城市环境下多系统实时PPP/MEMS INS紧组合模型构建与性能分析

以GNSS和INS为代表的传感器提供的高精度实时位置是自动驾驶、智能交通等领域的重要基础。为提升GNSS和MEMS INS在城市环境下的实时定位性能,本文利用IGS播发的实时精密轨道和钟差改正数,构建了多系统实时PPP/MEMS INS紧组合模型,分析和评估了多系统实时PPP与PPP/MEMS INS紧组合的性能,并与事后精密产品获得的结果进行对比。试验结果表明,在GNSS短时中断期间,多系统PPP/MEMS INS紧组合可以实现连续可靠定位;水平和高程分量的定位精度分别可达0.374和0.339 m,但与事后精密产品相比仍有差距,点位定位精度相差约为0.15 m。PPP/INS紧组合的测速及定姿精度主要取决于INS,测速精度约为1 cm/s,与使用IGS事后产品得到的结果相比,无明显差异;航向角的可观测性较弱,静止期间航向角误差明显增加。     

城市环境下BDS+GPS RTK+INS紧组合算法性能分析

城市环境下运动载体接收的GNSS信号会被频繁地干扰和遮挡,GNSS RTK独立工作模式难以连续且可靠地固定模糊度以满足厘米级高精度定位需求。为此,本文设计了一套基于集中式卡尔曼滤波的BDS+GPS RTK紧组合算法,给出了其动力学模型、观测模型和算法架构流程。通过城市环境下的实际车载测试,对比分析了BDS、GPS、BDS+GPS 3种模式下RTK及RTK+INS紧组合的定位性能。试验结果表明,BDS+GPS双系统大大增加了可见卫星数,提高了城市环境下GNSS动态精密定位的可用性和精度;相对于GNSS RTK,紧组合极大地提高了精密定位的可靠性和可用性。     

抗差估计在RTK／INS紧组合中的应用研究

针对动态环境下GNSS／INS导航定位结果常受粗差影响的问题,提出了一种基于抗差卡尔曼滤波的GPS／BDS双系统RTK／INS紧组合导航定位算法,根据方差膨胀模型,建立抗差卡尔曼算法,得到GNSS／INS紧组合抗差解,并通过两个不同区域的实测车载实验进行了算法验证. 实验结果表明:本方法相较于传统方法，在N、E、D三个方向的导航精度分别提高1.4～4.6 cm,0.7～9 cm,1.5～2 cm,模糊度固定成功率提高10.3％～25.6％,导航精度及可靠性得到显著提高,对动态环境下车载或自动驾驶等应用具有一定的理论参考和实用价值.      

BDS/GNSS融合精密单点定位性能分析

随着北斗卫星导航系统(BDS)的全球组网成功,基于BDS的应用研究正在如火如荼的进行中,尤其是包括BDS在内的多频多模融合定位正成为研究的重点. 利用MGEX (Multi-GNSS Experiment)多个测站的BDS、GPS、GLONASS、Galileo观测数据,基于RTKLIB开源代码,在Visual Studio 2017平台上进行了BDS/GPS、BDS/GLONASS、BDS/Galileo三种组合系统的精密单点定位(PPP)实验,从静态PPP、动态PPP、可见卫星数、精度衰减因子(DOP)等方面对比分析了三种组合系统的定位性能. 实验结果表明:BDS/GPS组合系统的可见卫星数最多,各DOP值最小,静态PPP收敛后三个方向的精度优于6 cm. 不论是静态PPP还是动态PPP,其定位性能都最好;BDS/GLONASS、BDS/Galileo组合系统动态PPP的定位抖动较大,可见卫星数都要小于BDS/GPS组合系统,收敛时间较长,两者的动态PPP定位性能也差于BDS/GPS组合系统.      

BDS-3 PPP/INS紧组合定位性能分析

随着我国北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)的全面建成，基于BDS-3的高精度定位定姿应用需求日益迫切.推导了无电离层组合模式BDS-3精密单点定位(PPP)模型及地心地固坐标系下的惯性导航系统(INS)误差方程，构建了BDS-3 PPP/INS紧组合定位滤波模型，分别针对BDS-3 PPP、BDS-3 PPP/INS松组合、BDS-3 PPP/INS紧组合三种模式进行了定位性能评估.实验结果表明：BDS-3 PPP/INS松组合与BDS-3 PPP位置精度基本一致；BDS-3 PPP/INS紧组合在东(E)、北(N)、天顶(U)方向位置精度为分别7.9 cm、9.3 cm、9.4 cm，较BDS-3 PPP/INS松组合位置精度分别提升了38.3%、33.1%、35.6%，速度精度分别提升了27.3%、45.8%、12%，姿态精度相当.     

GNSS精密单点定位与惯性导航紧组合理论模型

针对精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)动态定位精度低、收敛速度慢等问题,本文采用PPP/INS紧组合系统来达到改善PPP动态定位性能的目的。本文对PPP/INS紧组合的观测方程、误差补偿模型、参数估计模型等进行详细推导。通过车载实验采集的卫星观测数据和不同等级的惯性数据,对动态PPP及PPP/INS紧组合的定位定姿性能进行分析,评估不同等级惯性传感器对PPP/INS紧组合定位精度和收敛速度的影响。实验结果表明:PPP/INS紧组合在北—东—高方向的位置RMS相对于PPP分别改善了70.2%、29.1%和16.8%,达到4.8 cm、12.3 cm和7.4 cm。在卫星跟踪条件良好时,惯性传感器性能对PPP/INS紧组合定位精度影响不大;而在卫星观测条件不足时,惯性传感器性能对PPP/INS紧组合定位精度影响明显。此外,仿真和恶劣条件下的数据结果表明,PPP/INS初始定位精度与收敛速度随惯性传感器性能提高而改善明显。     

3种GPS+BDS组合PPP模型比较与分析

无电离层组合和非组合模型是GNSS精密单点定位(PPP)常用的两种函数模型。本文通过详细分析PPP的两种函数模型各类参数间的相关特性,建立了参数独立的函数模型。对非组合PPP模型的电离层参数引入虚拟观测方程进行约束,有效提高了PPP的收敛速度。最后,从定位精度和收敛时间两方面分析不同函数模型的GPS单系统和GPS+BDS组合PPP静态、模拟动态定位效果。结果表明:GPS单系统和GPS+BDS组合PPP定位精度相当,静态的无电离层组合与非组合PPP均可达到厘米至毫米级精度,动态PPP精度的平面优于3cm,高程优于5cm;无电离层组合PPP收敛时间优于非组合的PPP,电离层加权非组合PPP的收敛时间最短。动态定位中,电离层加权模型相比于无电离层组合模型,可减少约15%的收敛时间,相比于非组合模型,可减少约34%。     

基于精密单点定位的双星导航精度与稳定性研究

采用精密单点定位(PPP)的方法,分别进行静态实验和动态实验,对重庆主城地区的BDS与GPS定位的精度进行研究,发现BDS系统的可视卫星数量明显多于GPS系统,但在稳定性上稍稍弱于GPS,对比BDS卫星导航定位系统、GPS卫星导航定位系统以及BDS/GPS组合定位的精度及时效性,得出了BDS/GPS组合定位精度更高且时效性更好的结论.     

相位平滑伪距GNSS PPP/INS紧耦合算法

针对在导航实践中低成本MEMS使用传统紧耦合方法计算精度受到限制的问题,提出了一种采用载波相位平滑伪距GNSS PPP/INS紧耦合的算法。实验表明,使用相位平滑伪距的GNSS PPP/INS紧耦合方法后低精度的MEMS和GPS组合位置精度为dm级,速度精度为cm/s甚至mm/s,比传统C/A码紧耦合定位精度高,有较好的收敛性;其次当增加相位平滑的历元数后精度也相应提高。当出现GPS信号中断时,该方法能够加速中断以后滤波收敛的速度,将导航精度控制在中高精度惯导作业要求范围内。该方法节约了导航作业的设备成本,具有一定实际意义。     

GNSS观测值统一表达及组合PPP解算性能分析

针对GNSS多系统组合进行PPP定位的问题,推导了GNSS观测值统一表达式;进而给出了基于UofC模型的多系统组合PPP的函数模型和随机模型;最后采用6个IGS观测站24 h观测数据对7种组合模型的PPP进行解算,并从收敛率、收敛速度和定位精度等方面进行了统计分析。实验结果表明,当观测时长为60 min时,GPS/GLONASS/BDS组合PPP收敛性能最好,收敛率为91.7%,平均收敛时间为16.1 min;而BDS PPP收敛性能最差,收敛率仅为32.7%,平均收敛时间为38.4 min。可见,多系统组合有利于提高精密单点定位的解算性能。对于定位精度,在观测时长较短时(如0.5 h),GPS/GLONASS/BDS组合PPP整体上具有最优的定位精度,(N,E)方向偏差和标准差分别为(0.3,0.5)cm和(1.9,4.3)cm;短时间内对流层参数与垂直方向的强相关性,将致使U方向精度较差。     

GPS+BDS与UWB组合定位的Helmert方差分量估计方法

为了提高室内外过渡区定位精度,本文采用GPS+BDS与UWB组合定位,建立GPS+BDS与UWB组合定位模型,并针对GPS与BDS星座结构的不同,以及UWB与GNSS观测值残差差异较大的情况,采用Helmert方差分量估计法分别对GPS、BDS、UWB进行定权;最后通过动态室内外过渡区试验组合模型进行精度验证。结果表明,基于GNSS+UWB定位系统,采用Helmert方差分量方法,在东、北、天3个方向的定位精度均获得了显著提高,静态条件下提高幅度约为20%,动态条件下提高幅度约为10%。     

GPS、BDS、GPS+BDS精密单点定位精度评估

由于北斗系统卫星正式完成组网,因此有必要对BDS系统性能进行精度评估与分析。本文选取了MGEX网所采集的31 d观测数据,对比分析了GPS、BDS、GPS+BDS不同情况下静态与动态精密单点定位精度。试验结果表明,GPS和BDS单系统静态PPP在N、E、U方向上的精度分别优于4、4、7 cm;GPS+BDS组合系统静态PPP在N、E、U方向上的精度分别优于3、3、6 cm;GPS单系统动态PPP在N、E、U方向上的精度分别优于5、5、10 cm;BDS单系统动态PPP在N、E、U方向上的精度分别优于5、6、12 cm;GPS+BDS组合系统动态PPP在N、E、U方向上的精度分别优于4、4、8 cm。因此组合系统相对于单系统可提高定位的稳定性和定位精度,尤其在动态PPP的情况下,组合系统的优势更为明显。     

Helmert方差分量估计在GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合精密单点定位权比确定中的应用CSCD

多星座组合定位可以提升导航定位性能,但不同星座观测量组合时需要考虑合适的随机模型.传统方法是根据经验直接设定各系统的等价权重,但会导致随机模型确定不精确,从而影响组合系统的性能提升.将Helmert方差分量估计方法应用于GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合精密单点定位(PPP)中,以自适应确定各系统间权比.采用国际GNSS服务(IGS)MGEX(Multi-GNSS Experiment)观测网的10个测站一周的观测数据进行静态和仿动态试验.结果表明:采用Helmert方差分量估计定权方法可显著提高GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合PPP的收敛速度,与等权定权方案比较,静态模式下平均提高52%,仿动态模式下平均提高64%.因定位精度主要由载波相位观测值精度和误差修正水平决定,在静态和仿动态测试中Helmert方差分量估计方法对定位精度没有明显改善.     

北斗/GPS实时精密卫星钟差融合解算模型及精度分析

实时GNSS精密单点定位(PPP)技术必须使用实时的高精度卫星精密轨道和钟差。本文研究了精密卫星钟差融合解算模型及策略,并利用滤波算法实现了北斗/GPS实时精密卫星钟差融合估计算法。仿真实时试验结果显示:获得的北斗/GPS实时钟差与GFZ事后多GNSS精密钟差(GBM)的标准差在0.15 ns左右;使用该钟差进行GPS动态PPP试验,收敛后水平精度优于5 cm,高程精度优于10 cm;使用仿真实时钟差进行的北斗动态PPP与使用GFZ事后多GNSS精密钟差开展的试验相比精度相当,可实现分米级定位。     

BDS/GPS组合精密单点定位精度分析与评价

精密单点定位（precise point positioning,PPP）已经广泛应用于许多领域,如测绘、交通、导航、地震监测等。近些年来,随着卫星数量的增多,多系统组合呈现越来越明显的趋势。利用全球MGEX（Multi-GNSS Experiment）网数据研究了BDS（BeiDou navigation satellite system）/GPS（global positioning system）组合精密单点定位技术,并与BDS单系统和GPS单系统进行了对比。结果表明,在静态定位中,BDS PPP在E、N、U方向的均方根误差分别为4.35 cm、3.01 cm、6.40 cm;GPS PPP在E、N、U方向的均方根误差分别为1.21 cm、0.48 cm、1.79 cm;BDS/GPS组合PPP在E、N、U方向的均方根误差分别为1.21 cm、0.50 cm、1.87 cm。在动态定位中,BDS PPP外符合精度水平方向优于10 cm,高程方向优于15 cm;GPS PPP和BDS/GPS组合PPP的外符合精度水平方向均优于5 cm,高程方向均优于8 cm。另外,无论是在静态还是动态的PPP中,组合系统相对于单系统,能大大缩短收敛时间,减少定位结果抖动,尤其是相对于BDS PPP来说,优势更为明显。     

北斗CORS实时动态差分定位精度实验分析

目前,兼容北斗导航卫星系统(BDS)的中山市连续卫星定位服务系统(ZSCORS)已经建成,分析ZSCORS环境下的BDS、GPS、BDS/GPS的实时动态差分定位精度很有必要。本文选择12个C级GPS控制点进行精度测试,分别采集BDS、GPS及BDS/GPS组合信号观测值,并进行统计分析,在ZSCORS实时动态差分定位环境下,BDS精度与GPS相当,BDS/GPS组合精度和效率明显高于BDS、GPS。     

全球区域BDS、GPS、BDS+GPS静动态PPP定位精度评估分析

利用全球区域的7个IGS站的观测数据以及GPS和BDS的精密轨道和钟差产品,分析了BDS、GPS和BDS+GPS组合的卫星数量、几何空间分布以及静动态PPP精度。实验结果表明,GPS在全球7个测站的卫星数在10颗左右,卫星分布较均匀;BDS在Alic(大洋洲)、Iisc(亚洲)、Zamb(非洲)的卫星数明显多于GPS,其余测站卫星数量相当。数据表明,GPS+BDS卫星数量和卫星几何空间分布状态明显优于单系统。在静态PPP中,BDS在Maw1(南极洲)和Unsa(南美洲)精度略低于GPS,其余测站精度相当;GPS+BDS在7个测站U、N、E方向基本在1 cm左右,相对BDS、GPS单系统定位精度有一定提升。在动态PPP中,BDS在Nlib(北美洲)、Unsa的定位精度低于GPS,其余测站定位精度则要优于GPS,但BDS和GPS单系统在全球区域定位性能都不够稳定。GPS+BDS在7个测站U、N、E方向定位精度分别优于0.06 m、0.03 m、0.03 m,在动态PPP中相对于BDS和GPS 7个测站的精度均有提升,说明了GPS+BDS组合可以提高PPP精度并且可以极大改善定位的可靠性。     

BDS/GPS精密单点定位收敛时间与定位精度的比较

采用武汉大学卫星导航定位技术研究中心发布的北斗精密卫星轨道和钟差,在TriP 2.0软件的基础上实现了BDS PPP定位算法,并利用大量实测数据进行了BDS/GPS静态PPP和动态PPP浮点解试验。结果表明,BDS静态PPP的收敛时间约为80min,动态PPP的收敛时间为100min;对于3h的观测数据,静态PPP收敛后定位精度优于5cm,动态PPP收敛后水平方向优于8cm,高程方向约12cm;与GPS PPP类似,东分量上定位精度较北分量稍差。当前由于BDS的全球跟踪站有限,精密轨道和钟差精度不如GPS,因此BDS PPP的收敛时间较GPS长,但收敛后可实现厘米至分米级的绝对定位。     

BDS-3新频点B1C/B2a动态数据特性及PPP精度分析

通过载噪比(CNR)、数据完整率、伪距与载波相位观测值噪声和伪距多路径效应四个指标对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)新频点B1C/B2a车载动态数据的特性进行了分析,测试了BDS-3新频点动态精密单点定位(PPP)的性能,并与其它全球卫星导航系统(GNSS)进行了对比. 试验结果表明,BDS-3新频点B2a平均CNR优于北斗卫星导航系统(BDS)其它频率,但略差于GPS L5;相较于其它GNSS,BDS数据完整率相对较高,其中BDS-3 B2a新频点数据完整率最高;BDS-3 B2b伪距观测值噪声最小,B1C和B2a伪距观测值噪声约为B2b信号的3倍,但不同频率相位观测值噪声处于同一量级;对于伪距多路径而言,BDS-3 B1C/B2a 信号略小于B2b 信号. 总体而言,GPS L5信号抑制多路径效应的能力最强. 在动态PPP性能方面,BDS-3 B1C/B2a双频组合动态PPP定位精度最优,其三维(3D)均方根(RMS)误差为0.439 m,相比BDS B1I/B3I、GPS L1/L2、GLONASS G1/G2和Galileo E1/E5a双频组合PPP,其精度改善率分别为49%、56%、81%和42%.      

BDS精密单点定位在桥梁变形监测中的应用

桥梁变形监测是进行桥梁健康评估和后期修缮的重要内容．本文基于北斗卫星导航系统（BDS）精密单点定位技术,对实时采集的高频率BDS／GPS数据进行精密单点定位(PPP)静态和动态处理,并以相对静态定位结果作为参考,分析在桥梁复杂环境下BDS的PPP的精度,并把北斗动态PPP结果与GPS做对比．研究结果表明，在1 h连续变形监测时间左右,北斗静态PPP精度和BDS动态PPP定位精度可以达到厘米级,可以监测出大型车辆经过桥梁时的变形情况,并与GPS监测变形趋势基本一致．