GPS RTK性能特点及分析外文翻译资料

 2022-02-28 23:01:31

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GPS RTK性能特点及分析

冯燕明

澳大利亚昆士兰理工大学信息技术学院

王金陵

澳大利亚新南威尔士大学测量与空间信息系统学院

摘要

全球导航卫星系统（GNSS）提供各种类型的定位状态解决方案，如单点定位（SPP）、精确点定位（PPP）、差分GPS（DGPS）和实时运动学（RTK）解决方案。这些解决方案涉及不同的数据类型、接收器、样本，服务于不同的用户类别。以往对性能特性的研究主要集中在SPP解决方案中，以实现生命安全导航应用。本文定义了RTK环境下载波相位模糊度解（AR）和位置估计（PE）解的各种有用性能特征。这些参数，包括基路虎距离、首次修复时间（TTFF）、AR可用性、AR可靠性、RTK精度、可用性和完整性等，有效地代表了商用RTK系统的性能，可用于评估不同的系统和算法，并通过广泛的实验结果来处理策略。使用商用RTK系统获得了大量现场试验的统计结果，从不同角度证明了系统的整体性能令人信服。利用一个面向研究的RTK软件对三个基线的实验结果进行了分析，结果表明，当基线超过20公里时，宽车道（WL）和窄车道（NL）信号相对于原始的L1和L2信号的AR性能有所提高。

关键词：GNSS、实时运动学（RTK）定位、性能特征、模糊度解决（AR）、RTK完整性。

  1. 介绍

全球导航卫星系统（GNSS）定位可分为几种不同类型，这取决于（i）定位估计中使用的测量类型，（i i）创建一组解决方案所需的数据周期或数据弧，以及（i i i）定位操作中涉及的接收器数量。单点定位（SPP）通过单接收器和单历元的伪距测量生成导航解决方案。精确的点定位（ppp）解决方案是通过使用单个接收器的代码和相位测量获得的，但观测周期为数十分钟到数小时，而不管是动态还是静态用户应用。差分GPS（DGPS）解决方案也基于单个历元的代码测量，但使用参考站或网络的差分校正。实时动态（RTK）定位利用差分定位模式中的载波相位测量，理想情况下，从一个单一的时代。实际上，为了实现可靠的AR，通常需要多个时期或短时间的观察，而RTK解决方案是从当前的时期推导出来的。

需要不同的特性来评估各种GNSS解决方案，以满足它们的定位性能要求。基于代码的SPP和DGPS导航是最简单、最可靠的定位方式，但基于代码的导航方案的评估一直是一个比较复杂的问题。定义了精度、可用性、连续性和完整性参数，以评估航空导航中导航解决方案的性能（Langley，1999年）。例如，可用性是一种即时的性能特征，定义为服务在一定精度下可用的时间百分比。完整性与信任度有关，信任度可以放在导航系统提供的信息中。它包括导航能力当系统不能用于预期的运行或飞行阶段时，系统向用户提供及时有效的警告。GPS不向用户提供完整性信息。在完整性的背景下，定义了完整性风险、警报时间和警报限制三个参数。此外，还提出了监测GPS SPP解决方案完整性的各种方法：（i）外部监测，它依赖于若干地面站，在这些站识别出故障的单个卫星，并在需要的时间内向用户发送警报。典型的例子是广域增强系统（WAAS）（Enge等人，1996年；Walter，2002年），（ii）接收机自主完整性监测（RAIM）（Brown，1996年），它适用于用户接收机，以自动确定系统完整性。该方法试图检测存在的错误测量和不健康卫星的识别。

RTK定位是一个更加复杂和脆弱的过程，其目的是为了实现高达厘米的精度，同时为任何用户运动学实时提供尽可能少的数据报告。因此，必须更加小心地描述性能并解决关键责任专业定位用户的问题，例如测量、数据采集、精密农业中的机器自动化、采矿和建筑以及未来与安全相关的车辆导航。在许多应用程序中，用户不仅关心解决方案的准确性，还关心解决方案的可用性和完整性。例如，在露天矿中，生产过程中每小时RTK服务中断的成本将达到100万（Higgins，2007年）。

然而，RTK性能特性的研究和理解远少于SPP解决方案。本文系统地回顾了RTK的性能特点，并根据不同的RTK性能参数，利用GPS测量对GNSS模糊度分辨（AR）和RTK性能进行了评价。在下面的章节中，我们首先介绍了AR和RTK解决方案的各种性能参数的定义，以便全面评估RTK系统的性能。接下来，我们用特定的wl和nl信号概述ar和位置估计（pe）的线性方程，从概念上证明性能对模型和算法的依赖性。在第四部分中，我们将首先根据不同基线的广泛数据集检查商用RTK系统HD-RTK2TM的不同性能参数的统计结果。利用QUT-RTK软件的研究版本，我们比较了WL和NL信号的AR性能改善与原始L1的使用和L2信号。在此分析中，将分析21、56和74km基线上的三个24小时Rinex数据集。最后，概述了RTK性能表征和广泛数值分析的主要结果。

  1. RTK系统的性能特。

RTK系统由连续运行的参考站网络和网络服务器和参考站之间以及服务器和用户终端之间的数据链路组成。所述参考网络包括至少一个参考站和具有数据处理设施的网络服务器。在网络服务器和用户接收器之间建立的数据链路向用户终端提供或传递差异校正。用户终端通常配备GNSS RTK接收器和通信设备以及用户控制/接口单元，其中RTK解决方案与特定应用程序集成或接口。为了全面评估RTK系统的性能，应考虑以下参数（Fengamp;amp;Wang，2007年）：

基路虎距离，是圆覆盖区域的最大半径，信号基站可以有效地与rtcm消息一起服务，允许用户在一定的延迟内接收rtcm消息，并获得其rtk解决方案的历代。一个相关的概念是基于网络的RTK情况下的站间距离。如图1所示，基本月球车距离d约等于0.5774倍的站间距离s。例如，在虚拟参考站（VRS）系统中，最大站间间距s=70km，等效的最大基本月球车距离约为40km。距离限制主要是由于电离层偏差对两个接收机的分离有很大的依赖性。下一个与距离相关的误差因素是模型修正后的对流层残余误差。广播轨道误差的影响相对较小，可以忽略不计。如果允许更长的BaseRover距离，则认为系统性能更理想。

rtcm消息的及时性，定义为用户可使用的最新rtcm消息的时间延迟，与需要用户状态进行计算的用户时间瞬间相关。当用户终端产生RTK解决方案时，用户需要预测到最新时间点的范围修正。此延迟是由基站/网络中心的数据处理和来自基站的数据传输引起的延迟的总和站点到网络中心，以及从网络服务器到用户的消息，通常为一到几秒钟。该参数可从给定作战环境和通信链路的统计结果中获得。

另一个相关参数是通信速率，例如，1hz或5hz和10hz。更高的通信速率是要求更高的位置更新速率和位置精度控制。

图1。站间距离s与当量基车距离d=0.5774s的关系

以上两个参数用于评估系统级的性能。在用户终端，可以使用以下特性来评估RTK系统的性能，这些特性可能随系统性能参数的变化而变化。

首次修复时间（TTFF）- 这是指解决或修正线性方程组的充分整数模糊性所需的时间段，然后执行位置估计。在一些文献中，这个参数被称为RTK系统的“模糊修复时间（TTAF）”或“初始化时间”。然而，TTaf更适合于更一般的情况，即所有整数参数在每个历元独立解析和固定，涉及单个或多个最近历元的测量。如果RTK系统总是固定线性方程系统中当前历元的所有双差相位测量的模糊整数，以最小化任何相位中断后RTK解的不连续性，则最可取。然而，我们也可以根据Teunissen（1999）提出的部分歧义解决（par）概念来定义TTAF。问题是，部分解决歧义的DD相位测量是否足够PE支持RTK服务。

固定利率-这种瞬时性能特征被定义为整数估计结果的固定速率。当几何尺寸太小，或观测到的卫星太少，或各种误差的影响太大时，系统可能无法用于AR。AR可用性可以通过连续操作会话中固定dd整数总数与dd整数总数的比率来计算。固定整数是在整数搜索过程中通过验证测试的整数。问题是验证过程可能包括不正确的整数和排除正确的整数。

AR可靠性（AR成功率）-这被定义为正确固定dd整数总数与固定dd整数总数的百分比。在一些研究中，AR成功率被隐式地定义为当所有模糊整数都正确固定时，相对于数据会话的总周期数，周期总数。

另一个关注点是RTK定位的性能以及解决了双差（DD）相位测量的模糊性。为此，RTK位置估计类似于基于代码的SPP解决方案。因此，我们可以同样引入SPP性能参数来定义RTK解决方案的性能：

RTK精度- 这被定义为在给定时间估计的RTK位置与定义的参考坐标值（或“真”值）的一致性程度，该参考坐标值是从独立方法获得的，最好是在较高的精度水平。与往常一样，RTK精度可以根据月球车的基础距离来规定，例如，sigma;=1.0 cm 0.5 ppm。

RTK可用性（准确度方面）-这被定义为使用模糊度固定和/或模糊度浮动相位测量以一定精度获得RTK解的时间百分比。

RTK可用性（根据AR可靠性）-该特征被定义为时间百分比，其中pe是基于所有相位测量值的，这些相位测量值的整数在每个历元都已正确固定，假设所有模糊度固定解都将给出所需的精度。

RTK完整性。这与RTK提供的信息中可以放置的机密级别有关，系统。它包括RTK导航系统在系统不能用于预期操作时向用户提供及时有效的警告的能力。例如，具有完整性能力的RTK系统可以在特定时间内，当RTK解决方案的实际位置错误超过水平/垂直保护级别（hpl/vpl）时通知用户，以在给定的完整性风险（ir）下发出警报（tta）。RTK完整性风险是指系统在实际处于异常状态时声称其正常运行状态的概率，例如，模糊性被错误地修复，位置错误超过给定的HPL。

RTK连续性。这被定义为在特定的操作周期和条件下的RTK可用性。TTAF和AR的可用性都会影响RTK的连续性。此参数用于解决用户在特定操作期间（如24小时和7天）的可容忍服务停机时间要求。例如，在采矿和民用建筑中，用户可容忍的停机时间约为每天1到2分钟，相当于99.9%的服务连续性要求（Positioning One Consulting，2008年）。

这些参数可以全部或选择性地用于评估RTK系统的性能，尽管对这些定义的变化和修改仍然是可能的。在这些参数中，基路虎距离、模糊修复时间、AR可靠性、RTK可用性和RTK精度可能是大多数专业用户最关心的问题。从责任关键型用户的角度来看，RTK完整性的概念也很重要。在农机自动化应用中，hpl约为10厘米，而对于民用建筑机械自动化，vpl的要求高达几厘米（Positioning One Consulting，2008年）。然而，现有的商业RTK系统很少在其规范中提供足够的性能参数。显然，更详细的性能信息确实可以帮助用户选择一个理想的RTK系统来满足性能要求，包括完整性要求。

三-宽车道和窄车道相位测量解模糊线性方程

对于一个典型的单基RTK问题，ntimes;1双差伪距p1（或c/a）和p2，载流子相位l1和l2的标准线性观测方程可以写成如下（Misra和Enge，2004年）。

式中，rho;为ntimes;1计算的双差距离矢量；a为ntimes;3观测矩阵；xdelta;为3times;1用户状态矢量；载流子相位l1和l2；波长分别为lambda;1和lambda;2，整数模糊度分别为1n和2n；εp 1、εp 2、εl1和εl2为各自测量矢量1pdelta;、2p的噪声矢量。delta;1 Ldelta;和2 Ldelta;。

Feng和Rizos（2007年）和Feng（2008年）建议使用宽车道（WL）L（1，-1）和窄车道（NL）L（4，-3），以最大限度地减小AR在较长范围内的较大电离层误差的影响。

P（1,1）=（f1 p 1 f2 p 2）/（f1 f2）；（2）L（1，-1）=（f1 l 1-f2 l 2）/（f1-f2）；（3）L（4，-3）=（4f1 l 1-3f2 l 2）/（4f1-3f2）；（4）

其中f1和f2分别代表l1和l2载波的频率。在（2）到（4）中，下标（i，j）表示组合测量系数的整数值。L（1，-1）和L（4，-3）的波长分别为lambda;（1，-1）=86.2 cm和lambda;（4，-3）=11.45 cm。因此，我们有以下线性方程：

其中）1,1（pdelta;）、3,4（lminus;delta;和）1,1（lminus;delta;是观测和计算范围矢量rho;或ntimes;1双差P（1,1）、l（1，-1）和l（4，-3）测量矢量之间的剩余矢量；i是ntimes;n单位矩阵；εp 1,1、εl（1，-1）、εl（4，-3）分别是p（1,1）、l（1，-1）和l（4，-3）测量的噪声矢量。n=k-1，其中k是计算中使用的卫星数。

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