（2.5）

2.1.2接收机组成结构与工作原理

由于应用场合和设计目的的差异，GNSS接收机的构成也千差万别，但是它们的基本原理类似。

根据信号流方向，可将其分解为三个部分，信号采集与发生部分，中频信号处理部分和导航定位解算部分。根据接收机的构成，GNSS信号首先被信号采集与发生部分接收处理，此模块包括天线与射频前端部分。卫星发出的GNSS射频信号被天线接收，信号通过天线流入射频部分前端，然后通过带通滤波，并通过放大器放大信号，然后由本地基准振荡器产生的混频信号对其进行处理，将GNSS射频信号进行变频，产生出中频信号。中频信号处理模块对GNSS数字中频信号进行处理，首先通过相关器将数字中频信号与本地伪随机码进行相关运算，通过捕获处理，实现本地伪随机码与卫星信号的粗略同步，进而确定卫星信号载波频率以及伪随机码码相位的粗略值。通过跟踪处理，将卫星信号载波频率以及伪随机码码相位的粗略值进行细化已确定其精确值。最后调出导航电文，送至导航定位结解算模块。导航定位解算模块对导航电文进行处理进而对接收机的位置进行解算^[3]。本研究中所用到的数据与接收机的导航定位解算模块有关。

2.1.3误差源

GNSS的测距精度和很多因素都有关系，主要包括有GNSS信号本身所引起的误差；由传播路径引起的误差，这个是本次研究主要考虑的部分。在动态检测中，还有可能出现由于大树遮挡、车辆穿过隧道等原因造成的卫星数缺失的情况产生的不准确现象；还有由于接收机本身引起的误差，比如有观测噪声误差、天线相位中心误差和内时延误差。

电离层误差主要是由于电离层区域内部充满了大量的离子和电子，这些带电粒子会影响GNSS信号的传播速度，进而引起时延误差。按照不同高度可以把电离层划分为四个区域，每个区域中的电子和离子密度含量分布各有不同 。此外，电子和离子的数量还随着地方时、时节、位置的改变而改变。

和电离层类似，当信号经过对流层时，由于折射作用，会对传播速率产生影响。因为对流层对GNSS信号频率是非发散的，所以对伪码和载波产生的影响相同。对流层误差的大小取决于由于温度、湿度与压强引起的折射指数的变化。这个误差有两部分组成，其一是因为干气体造成的稳定的、可预测的误差，叫做干分量，约占其中的百分之九十，其二是来自大气中的水分子，叫做湿分量，所占比重较少，却是极难预测的。对流层偏差的大小还与卫星高度角成反比^[4]。

多路径效应产生的误差是常见的误差源，多路径效应的产生是因为由于高大遮挡物的遮挡，卫星信号经过遮挡物反射后被天线接收与直接被天线接收存在时间差，导致计算距离不准确，因此出现定位误差。

误差源还包括测试现场大型建筑物和大树的遮挡，会影响天线接收卫星信号导致出现不稳定现象。如南京市市区内有较为常见的梧桐树，其枝叶繁茂，容易遮挡卫星信号；又如鼓楼区高楼林立，也容易遮挡信号。当车速较快时，系统的处理速度相对较慢会出现定位不准确现象。不同时间段内可接收到的卫星数也会对实验结果产生影响。

2.1.4 RTK技术

RTK载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。

网络RTK技术的基本原理是利用多个基准站构成一个基准站网，然后借助广域差分GPS和具有多个基准站的局域差分GPS中的基本原理和方法来消除或削弱各种系统误差的影响，从而获得高精度的定位结果。网络RTK是由基准站网、数据处理中心、数据通信线路及用户四部分组成。基准站上应配备双频全波长GPS接收机，该接收机最好能同时提供精确的双频伪距观测值。目前网络RTK大体可采用内插法、线性组合法、及虚拟基准站等方法进行。

2.1.5常用坐标系

坐标系是从数量上确定物体相对于参考系的位置。导航中所用的坐标系有很多种，如有大地坐标系、空间直角坐标系和东北天坐标系等。我们选取坐标系的原则是对所研究物体内容比较方便能够准确描述接收机的位置。

本次研究中的所采用的坐标系是在空间大地测量中最常用到的三种坐标系：空间直角XYZ坐标系、大地测量BLH坐标系（大地经度纬度高度）和测站地方空间直角坐标系ENU坐标系（东北天坐标系）。

大地坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系且大地坐标系为右手系。地面点的位置用该点经度（L）、该点纬度（B）和该点高度（H）来表示。一个形状、大小、定位和方向都已确定的地球椭球叫做参考椭球。参考椭球如果确定了，则意味着大地坐标系已建立。大地坐标系是一种伪地理坐标系^[7]。

图2-2 大地坐标系示意图

空间直角坐标系的坐标原点位于参考椭球的中心，Z轴指向参考椭球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上切按右手系于X轴呈90度夹角，某点中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。

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