GPS偽衛(wèi)星組合定位方法在變形監(jiān)測中的應(yīng)用上課講義

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。GPS偽衛(wèi)星組合定位方法在變形監(jiān)測中的應(yīng)用-GPS偽衛(wèi)星組合定位方法在變形監(jiān)測中的應(yīng)用摘要一般情況下有三種偽衛(wèi)星系統(tǒng)在變形監(jiān)測中使用，即全球定位系統(tǒng)(GPS)結(jié)合偽衛(wèi)星增強系統(tǒng)，單一偽衛(wèi)星系統(tǒng)和偽衛(wèi)星反向定位系統(tǒng)。本文側(cè)重于研究這三種系統(tǒng)的測量結(jié)果和分析收集的實驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，螺旋天線的使用可以減少偽衛(wèi)星的多路徑錯誤。對GPS結(jié)合偽衛(wèi)星系統(tǒng)和單一偽衛(wèi)星系統(tǒng)的性能評估，證明其適合精確（厘米級）定位。關(guān)鍵詞：偽衛(wèi)星，反向GPS，變形監(jiān)測1引言全球定位系統(tǒng)（GPS）已經(jīng)被證明是非常有價值的精密變形監(jiān)測工具，

2、利用載波相位進(jìn)行測量。它已被廣泛用于測量地殼運動，地面沉降和監(jiān)測火山活動，以及新建的橋梁，水壩，建筑物和其他結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。當(dāng)使用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確，可用，可靠和完整定位時是非常依賴于衛(wèi)星的數(shù)量和幾何分布的。在某些情況下，例如監(jiān)測城市建設(shè)和環(huán)境變化時，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的可用性可能不足以滿足定位要求。此時可用陸地基站發(fā)射類似GPS的信號（稱為“偽衛(wèi)星”或PLS）改變衛(wèi)星間的幾何形狀。當(dāng)有足夠的設(shè)備支持下，可以完全取代GPS星座。變形監(jiān)測系統(tǒng)中使用偽衛(wèi)星的方式一般有三種：i.第一種方式是GPS結(jié)合偽衛(wèi)星(一個或多個)進(jìn)行增強，這種方式適合于改善現(xiàn)有的GPS星座在進(jìn)行幾何定位時不能達(dá)到要求的情況。常

3、見的應(yīng)用包括飛機精密降落（科布，1997）在定位深層地雷（石鮑威爾，1999年）。ii.在第二種情況下只用單一偽衛(wèi)星系統(tǒng)完全取代GPS星座。這可以使隧道衛(wèi)星為基礎(chǔ)的變形監(jiān)測應(yīng)用延伸在室內(nèi)，在沒有GPS信號的地下或者隧道里依然可以定位。這樣的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)實驗室測試結(jié)果是肯等人提出的（2000年）。iii.最后一種情況是偽衛(wèi)星反向定位的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其中一個“星座”的GPS接收機跟蹤移動的偽衛(wèi)星。該系統(tǒng)由數(shù)組GPS接收機，一個參考偽衛(wèi)星基站（或GPS衛(wèi)星）和一個移動偽衛(wèi)星。偽衛(wèi)星反向定位背后的想法是由哈克特等人首先提出（1995年）。該系統(tǒng)的目的是為軍用飛機提供精確定位，概念驗證被證明用在陸地基站

4、車輛上。更多新的偽衛(wèi)星反向定位研究已在新南威爾士大學(xué)進(jìn)行（戴等人，2001年，辻井等人，2001）。決定是否在一個反向定位系統(tǒng)中使用增強偽衛(wèi)星或GPS衛(wèi)星的結(jié)果。本文將集中在上述三個場景中收集的實驗數(shù)據(jù)分析。2實驗研究1中所述的GPS結(jié)合偽衛(wèi)星的方式的性能通過三個靜態(tài)實驗進(jìn)行了調(diào)查，在2001年12月進(jìn)行，新南威爾士大學(xué)（UNSW）。IntegriNauticsIN200C(IN200)和全球模擬系統(tǒng)GSS4100(GSS)都使用了偽衛(wèi)星，連同NovAtelMillennium(NovAtel)和加拿大馬可尼公司的Allstar(Allstar)GPS接收機。IN200系統(tǒng)偽衛(wèi)星在10占空比時

5、開啟脈沖模式，以減少干擾和遠(yuǎn)近問題。對于其輸出功率的每個嘗試調(diào)整，都具有良好的信號信噪比，而且不干擾GPS信號。在GSS偽衛(wèi)星中沒有脈沖功率衰減選項，在必要時它的功率是使用內(nèi)嵌的放大器來推動的。NovAtel公司和全明星的GPS接收機允許跟蹤被分配到各個渠道的特定的PRN碼，這是一個使用偽衛(wèi)星時重要的要求。2.1GPS的增強與偽衛(wèi)星新南威爾士大學(xué)電氣工程系（電氣工程系）在建筑物的屋頂上進(jìn)行了實驗。IN200和GSS偽衛(wèi)星分別設(shè)置在屋頂上已知位置的永久極。這兩個偽衛(wèi)星相連接到被動天線設(shè)置發(fā)送PRN碼12和32。這些天線垂直安裝在自己身邊并且天線指向試驗區(qū)的方向。兩個NovAtel接收機用于收集G

6、PS和偽衛(wèi)星的數(shù)據(jù)?；鶞?zhǔn)站接收機設(shè)置在永久點，與三腳架上的流動站接收器相距約11.4米。圖1顯示了相對偽衛(wèi)星和接收機的位置，表1記錄近似仰角和兩個偽衛(wèi)星與移動GPS接收機的距離。約收集記錄1個小時在1Hz時GPS和偽衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。在此期間，6個GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行了跟蹤。為了調(diào)查使用不同的偽衛(wèi)星天線，把IN200的貼片天線換成10英寸螺旋天線并記錄額外20分鐘的數(shù)據(jù)。最后，再收集30分鐘沒有附加任何偽衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。這是沒有任何的偽衛(wèi)星干擾所允許的測定流動站坐標(biāo)的最高精度。在新南威爾士大學(xué)使用其開發(fā)的軟件進(jìn)行偽衛(wèi)星和GPS數(shù)據(jù)基線處理。對于在一個靜態(tài)的環(huán)境中并且沒有達(dá)到偽衛(wèi)星測量的最短距離，多路徑

7、是占主導(dǎo)地位的錯誤，且理論上是一個常數(shù)。因此使用前需要確定多路徑與偽衛(wèi)星數(shù)據(jù)相關(guān)的位置計算的任何偏差。第一階段是只有靜態(tài)流動站接收機并使用GPS數(shù)據(jù)坐標(biāo)處理計算數(shù)據(jù)。然后使用GPS流動站和其SV21偽衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為參考衛(wèi)星，用計算機進(jìn)行載波相位雙差殘差計算（假設(shè)沒有長期的偏差）。圖中雙差殘差PL12（GSS），PL32（IN200）和GPSSV3圖2A，B，C。SV3的雙差殘差是典型的高海拔GPS的衛(wèi)星，平均接近零，但視覺上有一些小的多路徑。同樣，所有其它GPS衛(wèi)星雙差殘差意味著都接近于零。這是從圖2AB，這兩個偽衛(wèi)星殘差是從零抵消，并有顯著的偏差。在視覺上偏差出現(xiàn)常數(shù)，剩余的時間序列意味著PL

8、12（GSS）和PL32（IN200）其值分別為-7.0和-42.3毫米。這些偏差值用于數(shù)據(jù)處理并糾正偽衛(wèi)星數(shù)據(jù)。螺旋天線與IN200偽衛(wèi)星的載波相位雙差殘差數(shù)據(jù)也被記錄供計算使用。螺旋天線比貼片天線有更多的定向增益模式。圖2d顯示PL32使用（IN200）雙差殘差參考GPS衛(wèi)星14。剩余時間序列的平均偏差為9.7毫米。這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用貼片天線的偏差的-42.3毫米。這表明，定向波束螺旋天線，可以幫助減少偽衛(wèi)星多路徑錯誤。時間序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差在圖2bD是沒有直接的可比性，因為在不同時間收集數(shù)據(jù)，參考衛(wèi)星也不同，雖然他們很相似。為了評估單一GPS的性能和GPSPL的定位，單歷元的L1載波相位解決方

9、案進(jìn)行了計算。圖3和圖4顯示單一GPS和GPS-PL的解決方案的水平和垂直方向的錯誤的系列時間。表2總結(jié)了水平和垂直組件和其定位精度值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。很顯然，垂直分量的精度已提高到一定程度，它們幾乎是相同的工作水平。其他的的低海拔偽衛(wèi)星測量已經(jīng)大大改進(jìn)的垂直幾何，表現(xiàn)為值VDOP較小（見表2）。有趣的是，GPS的偽衛(wèi)星解決方案的精度是略微高于單一GPS的，盡管單一GPS在幾何水平略有改善。仔細(xì)檢查水平時間序列的兩個解決方案，GPS的偽衛(wèi)星輕微顯下降趨勢。這種趨勢的原因是未知的，目前正在調(diào)查中。在基于GPS的變形監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是偽衛(wèi)星使用必要的高度組件是可以提供極其寶貴的高精度額外信息。2.2偽衛(wèi)星

10、定位該實驗的目的是研究一個可能被用于變形監(jiān)測的球定位系統(tǒng)(GPS)結(jié)合偽衛(wèi)星增強系統(tǒng)。在本次測試使用四個偽衛(wèi)星（兩個IN200和兩個GSS），所需的最低數(shù)量三維定位，加上兩個NovAtel接收機。在偽衛(wèi)星的位置安裝偽衛(wèi)星基站定位系統(tǒng)，是確保良好的幾何和良好定位精度的關(guān)鍵。不幸的是這往往在后期難以實現(xiàn)。特別是偽衛(wèi)星在高仰角的位置通常是最容易出問題的。出于這個原因，選定電氣工程系的大樓外的人行道（連同天臺）作為試驗區(qū)是一個很好的選擇（見圖5）。兩個GSS偽衛(wèi)星（分配PRNS12：32）分別放置在建筑的屋頂永久點上，約30米高地，并連接、雙螺旋天線其長度為8或者10英寸。這些都是為直接把偽衛(wèi)星信號發(fā)

11、送到地面上的試驗區(qū)。此外，兩個IN200偽衛(wèi)星（分配PRNS24）放置在地面并將貼片天線安裝在三腳架上。這些都是垂直安裝在測試區(qū)旁邊方向指向天線區(qū)。兩個NovAtel的GPS接收機被用來收集GPS和偽衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，所有天線安裝在三腳架上。GPS接收機之間的距離約為2.5米，表3總結(jié)了海拔從GPS接收機記錄偽衛(wèi)星的近似角度和距離約記錄30分鐘GPS和偽衛(wèi)星在1Hz速度時采集的數(shù)據(jù)，在此期間5個GPS衛(wèi)星被跟蹤。實驗結(jié)束后一個小時的GPS數(shù)據(jù)收集使用徠卡系統(tǒng)500GPS接收機作為接收器在地面記錄偽衛(wèi)星位置，并將參考點設(shè)在電氣工程系建筑的屋頂上。徠卡接收機數(shù)據(jù)被用來精確的確定偽衛(wèi)星和GPS接收機坐標(biāo)。

12、在2.1討論過，這是必要的多路徑偏差偽衛(wèi)星計算數(shù)據(jù)。使用的加工坐標(biāo)，載波相位雙差殘差使用SV23作為參考衛(wèi)星單一GPS的偽衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算。雙差剩余時間為4個偽衛(wèi)星序列圖，在圖6。剩余時間序列從零一個恒定的偏移，這種偏見可能是由于多。表3總結(jié)為每個系列的剩余時間及其標(biāo)準(zhǔn)差的平均值（偏置）。有趣的是，需要注意的是最小的偏差值（1.8mm）的螺旋天線的PL12是，而PL2使用貼片天線的最大偏差值（11.2毫米）。此外，屋頂上的PL12具有最低的標(biāo)準(zhǔn)差，而陸基PL4有最大的。在實驗的人有時會走過PL4和GPS之間的視線線接收器。這可以解釋的數(shù)據(jù)峰值和一般隨機出現(xiàn)在比較其他偽殘差為了評估性能的單一偽衛(wèi)星定

13、位，單歷元載波相位解決方案計算使用的四個偽衛(wèi)星，的PL12選擇作為參考PL。同時固定的GPS接收機和偽衛(wèi)星，承運人相位模糊的決議不能執(zhí)行使用一個正常的程序。因此最初的雙差載波相位含糊使用該基地的已知坐標(biāo)確定和流動站接收機。圖7顯示了偽-只有水平和垂直誤差的時間序列L1載波相位單歷元定位的解決方案。表4總結(jié)，水平和垂直組件，位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差稀釋精度值。更糟的精度垂直完全是由于貧困幾何。如果偽衛(wèi)星被放置在最佳配置（Dai等，2001），然后更精度可以得到。這清楚地看到該數(shù)據(jù)峰值呈現(xiàn)殘差PL4傳播到橫向和垂直位置。使用五個可用的GPS數(shù)據(jù)衛(wèi)星，單一GPS和GPS-PL的位置計算解決方案。圖8和9顯示水

14、平和垂直方向的位置誤差時間序列，表4總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)偏差和精度稀釋值。單一GPS的HDOP值解決方案是高的（5）在試驗開始時，這是由于試驗區(qū)附近的高樓大廈攔截衛(wèi)星。高的HDOP的原因水平精度差，在與結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.5毫米，這是略遜于垂直精度?！熬_GPS的-PL結(jié)果是最好的，類似的橫向和縱向的，因改進(jìn)的偽衛(wèi)星信號幾何修正。在這個實驗中，只有4厘米級單一偽衛(wèi)星系統(tǒng)定位已被證明偽衛(wèi)星。當(dāng)然單一偽衛(wèi)星定位允許一個基于室內(nèi)的各種如采礦和隧道的變形應(yīng)用。為了進(jìn)行實驗如上所述在室內(nèi)的情況下，則必須解決的時間標(biāo)簽錯誤。時間標(biāo)記錯誤的產(chǎn)生是因為所使用的偽衛(wèi)星是不同步的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)不同，。因此，GPS接收機，

15、記錄在同一時間測量，接收訂單采樣時間必須調(diào)整到一個主偽衛(wèi)星數(shù)據(jù)電文。這需要一個固件修改的GPS接收機。2.3偽衛(wèi)星反向定位該實驗的目的是評估性能的低成本倒使用偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)。在以前的實驗在新南威爾士大學(xué)進(jìn)行（辻井等，2001）六雙頻率的NovAtel接收機使用。對于這項研究六L1-只有低成本CMC全明星接收機一起使用兩個IN200偽衛(wèi)星。使用兩個在本次測試的偽衛(wèi)星允許PL-only和GPS-PL倒定位方案，而只有后者的情況下，以前的研究。在新南威爾士大學(xué)的電氣工程系建筑的屋頂上進(jìn)行實驗。供參考偽衛(wèi)星10英寸的螺旋束天線被安裝在一個永久的支柱。這是坐落次要的輔助建筑的屋頂，約4米以上的主要屋頂上

16、。此位置有一個明確的試驗區(qū)行的視線，約61米了。測試配置區(qū)域，如圖10所示。為流動站，偽衛(wèi)星，貼片天線安裝3米以上2員工連接到一個木制的鐵路主屋頂。PL貼片天線直接面對在屋頂上下來，直接以上的PL天線和GPS接收天線安裝朝上。這將提供為流動站PL天線的參考位置。六GPS流動站PL天線周圍全明星接收天線安裝在三腳架上。至確保良好的定位幾何，5GPS天線約間隔同樣圍繞了一圈，最后在中心直接流動站PL天線天線下方。“參考和流動站PLS被分配偽隨機數(shù)分別為32和12。約一小時的偽衛(wèi)星和GPS定位系統(tǒng)（GPS）數(shù)據(jù)收集在1Hz的速率使用ALLSTAR接收機。不幸的是，由于記錄的問題，接收6號全明星數(shù)據(jù)丟

17、失，所以下面的結(jié)果是基于5個接收器。在GPS數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)接收器的位置和使用徠卡系統(tǒng)500GPS接收機流動站GPS天線。徠卡數(shù)據(jù)被用來確定精確的偽衛(wèi)星和GPS定位系統(tǒng)（GPS）坐標(biāo)。如上所述1，有兩種特殊情況下，偽衛(wèi)星反向定位，特點是使用雙差分參考偽衛(wèi)星或GPS衛(wèi)星選擇。數(shù)據(jù)在這個實驗中收集處理兩種情況。首先任何多路徑偏見相關(guān)與偽衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了測定。使用徠卡數(shù)據(jù)計算出的坐標(biāo)，四載波相位雙差分殘差計算，使用接收1號參考接收機，既倒的定位情況。GPS-PL殘差倒定位（使用SV21的PL12）給出了圖11中，而那些在PL-only倒位置（使用PL32和PL12）圖12。應(yīng)當(dāng)指出，雖然最大和最小y軸值的

18、范圍是始終5厘米有時是不同的。意味著（偏差）值和雙差殘差的標(biāo)準(zhǔn)偏差見表5。在這兩個數(shù)字的雙差殘差視覺有恒定的偏差，可能造成特等多徑。在GPS接收機2和3的PL情況下，它可以清楚地看到正弦波動。這可能是從GPSSV21多路徑，因為沒有這種波動在PL-only的情況下（這些視覺上出現(xiàn)更多的隨機）。此外，殘留物時，只使用偽衛(wèi)星有更好的精度比GPS-PL，標(biāo)準(zhǔn)偏差值大約一半。進(jìn)一步探討多路徑特性，載波相位雙差殘差計算機使用的參考SV21和PL32參考。這些雙差殘差繪于圖13。正如預(yù)期的那樣，在視覺上的正弦的波動幾乎是相同的那些在圖11（SV21的PL12），這證實了GPS多路徑SV21存在。此外，表5給出的偏置值顯示PL32（螺旋天線）參考比較流動站偽衛(wèi)星多路少的PL12（與貼片天線）。為了評估兩個倒定位性能情況下，單歷元載波相位解決方案GPS-PL的情況下，計算（使用SV21的PL12）和PL-only的情況下（使用PL32的PL12）。最初的雙差載波相位使用已知的決心含糊坐標(biāo)。圖14和圖15顯示水平和垂直誤差的時間序列GPS-PL的PL-倒置定位場景。位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差表6給出了在這兩種情況下的組件。PL-唯一的精度比GPS-PL的情況下，尤其是在高度組件。更糟在GPSPL的精度情況下純粹是由于隨時間變化GPS多路徑上的參考GPS衛(wèi)星