安卓手机反向RTK关键技术研究及车载实验验证

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随着低成本低功耗GNSS(Global Navigation Satellite System)芯片技术以及安卓手机操作系统的发展,手机等智能终端逐渐具备了输出多模多频GNSS原始观测数据的能力,为实现大众化的高精度定位服务提供了可能,如何利用手机实现实时、连续和可靠的高精度定位逐渐成为研究热点。安卓手机载波观测值存在非整周的初始相位偏差(Initial Phase Bias,IPB),其单历元双差模糊度不再具备整周特性;由于手机GNSS天线制造工艺所限,其信号增益较低,易因卫星信号失锁等造成观测值发生频繁周跳,加大了周跳探测和修复的难度;此外,手机的部件对低功耗有较高要求,CPU和内存等运算资源有限,难以给高精度定位算法分配足够的内存,导致较大的计算延迟。针对上述问题,本文提出了一种基于速度约束的历元间差分周跳探测及修复方法,基于此方法搭建了适用于安卓手机的反向RTK(Real-Time Kinematic)系统,利用安卓手机进行了大范围、多场景的实时动态车载实验,验证了此系统的可行性、稳定性及定位性能。本文的主要工作与结论如下:(1)系统地评估了安卓手机原始观测数据质量,着重分析了卫星跟踪状态、伪距及载波观测噪声、载噪比以及多普勒测速精度等指标。分析结果可知,安卓手机载波观测噪声约为2cm,IPB参数在手机启动后保持不变,在不发生周跳的情况下,历元间模糊度变化可保持整数特性;安卓手机GNSS信号的载噪比要比接收机低10~20d B-Hz左右,且载噪比与卫星的高度角没有明显的关联,在构建随机模型时宜采用载噪比定权模型;多普勒测速精度较高,一般可保持在1dm/s以内。(2)针对复杂环境下卫星信号频繁失锁的问题,提出基于多普勒速度约束的历元间单频周跳探测及修复方法。首先利用视线方向接近的卫星对的历元间差分载波观测值与多普勒速度解算的历元间相对位置构建组合观测量,通过残差判断卫星对是否存在周跳;随后利用最小二乘和基于最优/次最优备选组策略的部分模糊度固定方法进行周跳估计和修复;最后通过仿真实验验证了算法的有效性,此算法在一般场景下能够准确高效地探测多维周跳(成功率为90%以上),平均耗时低于5ms,能够稳定地应用于实时高精度定位中。(3)针对手机运算资源有限的问题,构建了适用于安卓手机的反向RTK系统,并将所提出的单频周跳探测及修复方法部署于系统中,降低手机端的运算压力。其重点包括安卓手机端APP,云端服务器后台以及连续运行参考站系统(Continuously Operating Reference System,CORS)平台三个模块的具体功能实现、各模块间的数据交互以及数据编码格式等内容。随后,利用小米8手机,使用该系统开展了大范围(武汉、北京及深圳三地)、多场景(城市开阔/遮挡,高速开阔/遮挡)的实时动态车载测试,验证系统的定位精度、稳定性及系统时延。结果表明,小米8手机在开阔场景下能实现亚米级平面定位精度,相比于手机自身芯片解,系统的实时定位精度最高可提升约70%。本文提出的单频周跳探测及修复算法在遮挡场景下可明显改善定位精度,提升效果可达30%~40%。反向RTK系统在多场景下能够稳定可靠运行,系统时延一般低于0.2s,具有较好的定位性能。
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