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智能手机实时高精度差分定位算法研究与实现

肖青怀  
【摘要】:近年来,基于智能终端的位置服务(Location Based Services,LBS)逐步成为导航定位领域的研究热点。2016年8月,Google公司向用户公布全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)原始观测值接口,自此基于智能终端的高精度定位技术成为国内外研究人员关注的焦点。目前,市场上已有多款智能手机可支持BDS/GPS/GLONASS/Galileo四系统观测数据获取,其中部分手机已经支持双频,甚至三频数据获取。2018年5月,小米公司发布了全球第一款支持双频的智能手机——小米8(简称:MI8),可跟踪到GPS/Galileo/QZSS的L5/E5波段。2020年4月,华为发布的P40智能手机首次支持北斗三频(B1I+B1C+B2a)数据获取。在此背景下,许多学者做了智能手机相关实验,大部分是基于载波相位观测值的精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)、实时动态(Real Time Kinematic,RTK)载波相位差分技术,而对智能手机伪距定位研究较少,且不全面。本文利用智能手机伪距观测值和格网伪距差分技术,提高了智能手机的定位精度,填补了智能手机伪距差分相关邻域的空白,对研究智能手机伪距观测值特性和利用伪距进行导航定位提供了参考,具有一定的借鉴意义。论文的主要研究内容和贡献如下:(1)提出了基于双差极限误差的智能手机数据预处理方法。首先采用MI8、华为P30双频智能手机和TRIMBLE NET R9测量型接收机在相同的环境下同步观测,从卫星导航跟踪能力、多路径效应误差、观测噪声、信噪比、钟稳定性等方面进行了数据分析,进而以历元双差提取的观测值噪声为基础数据,提出了基于双差极限误差的原始伪距观测值数据预处理策略,实现了大部分误差的有效剔除,极大提高了智能手机定位精度。(2)研究分析了基于多普勒和载波相位平滑伪距的智能手机单点定位(Single Point Positioning,SPP)性能。经过多普勒平滑,MI8单点定位平面单方向外符合精度小于1m,而P30在N、U方向精度都有所提高,但提高不明显,E方向反而下降,这是由于P30多普勒观测值精度不高,且部分多普勒粗差与伪距粗差相关。经过载波相位平滑,MI8和P30单点定位平面单方向精度都小于1m;其中,MI8经过载波相位平滑单点定位精度在N、E、U方向分别提高了71.8%、65.2%、67.8%;P30经过载波相位平滑单点定位精度在N、E、U方向分别提高了42.3%、38.3%、41.5%。虽然,P30的伪距、载波相位、多普勒观测值中存在大量粗差,但是经过数据预处理,数据完好性明显提高,再结合平滑算法,精度都有所提高,从结果来看,载波相位平滑更加适用,效果提升明显。(3)研究实现了兼容BDS3/Galileo的BDS/GPS/GLONASS/Galileo四系统格网伪距差分服务系统。本文基于湖南和南京连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)实现了四系统格网伪距差分服务系统,并开发了相关终端程序。经过测试发现,测量型接收机伪距经过平滑,会使其单点定位结果相关性增加,随机性变差,通过格网伪距差分,可降低相关性。系统间精度相差较小时多系统融合可提高定位精度,精度差异较大时则不然,但多系统融合可增加系统的稳定性。(4)研究实现了基于扩展卡尔曼滤波的格网伪距差分算法。经过测试发现,用基准站数据做仿动态实验,其结果与最小二乘算法相比略有提高,但精度提升有限。从城市区域复杂环境下的动态测试结果来看,卡尔曼滤波算法具有较大有优势,其结果连续性较好。(5)研究实现了智能手机实时观测值的获取,分析了智能手机实时高精度差分定位算法性能。利用开发的软件测试了MI8、P30智能手机在伪距未平滑、多普勒平滑、载波相位平滑情况下的单点定位(SPP)、基于最小二乘的格网伪距差分定位(GRID Least Square,GRID_LS)算法和基于扩展卡尔曼滤波的格网伪距差分定位(GRID Extended Kalman Filter,GRID_EKF)算法的定位性能,并利用载波相位平滑GRID_EKF算法进行相关动态实验。结果表明:伪距差分可有效提高智能终端定位精度;在静态和动态情况下,经过伪距平滑的智能手机格网伪距差分定位精度可达到米级。


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