整理GPS偽衛(wèi)星組合定位方法在變形監(jiān)測中的應用

1、精品文檔GPS偽衛(wèi)星組合定位方法在變形監(jiān)測中的應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).本文側重于研究這三種系統(tǒng)的測量結 果和分析收集的實驗數(shù)據(jù).結果說明,螺旋天線的使用可以減少偽衛(wèi)星的多路徑錯誤.對GPS結合偽衛(wèi)星系統(tǒng)和單一偽衛(wèi)星系統(tǒng)的性能評估,證實其適合精確厘米級定位.關鍵詞：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)被證實是非常有價值的精密變形監(jiān)測工具,利用載波相位進行測量. 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

2、和其他結構的監(jiān)測. 當使用全球定位系統(tǒng)進行準確, 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)測城市建設和環(huán)境變化時,GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的可用性可能缺乏以滿足定位要求.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.當有足夠的設備支持下,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結合偽衛(wèi)星一個或多個進行增強,這種方式適合于改善現(xiàn)有的GPS星座在進行幾何定位時不能到達要求的情況.常見的應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

3、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)星為根底的變形監(jiān)測應用延伸在室內(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)導航系統(tǒng)實驗室測試結果是肯等人提出的 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,概念驗證被證實用在陸地基站車輛上.更多新的偽衛(wèi)星'反向'定位研究已在新南威爾士

4、大學進行戴等人, 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吉合偽衛(wèi)星的方式的性能通過三個靜態(tài)實驗進行了調(diào)查,在2001年12月進行,新南威爾士大學 UNSW. IntegriNautics IN200CIN200 和全球模擬系統(tǒng) GSS4100 GSS都使用了偽衛(wèi)星,連同 NovAtel Millennium NovAtel和加拿大馬可尼公司的 Allstar AllstarGPS接收機.IN200系統(tǒng)偽衛(wèi)星在10%占空比時開啟

5、脈沖模式,以減少干擾和遠近問題.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.2.1 GPS的增強與偽衛(wèi)星新南威爾士大學電氣工程系電氣工程系在建筑物的屋頂上進行了實驗.IN200和GSS偽衛(wèi)星分別設置在屋頂上位置的永久極.這兩個偽衛(wèi)星相連接到被動天線設置發(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 GPS

6、和偽衛(wèi)星的數(shù)據(jù).基準站接收機設置在永久點,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.PL PRNPLAiit.Elevation (De giees)Distance to Rover (m)Bias (nmi)Stdev(nun)32IN200 patch34.038,5-7.92.712GSS patch3154L5182.4Table 1. Test J. PL details: elev. angle, dist. to rover, computed bias and standard dev

7、iatioi.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的最高精度.在新南威爾士大學使用其開發(fā)的軟件進行偽衛(wèi)星和GPS數(shù)據(jù)基線處理.20巧-10-3CID102030«l50fflE-EkBt mi.對于在一個靜態(tài)的環(huán)境中并且沒有到達偽衛(wèi)星 測量的最短距離,多路徑是占主導地位的錯誤,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

8、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,用計算機進行載波相位雙差殘差 計算假設沒有長期的偏差.圖中雙差殘差 PL12GSS,PL32 IN200和 GPS SV3圖 2A,B, G 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.Figure I . Test 1: PL receiver locations.21-12(111、5WnomMrt -fllitm啊1 -7 amnw E»»

9、;W* StSSb) SV21-PL32 (IN2Wpatch ant JM-JijLl'-a) SV21-PL12 (GSS patch ant.)Dd) SV21-PL32(rN200 helical ant.)Fime 2, Test 1: example double-differenced residuals.這是從圖2A&B,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PL12GSS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

10、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.這是遠遠小于使用貼片天線的偏差的-42.3毫米.這說明,定向波束螺旋天線,可以幫助減少偽衛(wèi)星多路徑錯誤.時間序列的標準偏差在圖2b&D是沒有直接的可比性,由于在不同時間收集數(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GPS PL的定位,單歷元的L1載波相位解決方案進行了計算.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總結了水平和垂直組件和其定位精度值的標準偏差

11、.很顯然,垂直分量的精度已提升到一定程度,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)大大改良的垂直幾何, 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.仔細檢查水平時間序列的兩個解決方案,GPS的偽衛(wèi)星稍微顯下降趨勢.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珍貴的高精度額外信息.L1 single epoch solution typeHDOPDOPHoiizonral srdev (imn)Vertical stdev (nnn)

12、GPS-otily (6 SVs)L8-L556-3.92,9S.6GPS-pseudolire (6 SVs & 2 PLs)Ll-1.21.2-L5233.SFigiue 3. Test 1: GPS-only LI single epochsolution: liorz, (top) and ven. (bottom) error.Figme 4 Tear 1: GPS-PL L1 single epochsolutum: liorz. (Top) and veil, (bottom) error.Table 2. Test 1: horizontal & venical

13、 positional standard deviation and DOP values.2.2偽衛(wèi)星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),是保證良好的幾何和良好定 位精度的關鍵.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

14、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)送到地面上的試驗區(qū).此外,兩個IN200偽衛(wèi)星分配 PRNS2&4.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總結了海拔從 GPS接收機記錄偽衛(wèi)星的近似角度和距離LI single epoch solution typeHDOPVDOPHcmzoiital (>tckv ( nun)Vertical 各亡 y (

15、nnu)GPS-only (6 SVs)L8-L55.6-S.92.98.6GPS-psetidolitc (6 SVs & 2 PLs)Ll-121.2-1.52.33.8Table 2. Test 1: hoiizontal & veitical positional tfnidard depiation and DOP values.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 結束后一個小時的GPS數(shù)據(jù)收集使用徠卡系統(tǒng)500 GPS接收機作為接收器在地面記錄偽衛(wèi)星位 置,并將參考點設在電氣工程系建筑的屋頂上. 徠卡接收機數(shù)據(jù)

16、被用來精確確實定偽衛(wèi)星和GPS接收機坐標.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,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總結為每個系列的剩余時間及其標準差的平均值偏置.Figure 5. Test 2: confieiirtion ofpseudoli re-ba $ed positioning為了評估性能的單一偽衛(wèi)星定位,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

17、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模糊使用該基地的已 知坐標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,水平和垂直組件,位置的標準偏差稀釋精 度值.更糟的精度垂直完全是由于貧困幾 何.如果偽衛(wèi)星被放置在最正確配置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.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 具有最低的標準差,而陸基

18、 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Figtii'e 7. PL-only I I &ni£*le epoch iolution: horz, (Top) and ven. (bottom) eiTor.HolTiE 八:Epei1D.& nvnFinre S GPS-only Ll Simple epoch sohnion: hoYz. (top) and ven. (bottom) enoi.-fl.®-CXM亠 b-uUJ使用五個可用的 GPS數(shù)據(jù)衛(wèi)星

19、,單一 GPS 和GPS-PL的位置計算解決方案. 圖8和9顯 示水平和垂直方向的位置誤差時間序列,表 4總結標準偏差和精度稀釋值.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,在與結果標 準偏差為11.5毫米,這是略遜于垂直精度.“精確GPS的-PL結果是最好的,類似的橫 向和縱向的,因改良的偽衛(wèi)星信號幾何修正.0*2WMTSO10«l130I 磁Epochstdev .3 mmFigure 9. GPS-PL LI single epoch solution：horz, (top) and ven. (

20、boTTQin) enor.LI single epoch solution typeHDOPDOPHorizontal stdev (nun)Venical stdev (nun)P$eudolire-onbr (4 PLs)2,4435.112.0GPSnly (5 SVs)5,1-2.83.04111.5J 0.9GPS-pseudolire13-1.213-1.53.04.3Table 4. Test 2: hoiizontal & venical posirional stall ch rd deviation and DOP values.在這個實驗中,只有 4厘米級單一偽

21、衛(wèi)星系統(tǒng)定位已被證實偽衛(wèi)星.當然單一偽衛(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用.為了進行實驗如上所述在室內(nèi)的情況下,那么必須解決的時間標簽錯誤.時間標記錯誤的產(chǎn)生是由于所使用的偽衛(wèi)星是不同步的 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)不同,.因此,GPS接收機,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本錢倒使用偽衛(wèi)星定位系統(tǒng).在以前的實驗在新南威爾士 大學進行辻井等,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

22、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.在新南威爾士大學的電氣工程系建筑的屋頂上進行實驗.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.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

23、保證良好的定 位幾何,5 GPS天線約間隔同樣圍繞了一圈,最后在中央直接流動站 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ALLSTA隈收機. 不幸的是,由于記錄的問題,接收6號全明星數(shù)據(jù)喪失,所以下面的結果是基于 5個接收器. 在GPS數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡接收器的位置和使用徠卡系統(tǒng) 500 GPS接收機流動站GPS天線.Figme 10, Test 3: contigmation of inveiced-pseiidolite posiTioniiig.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

24、坐標.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與偽衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行了測定.使用徠卡數(shù)據(jù)計算出的坐標,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.應當指出,雖然最大和最小y軸值的范圍是始終 5厘米有時是不同的.意味著偏差值和雙差殘差的標準偏差見表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

25、3的PL情況下,它可以清楚地看到正弦波動.這可能是從 GPS SV2侈路徑,由于沒有這種波動在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標準偏差值大約一半.ReceiverSV2 & SV 12PL32 &PL12SV21 &PL12No.Ekvtion (Degrees)Ei粘 (min)Stdev (linn)Bias (nun)Stdev(linn)Bi號 (limi)Stdev (nun)26.445.05.22S.1M I16.85.15 J21.1-56.35.0-7612.619.75J423.

26、5-55J4.4-42.02.5-13.444525.6-18.84.3-23.92.35.04,1623.9No data175.0RfeiencereceiverTable 5. Test 3. receiver DD details: elev. angle, computed bias and standard deviation.進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.正如預期的那樣,在視覺上的正弦的波動幾乎是相同的那些在圖11SV21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

27、螺 旋天線參考比擬流動站偽衛(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的決心模糊坐標.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.位置的標準偏差表6給出了在這兩種情況下的組件.精品文檔Rk«w DD naMh Sv2l#U：2«O.Oft* D.CQ <5 0 rrni5HK- 52nwn» ari 39.1 mmstiew Z21:旳l獰 DJ斑 f&

28、#39;LK-Pl-Z君二霊Elx."芝丄-DT T -D wlivo£一 - 一Xi -4J J rrr-E-丹-SE£Pin-ana-0MFigure 12,Tests：LI DDresidualsfof PL- only case usina PL32 & PL12.«r ''-4'4 I00C HKB 2EK1TOO-Kl.SfflmEpochstde*Fiiue 1L Test S: LI DD residuals for GPS-PL case u&ins SV21 & PL12.0WG IQQ

29、O IWO SOT 35WWDw曲士A.DrtWiEptthiiictev 4.1 mmFigure 13. Test J: LI DD residuak for GPS- PL case using SV21 & PL32,amffim口JM廂JQQJ&II口 a 口JGrllaa BBEDm D fi _Q o-LILaa.D-D.414Lo o- n-OPL-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,由于在這兩種情況下的精度稀釋相同.從 外觀上看,PL-only定位時間系列大多是隨機的, 標準偏差分別為 2.3和水平3.8毫米分別和垂 直.還應當指出,扎木用于裝入流動站偽衛(wèi)星 結構剛性.一些位置時間序列的波動非常小, 可能是由于運動扎木在強風的陣風.已被證實非常高的定位精度的GPS-PL和P