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摘要：本文针对高动态卫星定位接收机的动态性能评估问题，提出了利用伪距和伪距率残差进行一致性检验，在无法获得位置和速度的准确参考的情况下，可以对接收机在高动态条件下的工作性能进行评测。通过试验也验证了评估方法的有效性。
关键词：卫星定位；高动态；接收机；动态评估
引 言
卫星导航系统具有定位精度不随时间漂移，长期稳定性好的特点，可以与INS性能互补，所以采用GNSS/INS复合制导方案可以有效地提高制导系统的整体性能，提高武器的精确打击能力。GNSS/INS组合制导技术是目前最先进的全天候、自主式制導技术，两个系统经过不同方式的结合，既能提高系统的导航定位精度，又可增强GNSS接收机的抗干扰能力。
弹载卫星定位接收机必须适应导弹高速、大机动的特殊应用特点。高动态的应用环境给卫星定位接收机的设计和测试都带来了很大的困难。
1.接收机主要性能及评价方法
弹载卫星定位接收机为导弹飞控系统提供实时的位置、速度和时间信息以及伪距、伪距变化率等原始观测量，修正惯导误差随时间的漂移，同时为导弹实现它机制导提供联合时空基准。
接收机的性能指标主要包括位置精度、速度精度和授时精度。常见的定位精度指标有4种即TRMS（时间真均方根误差）、RMS（均方根误差）、σ（标准误差）和CEP（圆概率误差）[1]。各评定方法对应于不同的试验数据分布假设、不同的统计推断算法以及不同的应用领域。比如，在国内定位精度一般用CEP表示，并且在不同领域CEP指标按照不同的置信水平又有不同的Rp（概率半径）表现形式，例如航空慣导一般用“95% CEP”（R95）表示，船用惯导则用“50%CEP”（R50）表示[2]。
影响接收机伪距测量精度的主要误差有：伪距观测误差、星历误差、卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差以及多径效应产生的误差等，对于某一颗给定的卫星来说，UERE被看作是与该卫星相关联的每个误差源所产生的影响的统计和，在各颗卫星之间，通常假定UERE是相互独立，并且分布是相同的。
几何因子包括水平精度几何因子（HDOP）、高度精度几何因子（VDOP）、三维位置精度几何因子（GDOP）和时钟精度几何因子（TDOP）等，分别对应接收机的水平误差、高度误差、位置误差和时间误差。
2.接收机静态评估方法
接收机在静态的条件下，由于可以得到接收机的真实位置并且可以获得足够的数据样本，因此通常采用概率统计的方法对接收机的定位精度进行测试和评估。
接收机的静态精度评估可以分为内场和外场两种测试环境，其中内场测试环境主要基于卫星导航信号模拟器，可以通过模拟产生卫星导航信号，真实模拟空间导航星座分布与用户载体动态，实现对接收机的定位精度、测速精度和授时精度进行较为全面的测试和评估；外场测试环境则提供真实的测试评估环境开展实际效果评估。
内场测试环境下可由卫星导航信号模拟器给出基准点位置，并利用公式（3）和公式（4）对静态精度进行评估。
外场测试环境下可以事先标定测试点的位置坐标，并将此坐标带入公式（3）同时利用公式（4）对静态精度进行评估。
3.接收机动态评估方法
在内场测试环境利用卫星导航信号模拟器虽然可以在一定程度上评估接收机的动态性能，但是仍然无法反映接收机在真实的高动态环境下的工作性能。
伪距是卫星导航系统的基本观测量，伪距的测量精度直接决定了系统的导航定位精度。由于GNSS与INS的组合导航通常采用紧组合导航算法，利用伪距观测值和载波多普勒观测值对INS误差项进行实时修正，伪距和载波多普勒均为卫星定位接收机的原始观测量，伪距和多普勒的测量精度直接影响组合导航的性能。与接收机定位精度相比，GNSS/INS紧组合导航系统更关心伪距和多普勒的测量误差，因此我们采用伪距残差和伪距率残差作为接收机动态性能的评估方法，通过对伪距和伪距率的一致性检验来评估接收机的动态性能。
3.1伪距与伪距率残差量测方程
在靶试时接收机将接收到的星历信息和伪距、伪距率等原始观测量通过导弹遥测信号发送到遥测地面站，就可以根据σρ和σδρ来判断接收机实际动态工作性能，并且当定位精度超差时也可以根据遥测信息实现快速故障分析和定位。[6][7]
试验数据分析
为了验证动态评估方法的有效性，我们对对接收机在内场静态、外场静态和靶场动态不同环境的试验数据进行分析对比，其中内场静态测试采用卫星导航信号模拟器作为信号源，计算定位精度时将接收机输出的位置和速度与模拟器设定的静态场景进行比对；动态场景测试在室外真实环境中进行试验，用户真实位置用接收机输出定位结果的平均值替代，试验分析结果如表1所示。
由表1数据看出，在内场静态时收到10颗卫星，此时PDOP值为2.4，伪距残差为0.51m，伪距率残差为0.24m/s，速度精度0.01m/s。外场静态测试时，由于只收到7颗卫星，导致此时PDOP值变为3.32，伪距残差为0.63m，伪距率残差为0.27m/s，速度精度0.08m/s，相对于内场静态测试稍差。但由于外场静态采用了接收机给出的位置均值作为基准值，所以此时的定位精度显示优于内场静态时以模拟器真值为基准值时的定位精度。而在靶场动态条件下，虽然收到12颗卫星，PDOP值也接近于内场静态时的2.4，但由于载体的机动，接收机在动态条件下的定位精度随之下降，这一点反映在伪距残差和伪距率残差均增大上。
因此，上述试验结果表明，采用伪距残差和伪距率残差作为接收机动态性能评估的方法，可以真实有效地反映接收机在高动态条件下的工作性能。
参考文献：
[1]Wang Yanyong，Yang Gongliu，Yang Shujie. Comprehensive assessment of methods for calculating circular error probability of inertial positioning [C]. 2th International Conference on Electronics， Communications and Control， CC69767 China， 2012.
[2]王艳永，贾兴荣，高晖，杨功流.基于统计推断的惯性定位精度评估方法对比[J]. 计算机应用. 2012，32（S2）：276-279.
[3]王博，焦海松，谷庆，黄静华. 北斗接收机动态定位精度测试与分析[J].导航定位学报. 2014，6（Vol.2，No.2）.
[4]谢劭峰，刘立龙，刘斌.GPS动态定位模型的研究[J].测绘科学，2008，33（4）：29-31.
[5]朱新慧，王刃.卫星导航接收机测距精度评价方法研究[J].全球定位系统. 2007，5：14-18.
[6]李增科，高井祥，韩厚增. 基于伪距残差相关性的GPS/INS紧耦合抗差滤波[J].中国矿业大学学报. 2014，7：731-737.
[7]王珏，叶红军，何成龙. 多模复合接收机测试与评估体系研究[J]. 无线电工程. 2015，45（1）：48-51.
作者简介：
王辉（1980—），男，河南洛阳人，博士，高级工程师，研究方向为卫星定位及其抗干扰技术。
关键词：卫星定位；高动态；接收机；动态评估
引 言
卫星导航系统具有定位精度不随时间漂移，长期稳定性好的特点，可以与INS性能互补，所以采用GNSS/INS复合制导方案可以有效地提高制导系统的整体性能，提高武器的精确打击能力。GNSS/INS组合制导技术是目前最先进的全天候、自主式制導技术，两个系统经过不同方式的结合，既能提高系统的导航定位精度，又可增强GNSS接收机的抗干扰能力。
弹载卫星定位接收机必须适应导弹高速、大机动的特殊应用特点。高动态的应用环境给卫星定位接收机的设计和测试都带来了很大的困难。
1.接收机主要性能及评价方法
弹载卫星定位接收机为导弹飞控系统提供实时的位置、速度和时间信息以及伪距、伪距变化率等原始观测量，修正惯导误差随时间的漂移，同时为导弹实现它机制导提供联合时空基准。
接收机的性能指标主要包括位置精度、速度精度和授时精度。常见的定位精度指标有4种即TRMS（时间真均方根误差）、RMS（均方根误差）、σ（标准误差）和CEP（圆概率误差）[1]。各评定方法对应于不同的试验数据分布假设、不同的统计推断算法以及不同的应用领域。比如，在国内定位精度一般用CEP表示，并且在不同领域CEP指标按照不同的置信水平又有不同的Rp（概率半径）表现形式，例如航空慣导一般用“95% CEP”（R95）表示，船用惯导则用“50%CEP”（R50）表示[2]。
影响接收机伪距测量精度的主要误差有：伪距观测误差、星历误差、卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差以及多径效应产生的误差等，对于某一颗给定的卫星来说，UERE被看作是与该卫星相关联的每个误差源所产生的影响的统计和，在各颗卫星之间，通常假定UERE是相互独立，并且分布是相同的。
几何因子包括水平精度几何因子（HDOP）、高度精度几何因子（VDOP）、三维位置精度几何因子（GDOP）和时钟精度几何因子（TDOP）等，分别对应接收机的水平误差、高度误差、位置误差和时间误差。
2.接收机静态评估方法
接收机在静态的条件下，由于可以得到接收机的真实位置并且可以获得足够的数据样本，因此通常采用概率统计的方法对接收机的定位精度进行测试和评估。
接收机的静态精度评估可以分为内场和外场两种测试环境，其中内场测试环境主要基于卫星导航信号模拟器，可以通过模拟产生卫星导航信号，真实模拟空间导航星座分布与用户载体动态，实现对接收机的定位精度、测速精度和授时精度进行较为全面的测试和评估；外场测试环境则提供真实的测试评估环境开展实际效果评估。
内场测试环境下可由卫星导航信号模拟器给出基准点位置，并利用公式（3）和公式（4）对静态精度进行评估。
外场测试环境下可以事先标定测试点的位置坐标，并将此坐标带入公式（3）同时利用公式（4）对静态精度进行评估。
3.接收机动态评估方法
在内场测试环境利用卫星导航信号模拟器虽然可以在一定程度上评估接收机的动态性能，但是仍然无法反映接收机在真实的高动态环境下的工作性能。
伪距是卫星导航系统的基本观测量，伪距的测量精度直接决定了系统的导航定位精度。由于GNSS与INS的组合导航通常采用紧组合导航算法，利用伪距观测值和载波多普勒观测值对INS误差项进行实时修正，伪距和载波多普勒均为卫星定位接收机的原始观测量，伪距和多普勒的测量精度直接影响组合导航的性能。与接收机定位精度相比，GNSS/INS紧组合导航系统更关心伪距和多普勒的测量误差，因此我们采用伪距残差和伪距率残差作为接收机动态性能的评估方法，通过对伪距和伪距率的一致性检验来评估接收机的动态性能。
3.1伪距与伪距率残差量测方程
在靶试时接收机将接收到的星历信息和伪距、伪距率等原始观测量通过导弹遥测信号发送到遥测地面站，就可以根据σρ和σδρ来判断接收机实际动态工作性能，并且当定位精度超差时也可以根据遥测信息实现快速故障分析和定位。[6][7]
试验数据分析
为了验证动态评估方法的有效性，我们对对接收机在内场静态、外场静态和靶场动态不同环境的试验数据进行分析对比，其中内场静态测试采用卫星导航信号模拟器作为信号源，计算定位精度时将接收机输出的位置和速度与模拟器设定的静态场景进行比对；动态场景测试在室外真实环境中进行试验，用户真实位置用接收机输出定位结果的平均值替代，试验分析结果如表1所示。
由表1数据看出，在内场静态时收到10颗卫星，此时PDOP值为2.4，伪距残差为0.51m，伪距率残差为0.24m/s，速度精度0.01m/s。外场静态测试时，由于只收到7颗卫星，导致此时PDOP值变为3.32，伪距残差为0.63m，伪距率残差为0.27m/s，速度精度0.08m/s，相对于内场静态测试稍差。但由于外场静态采用了接收机给出的位置均值作为基准值，所以此时的定位精度显示优于内场静态时以模拟器真值为基准值时的定位精度。而在靶场动态条件下，虽然收到12颗卫星，PDOP值也接近于内场静态时的2.4，但由于载体的机动，接收机在动态条件下的定位精度随之下降，这一点反映在伪距残差和伪距率残差均增大上。
因此，上述试验结果表明，采用伪距残差和伪距率残差作为接收机动态性能评估的方法，可以真实有效地反映接收机在高动态条件下的工作性能。
参考文献：
[1]Wang Yanyong，Yang Gongliu，Yang Shujie. Comprehensive assessment of methods for calculating circular error probability of inertial positioning [C]. 2th International Conference on Electronics， Communications and Control， CC69767 China， 2012.
[2]王艳永，贾兴荣，高晖，杨功流.基于统计推断的惯性定位精度评估方法对比[J]. 计算机应用. 2012，32（S2）：276-279.
[3]王博，焦海松，谷庆，黄静华. 北斗接收机动态定位精度测试与分析[J].导航定位学报. 2014，6（Vol.2，No.2）.
[4]谢劭峰，刘立龙，刘斌.GPS动态定位模型的研究[J].测绘科学，2008，33（4）：29-31.
[5]朱新慧，王刃.卫星导航接收机测距精度评价方法研究[J].全球定位系统. 2007，5：14-18.
[6]李增科，高井祥，韩厚增. 基于伪距残差相关性的GPS/INS紧耦合抗差滤波[J].中国矿业大学学报. 2014，7：731-737.
[7]王珏，叶红军，何成龙. 多模复合接收机测试与评估体系研究[J]. 无线电工程. 2015，45（1）：48-51.
作者简介：
王辉（1980—），男，河南洛阳人，博士，高级工程师，研究方向为卫星定位及其抗干扰技术。