复杂环境北斗/GNSS双频差分定位关键技术研究

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当前,随着智能驾驶、移动测图、智慧城市等行业的发展,对于城市环境中高精度、高可靠性的定位技术的需求愈演愈烈。2020年7月,北斗三号全面组网完成,为用户提供更高质量的全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时(PNT)服务,通过配合GPS、GLONASS等其他导航定位系统形成多系统融合定位,城市复杂环境下的定位精度和可信度得到了极大改善。载波相位差分定位作为一种目前应用最为广泛和成熟的卫星定位技术,能为用户提供厘米至毫米级的定位服务。但是,在复杂的动态环境下,卫星信号极易受到遮蔽环境影响,无法保证定位结果的可信度。本文针对上述问题,深入开展复杂环境应用场景下差分定位技术研究,重点突破周跳探测与修复、模糊度固定等关键技术,创建一套适用于复杂环境的精密定位技术服务,该服务以北斗系统为主,兼容其他GNSS系统。论文的主要内容及成果如下:(1)系统性地分析了北斗/GNSS载波相位差分定位技术的发展以及目前存在的不足,并从GPS/BDS/GLONASS系统的函数模型、随机模型、参数估计等方面详细推导和介绍了 GNSS相对定位的基本理论。通过一组短基线数据对七种定位方式(G、B、R、G+B、G+R、G+R、G+B+R)进行多系统融合定位实验。结果表明,多系统融合定位方案在可用卫星数、模糊度固定率、定位精度方面相比于单系统、双系统方案均得到了进一步改善。(2)GNSS动态定位中周跳的探测与修复极易受到多路径环境的影响,卫星信号会因多路径效应引起整周跳变,更严重时会导致信号失锁,周跳估值的确定因历元间变化剧烈的伪距多路径残差影响而不准确,进而使得传统双频MW组合周跳探测模型无法精准探测。针对周跳在强多径环境中的精确探测与可靠修复,以BDS双频观测值为例,本章节提出了 AMG周跳探测与修复方法,构建了 AR模型辅助的周跳检验量,给出了周跳探测误检率、漏报率的评价指标。结果表明,AMG周跳探测与修复方法削弱了伪距多路径效应对周跳探测的影响,可以有效解决强多路径环境下的周跳探测与修复不准确的问题。相比于传统方法,AMG组合周跳修复率提升了 36%,且周跳误探率和漏探率分别降低了 64.5%、42.0%。(3)在动态环境下,模糊度因GNSS信号具有脆弱性,极易受到遮蔽或半遮蔽环境的影响导致固定失败,进而引起差分定位结果出现较大偏差。因此,为了提高模糊度固定的准确性,本文提出一种参考验后残差绝对值+高度角信息的部分模糊度固定方法,用以剔除低观测水平的卫星对模糊度固定带来的不良影响,从而改良在城市复杂环境中模糊度固定的可靠性,为高精度、高可信定位带来更多可能。实验结果表明,部分模糊度固定方法有效改善了导航参数的估计性能。相比于传统全模糊度固定方法,模糊度固定率提升5%,并且N、E、U三个方向的精度分别改善了29%、50.4%和3.1%。(4)本章节以一组车载实测数据为例,对复杂环境差分定位方法进行可行性和精度分析。单系统中BDS系统完成了定位解算,但最大存在米级的误差。双系统中,GPS+BDS系统的定位结果最好。多系统进一步改善了双系统的定位精度,在N、E、U三向定位精度方面分别提升了 40%、43%和36%。与常规的全模糊度固定策略相比,部分模糊度固定策略在N、E、U方向上的定位精度分别提升了53%、59%和2%。三类常见复杂场景下的动态部分模糊度固定算法实验结果表明,无论是历元解算数量还是定位精度,相比于全模糊度固定策略,部分模糊度固定策略显著提升复杂环境下差分定位的可靠性和定位精度。
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