衛星導航數據優化處理工藝研究
研究前沿
作者：王琪
摘要：文章以衛星導航係統為基礎，對衛星導航係統的相關技術進行了研究，對這些技術的研究背景以及在國際、國內的發展現狀和未來前景進行了闡述，同時對衛星導航的數據優化處理工藝進行了簡要的介紹和分析。
關鍵詞：衛星導航；數據優化；處理工藝；卡爾曼濾波
中圖分類號：TN967 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）03-0012-03
美國國防部投入並使用了全球定位係統（GPS），該係統以全天候、全球性和低成本等優勢在導航定位技術領域裏，顯示出強大的生命力和競爭力。在這個局麵的影響下，各國紛紛對衛星導航係統進行了研究、論證和研發，並相繼將其投入使用。在這個大背景下，我國自行研製的第一代衛星導航係統——“北鬥”現也已投入使用。目前，衛星導航係統在海事領域、航空領域和陸地上都得到了大量廣泛的應用。為了滿足這些有效的需要，實現高精度和高可靠性的定位解算，就成了衛星導航係統技術發展的必然趨勢。
1 衛星導航係統的解算方法
在衛星導航係統裏，一般采用卡爾曼濾波和最小的二乘估計作為偽距測量值進行絕對定位的解算方法。一般情形下，前者比後者具有更多被估計量的先驗信息，所以前者定位精度更高、對係統狀態的估計更好。卡爾曼濾波當前在導航係統裏被廣泛應用，因為它以線性最小的方差估計為估計的準則，通過線性遞推公式表達的采用，有著實時性好和存儲量小等優點。
2 衛星導航係統解算方法分析
導航定位濾波算法在實際應用過程中，主要存在以下這些問題：
2.1 建立機動載體目標的運動模型
一般情況下，在衛星導航係統中假設卡爾曼濾波器的係統狀態方程是勻速或勻加速的直線運動方程。不過在實際的係統中，一般載體的運動狀態都是未知的，同時目標運動的環境和背景也非常複雜，所以載體還將要進行部分機動的運動。勻加速運動模型如果在機動強烈的情況下加以采用，會造成相當大的定位誤差，所以要合理假設目標機動
模型。
2.2 非線性濾波
因為非線性方程是衛星導航係統的觀測方程，因而在實際情況下，載體目標運動方程也通常為非線性。通常采用擴展的卡爾曼濾波，在衛星導航係統裏對係統的方程能進行線性化的處理，不過這類方式會導致引入的線性化帶來一定誤差，並降低濾波器的有效估計性能。所以要解決這個問題，就必須采用比較好的非線性濾波技術。
2.3 計算機字長有效效應的限製
計算機的字長比較有限，誤差一般在舍入時產生。增加觀測曆元導致誤差累計到相應程度，就能讓濾波的誤差的協方差陣失去相應的正定性，並大大降低濾波的精度，進而造成發散。
2.4 對濾波器設定參數
在進行狀態估計的過程裏，卡爾曼濾波需要設定狀態的初始估計值、係統噪聲方差陣、誤差的初始協方差陣和觀測噪聲方差陣。設定這些參數如果偏離係統實際統計特性比較嚴重，比較大的定位誤差也會對應產生。
3 衛星導航係統組成及技術分析
3.1 衛星導航係統組成
目前常見的衛星導航係統的接收機包括檢測接收機、基本型用戶機、高動態接收機和雙模型用戶機這幾類。這些設備終端的產生和應用背景各自不同，用於地麵運控係統檢測站數據采集並未固定位置的是檢測接收機；用於中低動態用戶定位導航為主的是基本型用戶機和雙模型用戶級；而用於星載和彈載等高動態用戶導航定位和目標精確打擊為主的是高動態接收機。由此可以看出，在不同的終端設備中，相應所處的噪聲來源和應用場景都相互不同。在複雜背景裏的定位精確，就無法用標準的卡爾曼濾波來進行導航係統的信息處理。
3.2 衛星導航係統技術分析
能夠在導航定位係統中采用濾波技術，都是因為物體的慣性造成的。麵對所有物體運動，定位導航係統都應當遵循牛頓定律，利用了這個事實的就是定位導航濾波技術。