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不同截止高度角下天线阵列RTK定位分析

王超 刘长建 肖国锐 孙爽 孟欣

王超, 刘长建, 肖国锐, 孙爽, 孟欣. 不同截止高度角下天线阵列RTK定位分析[J]. 全球定位系统, 2023, 48(3): 93-101. doi: 10.12265/j.gnss.2023028
引用本文: 王超, 刘长建, 肖国锐, 孙爽, 孟欣. 不同截止高度角下天线阵列RTK定位分析[J]. 全球定位系统, 2023, 48(3): 93-101. doi: 10.12265/j.gnss.2023028
WANG Chao, LIU Changjian, XIAO Guorui, SUN Shuang, MENG Xin. Assessment of antenna array-aided RTK positioning with different cut-off elevation angles[J]. GNSS World of China, 2023, 48(3): 93-101. doi: 10.12265/j.gnss.2023028
Citation: WANG Chao, LIU Changjian, XIAO Guorui, SUN Shuang, MENG Xin. Assessment of antenna array-aided RTK positioning with different cut-off elevation angles[J]. GNSS World of China, 2023, 48(3): 93-101. doi: 10.12265/j.gnss.2023028

不同截止高度角下天线阵列RTK定位分析

doi: 10.12265/j.gnss.2023028
基金项目: 国家自然科学基金(42274045,41904039),河南省自然科学优秀青年基金(232300421105)
详细信息
    作者简介:

    王超:(1998—),男,硕士研究生,研究方向为GNSS数据处理理论与方法

    刘长建:(1973—),男,博士,教授,研究方向为误差理论与数据处理方法

    肖国锐:(1989—),男,博士,副教授,研究方向为GNSS数据处理理论与方法

    通信作者:

    刘长建 E-mail: chxylcj@163.com

  • 中图分类号: P228

Assessment of antenna array-aided RTK positioning with different cut-off elevation angles

  • 摘要: 针对天线阵列实时动态(RTK)的定位性能评估问题,将天线阵列RTK的数学模型与RTK的数学模型进行对比分析,并在不同截止高度角下采用天线阵列RTK与RTK对一组静态实测数据进行单历元解算. 结果表明:相较于RTK,天线阵列RTK能够增加双差观测方程的冗余度从而增加模型强度,达到提高模糊度固定成功率与定位精度的效果. 基于GPS+北斗卫星导航系统(BDS)组合的天线阵列RTK在50°大截止高度角下,其模糊度固定成功率达到93.6%,并且固定解水平精度优于1 cm、高程精度优于2 cm,能够满足高精度定位需求,进一步提高了RTK在城市峡谷等环境中的适用性.

     

  • 图  1  天线阵列RTK示意图

    图  2  天线布局示意图

    图  3  不同截止高度角下PDOP均值与可视卫星数均值

    图  4  天线阵列RTK与RTK在不同截止高度角下的平均自举成功率$P_{s, \mathrm{IB}}$

    图  5  不同截止高度角下RTK和天线阵列RTK计算的ADOP

    图  6  截止高度角20°与40°时天线阵列RTK与RTK的固定解水平方向、高程方向偏差

    表  1  天线阵列RTK模型与RTK模型参数浮点解公式

    模型基线向量模糊度向量基线方差阵模糊度方差阵
    RTK模型${ {\boldsymbol{Q} }_{ {\boldsymbol{\hat b\hat b} } } }{ {\boldsymbol{G} }^{\rm{T}}}{\boldsymbol{Q} }_{\boldsymbol{p}}^{ - 1}{\boldsymbol{p} }$${ {\boldsymbol{\varLambda} } ^{ - 1} }\left( { {\boldsymbol{\phi} } - {\boldsymbol{G} }\hat {\boldsymbol{b} } } \right)$${\left( { { {\boldsymbol{G} }^{\rm{T}}}{\boldsymbol{Q} }_{\boldsymbol{p}}^{ - 1}{\boldsymbol{G} } } \right)^{ - 1} }$${ {\boldsymbol{\varLambda} }^{ - 1} }\left( { { {\boldsymbol{Q} }_{\boldsymbol{\phi}} }{ { + } }{\boldsymbol{G} }{ {\boldsymbol{Q} }_{{\boldsymbol{\hat b\hat b}}} }{ {\boldsymbol{G} }^{\rm{T}}} } \right){ {\boldsymbol{\varLambda} } ^{ - 1} }$
    天线阵列RTK模型${ {\boldsymbol{Q} }_{{\boldsymbol{\hat b\hat b}}} }{\bar {\boldsymbol{G} } ^{\rm{T}}}{\boldsymbol{Q} }_{\boldsymbol{P}}^{ - 1}{\boldsymbol{P} }$${ {\boldsymbol{Q} }_{{\boldsymbol{\hat a\hat a}}} }{\bar {\boldsymbol{\varLambda} } ^{\rm{T}}}{\left( { { {\boldsymbol{Q} }_{\boldsymbol{\varPhi}} } + \bar {\boldsymbol{G} } { {\boldsymbol{Q} }_{{\boldsymbol{\hat b\hat b}}} }{ {\bar {\boldsymbol{G} } }^{\rm{T}}} } \right)^{ - 1} }\left( { {\boldsymbol{\varPhi} } - \bar {\boldsymbol{G} } \hat {\boldsymbol{b} } } \right)$${\left( { { {\bar {\boldsymbol{G} } }^{\rm{T}}}{\boldsymbol{Q} }_{\boldsymbol{P}}^{ - 1}\bar {\boldsymbol{G} } } \right)^{ - 1} }$${\left( { { {\bar {\boldsymbol{\varLambda} } }^{\rm{T}}}{ {\left( { { {\boldsymbol{Q} }_{\boldsymbol{\varPhi}} }{ { + } }\bar {\boldsymbol{G} } { {\boldsymbol{Q} }_{{\boldsymbol{\hat b\hat b}}} }{ {\bar {\boldsymbol{G} } }^{\rm{T}}} } \right)}^{ { { - } }1} }\bar {\boldsymbol{\varLambda} } } \right)^{ { { - } }1} }$
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    表  2  不同截止高度角下各卫星系统的解算率 %

    高度角/(°)GPSBDSGPS+BDS
    20100.0100.0100.0
    2596.7100.0100.0
    3093.3100.0100.0
    3583.7100.0100.0
    4064.498.6100.0
    4537.785.3100.0
    5017.678.599.1
    55 -12.547.0
    60 - -23.9
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    表  3  不同截止高度角下各卫星系统PDOP均值与可视卫星数均值

    截止高度角/(°)卫星数均值PDOP均值
    GPSBDSGPS+BDSGPSBDSGPS+BDS
    108.49.517.92.02.81.4
    206.69.115.73.73.21.9
    305.17.913.06.84.32.7
    403.86.110.025.36.94.3
    502.64.26.889.922.89.6
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    表  4  天线阵列RTK与RTK在不同截止高度角下的模糊度固定成功率 %

    截止高
    度角/(°)
    GPSBDSGPS+BDS
    RTK天线阵
    列RTK
    RTK天线阵
    列RTK
    RTK天线阵
    列RTK
    2098.999.0100100100100
    3090.493.5100100100100
    3584.890.399.699.9100100
    4078.084.797.799.3100100
    4570.878.279.485.999.999.9
    50--77.785.789.693.6
    55----78.483.3
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    表  5  不同截止高度角下天线阵列RTK与RTK三维坐标RMSE

    卫星系统截止高度角/(°)浮点解坐标RMSE/m固定解坐标RMSE/cm
    RTK天线阵列RTKRTK天线阵列RTK
    GPS单系统201.731.581.000.85
    302.712.371.541.34
    404.073.612.382.20
    50----
    BDS单系统201.310.990.890.73
    301.701.241.130.98
    402.852.171.551.38
    505.134.193.363.14
    GPS+BDS200.850.690.560.47
    301.110.880.700.61
    401.761.391.020.90
    502.702.262.172.02
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    表  6  不同截止高度角下天线阵列RTK与RTK固定解E、N、U方向上的RMSE

    卫星
    系统
    截止高
    度角/(°)
    RTK RMSE/cm天线阵列RTK RMSE/cm
    ENUENU
    GPS200.250.300.930.220.260.78
    300.430.381.430.390.341.24
    400.560.482.270.540.442.09
    50------
    BDS200.250.260.820.200.220.67
    300.270.291.050.230.250.93
    400.330.351.470.280.301.32
    500.760.733.190.680.682.99
    GPS+BDS200.160.170.500.140.150.42
    300.180.190.650.160.160.56
    400.230.220.960.200.190.85
    500.520.342.080.480.301.94
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  • 收稿日期:  2023-02-21

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