密集障碍物环境下GNSS多径信号检测视觉与估计方法研究

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随着导航卫星相关技术的发展,由多径信号引起的定位误差被认为是全球导航卫星系统(Global navigation satellite systems,GNSS)的主要误差源之一。在城市峡谷等障碍物密集条件下,由于环境的特殊性,多径信号的出现与消失不仅和载体与导航卫星之间的相对位置有关,还与载体所处的环境密切相关。此时多径信号呈现出短延迟、快时变、高动态等特性,很难建立准确的数学模型来全面刻画多径误差的变化规律。因此分析在城市峡谷等障碍物密集环境下多径信号对GNSS定位精度的影响,并具有针对性的提出多径误差抑制方法是一个值得探讨的问题。针对现有方法在解决短延迟、快时变、高动态多径信号抑制时存在的局限性,本文将多径信号对GNSS接收机的影响分为多径干扰与非视距接收等两种情况。面向GNSS接收机,开展基于数据处理的多径误差检测与抑制方法研究,提出基于期望最大化的直达视距与多径信号参数联合估计;基于边缘似然比假设检验的多径偏差检测、辨识与估计以及基于视觉里程计与惯导系统辅助的复合多径误差检测与抑制方法,确保在障碍物密集等复杂环境下GNSS定位精度与导航可靠性。本文具体工作如下:1.基于GNSS接收机基带信号模型,分析多径信号对接收机跟踪环路影响。在城市峡谷等障碍物密集条件下,基于跑车实验采集数据,建立在不同多径信号接收情况下的GNSS量测噪声统计模型,为后续章节开展研究提供依据。2.针对多径信号参数先验动态模型建立困难的问题,将多径信号参数作为量测方程的时变模型参数,提出基于期望最大化的直达信号与多径信号参数联合估计算法,并对算法收敛性进行证明;最后分别在静态与动态仿真场景下对提出算法进行实验验证,仿真结果表明:相比于其它多径干扰抑制方法,本文提出的算法在多径信号先验动态模型不准确条件下具有较好的多径干扰抑制性能。3.针对多径信号影响下GNSS伪距量测产生均值跳变且幅值快速改变的问题,提出了一种边缘似然比假设检验方法实现对GNSS伪距量测均值跳变的检测、辨识与估计,并通过仿真与实际跑车实验对提出方法进行验证。实验结果表明:通过引入均值跳变幅值的先验信息,本文方法可以显著提高量测均值跳变检测率;通过对量测均值跳变的辨识与校正,能够有效提高GNSS在多径信号非视距接收情况下的定位精度。4.基于多径误差的传播特性,提出基于视觉里程计与惯导系统辅助的GNSS量测复合多径误差检测与抑制方法,筛选出受多径信号影响的GNSS量测。跑车实验结果表明:本文提出方法能够有效的检测并剔除受到多径信号影响的GNSS量测,提高了城市峡谷等障碍物密集环境下GNSS量测利用率与载体定位精度。
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