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城市环境GPS多路径效应改正技术研究

王梽人  
【摘要】:城市环境中的GNSS定位应用,接收到来自镜面反射、绕射、漫反射等额外路径抵达的相干信号,同时受到多路径干涉与非直射信号(non-line-of-sight,NLOS)接收的影响,造成复杂的测距误差。大多数现有的多路径抑制技术将NLOS接收与多路径干涉所引起的误差分开讨论以简化问题,而在实际的城市环境中,多路径效应是多种误差共存并且相互作用的结果。因此,需要考虑综合性的应对方案。有学者将“直射信号以外的来自其他主动或被动激发源的相干信号对直射信号干扰产生的效应”定义为广义多路径,更全面深入地研究各种多路径效应。基于以上分析,本文在广义多路径框架下,以GPS系统为研究对象,研究城市环境下多种多路径的共性及综合效应,并提出相应的改正模型,主要研究内容如下:1)对不同类型多路径信号的作用机制、误差特性和相关计算方法进行研究,并对不同机制多路径信号造成的误差水平进行定性定量分析,最后实例分析了多路径信号根据其传播路径几何关系而具有的时空重复性。2)利用各种多路径的空间重复性,集成空间插值方法与多路径半天球图(multipath hemispherical map,MHM),提出了综合应对城市环境各种多路径并存的载波多路径改正方法——基于趋势面分析的多路径半天球图(trend surface analysis-based multipath hemispherical map,T-MHM)。与原有的MHM建模方法相比,T-MHM增强了对低频和高频多路径的建模改正能力,且对多路径干涉和NLOS接收引起的测距误差同时有效。在实际应用中,T-MHM可以采用较大的格点尺寸或采用等面积的格点划分方式来提高计算效率和空间覆盖率,同时能够保证基线解精度、收敛速度以及载波相位残差的改正率。最佳建模条件下T-MHM模型对E、N、U三个方向上有约93.62%、89.33%和94.75%的精度提升。3)进一步针对伪距多路径误差特性提出了基于趋势面分析的高级多路径半天球图(advanced trend surface analysis-based multipath hemispherical map,AT-MHM)。AT-MHM考虑了格点内多路径的各向异性,对空间异质性较弱的参数采用线性趋势项,避免了对空间趋势的过拟合。在测地型接收机和低成本接收机平台分别对其多路径抑制性能进行了评估:AT-MHM对Trimble接收机和Ublox接收机,基线精度的提升比例分别能达到45.7%和72.9%。4)利用典型环境的实测数据对城市环境下多种多路径信号的共存和相互影响的现象:单NLOS信号、多种NLOS信号的干涉以及绕射信号与直射信号之间的转变进行了解释;发现了绕射信号的类直射性质,及其造成的载波误差可能超过2周;在以上研究的基础上,基于激光雷达点云数据提出了一种考虑多种多路径综合作用下的NLOS误差反演方法。


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