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城市环境下高精度载波相位定位关键技术研究与实现

朱棣  
【摘要】:卫星定位导航系统自问世以来,极大的改变了人类的生产生活方式,基于位置信息的多元化服务与应用已经成为人们生活不可或缺的重要组成部分之一。标准定位3至5米的定位精度已经无法满足现代智能化装备等领域对高精度定位的需求。以RTK、PPP技术为代表的基于载波相位观测量定位技术的出现,使得全球定位导航系统的应用领域得到了极大扩展。全球范围内高达毫米级精度的定位服务已可为测绘、精准农业、形变监测等领域提供支持。随着诸如城市智能物流、无人机配送、自动驾驶、智能机器人等一大批新兴智能装备的发展,城市环境高精度位置信息需求日益增长,但在城市环境下的载波相位精密定位仍面临地面共频通信干扰与稀疏观测条件下数据预处理、高动态载体浮点解实时精确估计、建筑遮挡条件下整周模糊度高效解算等关键技术难题,导致载波相位定位在城市应用中定位精度不足,收敛速度与成功率低。如何在城市环境下有效提升载波相位定位性能已成为该领域关键技术研究的热点方向之一。本文深入研究了 RTK、PPP等载波相位定位模型与算法,重点针对载波相位定位中稀疏化观测下周跳准确探测方法、高动态下浮点解联合精密估计方法、整周模糊度求解中高效去相关算法三大关键环节,开展研究创新与工程实践,主要工作内容和创新点如下:1.针对在城市地面共频段干扰和稀疏观测条件下的周跳准确探测难题,本文通过分析传统周跳探测算法中检测盲点产生机理,构造了可实现盲点补偿的对称几何无关组合,并建立了基于对称几何无关组合的二阶差分互补周跳探测算法。提出了确保周跳准确探测的观测量稀疏化准则,并给出了本文周跳探测算法的稀疏上限,实现了稀疏化观测条件下的周跳精确探测与修复。仿真结果表明,在稀疏至30s历元间隔的算例中,本文方法仍可准确探测和修复其中大于1周的周跳且无检测盲点,试验区间内成功检测率为99.3%,较传统电离层残差探测法和TurboE dit算法有效提升。2.针对城市高动态应用中载体浮点解精确估计问题,本文引入多普勒观测量和惯性测量数据对运动载体的急变速、变加速运动特征建模,提出了高动态下载体姿态与浮点解双反馈联合估计方法。通过建立惯性测量单元与载波相位观测量的双反馈互校正模型,解决了传统惯性融合估计模型在动态应用中独立位姿估计带来的精度不足问题。仿真试验表明,在10g高动态下本文所提模型浮点解估计精度约0.56m,较传统使用惯性紧组合模型显著提升。3.城市中建筑遮挡等环境特征引起的可见星分布恶化将导致定位方程组间相关性增强,使求解效率下降。而传统整周模糊度求解算法使用的去相关变换采用2维约束,其性能难满足城市应用中模糊度高效求解需求。针对这一问题,本文通过建立基于格基规约的去相关变换模型,使用格理论的分析方法扩展了去相关算法约束维度,提出了 N维Lovasz约束规约基及相应的高效格基规约去相关算法,提升了去相关变换性能。仿真试验表明,针对RTK、PPP定位的整周模糊度求解应用,本文所提算法较传统2维约束算法去相关性能平均提升达 39%。4.对本文提出的理论与工程创新方法,基于嵌入式系统实现了定位解算板卡硬件作为试验验证平台。采用开源载波相位定位算法基础框架,利用本文提出的理论算法对其中周跳检测、浮点解估计和整周模糊度求解等部分进行重构,可实现实时RTK与PPP定位。城市环境下的测试结果表明,本文实现的试验接收机在城市环境应用中,收敛速度、固定成功率和定位精度分别提升约14%、20%和12.3%,达到算法设计预期。


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