箭载GNSS数据融合处理及精度分析

赵树强，张 栋，许爱华，张 伟



箭载GNSS数据融合处理及精度分析

赵树强1,2，张 栋1,2，许爱华1,2，张 伟1,2

（1. 宇航动力学国家重点实验室，西安，710043；2. 西安卫星测控中心，西安，710043）

针对箭载GPS、GLONASS与北斗导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）多星座导航接收机融合定位中多系统多星冗余信息的处理问题，研究了不同导航系统下观测数据的权值确定策略，给出了改进的简化Helmert方差分量估计方法，实现了箭载GNSS数据融合定位处理中观测数据的自适应定权，通过实测数据计算分析表明：该权值确定策略，能充分利用可用冗余卫星信息，提高定位结果的可靠性，对定位精度有明显改善，且计算量小，适用于运载火箭GNSS实时弹道确定。

箭载GNSS数据；融合定位；权值确定；精度分析

0 引 言

目前，在航天飞行试验任务中，运载火箭大多配置了GPS/GLONASS多模导航接收机，随着北斗导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的应用，未来航天发射任务中运载火箭上将安装兼容北斗导航系统的GNSS导航接收机，从而改善了观测卫星相对于目标的几何分布，克服了单导航系统由于高动态或特征段运载火箭（一般指火箭飞行过程中程序转弯、发动机点火和关机、级间分离等特征飞行时段，在这些特征点上火箭动作剧烈，震动较大，极易造成箭载合作目标失锁）机动干扰而无法观测到足够的卫星问题，使定位完好性和可靠性都有较大提高。然而在箭载GNSS观测数据处理时，由于GPS和GLONASS系统的观测精度不同，在观测数据质量上差异较大，其观测值的噪声特性不明确，导致很难确定适当的权矩阵。通常的做法是以一个简单的矩阵比如单位阵为权矩阵，这可能会造成在融合定位中由于冗余信息过多，反而定位精度差的现象即观测信息的增加不一定会改善定位精度。因此，如何既最大限度合理利用观测数据，又保证箭载GNSS弹道结果精度最优，是箭载GNSS数据融合处理的关键问题。利用先验精度确定的权矩阵通常不能完全反映各类观测值的实际精度或精度结果的可信度，为了得到最优的融合定位结果，应尽可能正确地估计不同导航系统观测值的权。

1 融合定位模型

GPS、GLONASS和BDS观测数据的融合，必须首先统一这些导航系统的坐标系和时间系统[1,2]，可将GLONASS系统的PZ-90坐标系和BDS系统的CGCS2000坐标系转换到GPS系统的WGS-84坐标系中。

GPS、GLONASS和BDS定位观测方程为[3,4]

同理，对定位观测方程组（3）两边对时间求导，可得速度的观测方程：

由此可得位置或速度精度估计时的协方差矩阵[6]：

2 权值确定策略

根据最佳信号估计理论，对不同强度信号的GNSS观测信息进行不同加权，当权矩阵等于观测值（主要指在卫星跟踪状态有效且信噪比满足门限要求，通常设定信噪比SNR>5的条件下GNSS卫星的伪距观测量、多普勒观测量和载波相位观测量）的方差-协方差的逆矩阵时，权选择为最优。此时，相对权之间的平衡使得解的精度为最好。

2.1 简化Helmert方差分量估计方法

其中，

因此，可得到Helmert方差分量估计[7]简化公式：

2.2 权值确定步骤

实际工程计算时可按下列步骤进行：

3 算例分析

由于北斗导航定位系统在航天发射运载火箭测量任务中还处于初步应用阶段，因此本算例中主要分析了箭载GPS和GLONASS测量数据的融合处理情况。根据第2节中权值计算方法，本节利用某型号任务箭载GPS、GLONASS导航接收机获取运载火箭GNSS观测数据，按箭载GNSS专用格式对观测数据和导航电文进行了数据解码、卫星位置计算[5]、误差修正和融合定位解算分析，其计算流程如图1所示。

图1 箭载GNSS融合定位自适应加权处理流程

图2为GPS、GLONASS、GPS+GLONASS等权和GPS+GLONASS自适应加权融合定位4种结果在发射坐标系下的基准站位置精度曲线。

a）方向

b）方向

c）Z方向

图3为GPS，GLONASS，GPS+GLONASS等权和GPS+GLONASS自适应加权融合定位4种情况下运转火箭位置参数精度曲线。

a）方向

b）方向

图3 火箭位置精度曲线

c）方向

续图3

表1 定位精度均值

表2 加权融合定位精度提高百分比对照

4 结 论

本文对箭载GNSS多系统多星冗余观测数据的权值确定策略进行研究，给出简化的Helmert方差分量估计方法，对实测基准和箭载GNSS观测数据进行计算分析。计算结果表明：本文给出的权值计算方法，对基准和箭载导航接收机定位精度都有明显改善，该方法能充分利用可用冗余卫星信息，定位结果可靠，定位精度有较大提高且计算量小，适用于运载火箭GNSS实时弹道确定和精度估计，可进一步推广应用于导弹、航天器或飞机试飞等高动态GNSS融合定位中。

[1] 张守信. GPS技术与应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2004.

[2] 党亚民, 秘金钟, 成英燕. 全球导航卫星系统原理与应用[M]. 北京: 测绘出版社, 2007.

[3] 赵树强, 许爱华, 苏睿, 等. 箭载GNSS测量数据处理[M]. 北京:国防工业出版社, 2015.

[4] Hofmann-Wellenhof B, Lichtenegger H, Wasle E. 全球卫星导航系统GPS, GLONASS, Galileo及其他系统[M]. 程鹏飞, 蔡艳辉, 文汉江, 等译. 北京: 测绘出版社, 2009.

[5] Xu G C. GPS理论、算法与应用[M]. 李强, 刘广军, 于海亮, 等译. 第2版. 北京: 清华大学出版社, 2011.

[6] 张守信. GPS卫星测量定位理论与应用[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 1996.

[7] 隋立芬, 宋力杰, 柴洪洲. 误差理论与测量平差基础[M]. 北京: 测绘出版社, 2010.

On-board GNSS Data Fusion Processing and Precision Analysis

Zhao Shu-qiang1,2, Zhang Dong1,2, Xu Ai-hua1,2, Zhang Wei1,2

(1. State Key Laboratory of Astronautic Dynamics, Xi’an, 710043; 2. Xi’an Satellite Control Center, Xi’an, 710043)

For the multisystem and multisatellite redundance of observation data in on-board GPS、GLONASS and BDS constellation navigation system fusion positioning, the strategy of observation data weight determination on two different navigation system is researched, the improved method of simplified Helmert variance component estimation is presented in this paper, to realized the adaptive weight determination of observation data in on-board GNSS Fusion positioning. The calculation and analysis of the measured data show that the weight determination strategy can make full use of available redundant satellite information, and improve the reliability of the position results. This weight determination strategy has a significant improvement on the positioning accuracy and the calculation is small, and it is suitable for the real time on-board GNSS ballistic calculation.

On-board GNSS data; Fusion positioning; Weight determination; Precision analysis

1004-7182(2017)06-0052-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170612

TN966

A

2016-11-22；

2017-01-09

赵树强（1970-），男，高级工程师，主要研究方向为运载火箭外弹道测量数据处理