一种GNSS/视觉观测紧组合导航定位算法研究

全球卫星导航系统(GNSS)在弱信号环境下,GNSS信号易受到遮挡或者电磁干扰,严重影响导航定位的可靠性、连续性和精度. 针对此问题,本文作者研究了一种GNSS和视觉观测紧组合导航定位方法. 首先基于相机采集图像数据,利用ORB-SLAM2开源平台求解得到视觉位置结果增量,再联合GNSS伪距观测数据采用卡尔曼滤波(KF)进行组合定位解算. 采用实测的GNSS伪距观测数据和图像数据进行测试,试验结果表明:该算法不仅能有效地提升GNSS弱信号环境下导航定位的连续性和精度,还能在卫星数少于4颗时保持持续导航定位.      

BDS-3精密单点定位模糊度解算及性能评估

基于国际GNSS服务(IGS)提供的MGEX (Multi-GNSS Experiment)的观测数据,对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)相位小数偏差(UPD)进行估计,进一步开展基于精密单点定位(PPP)的浮点/固定解试验,分析评估其定位性能. 结果表明:北斗卫星导航系统(BDS)定位精度与GPS大致相当; BDS-3 PPP在东(E)、北(N)、天顶(U)三个方向上浮点解的平均均方根(RMS)分别为1.4 cm、1.0 cm、1.6 cm;通过模糊度固定算法,可将三个方向的定位精度提升至0.9 cm、0.7 cm、1.4 cm.      

澳大利亚地区GPS/BDS实时精密单点定位性能分析

本文选取了均匀分布于澳大利亚的6个IGS跟踪站,用序贯最小二乘法进行参数估计,利用从MGEX下载的最终轨道和钟差产品进行GPS RT-PPP、BDS RT-PPP、GPS+BDS RT-PPP静态测站仿真实时解算,得出所有测站的定位性能数据。实验表明:在澳大利亚地区,GPS RT-PPP和GPS+BDS RT-PPP在E、N方向平均定位精度可以达到5 cm,且在20 min左右即可完成收敛,在U方向平均定位精度可达10 cm,收敛时间为25 min左右;该地区的BDS RT-PPP定位精度低于前两者,在E、N方向平均定位精度可以达到10 cm,且收敛时间约为25 min,在U方向平均定位精度20 cm,收敛时间超过30 min,达到34 min。     

中国区域内单Galileo卫星导航系统定位性能评估

随着欧盟伽利略(Galileo)卫星系统的全面完成组网建设,其在中国区域定位性能需进一步进行评估。本文利用中国及周边区域的6个多全球导航卫星系统(GNSS)实验系统(MEGX)测站分别从卫星可视数、定位位置精度因子(PDOP)值和静态精密单点定位技术(PPP)方面对单Galileo卫星系统在中国区域内的定位性能进行了研究。结果表明：当卫星高度角设置为7°时,24 h内各测站可接收到的平均卫星数约为7.3颗,定位PODP约为2.2,能较好地满足中国区域全天候单点定位;对于单天静态解和4 h静态解,无论是非差非组合还是无电离层组合,均可实现在水平方向小于2.3 cm,高程方向小于4.5 cm的定位精度,且6个测站的平均收敛时间约为36.4 min;根据卫星可视数和PDOP值分布可知,中国的东部、中部和南部卫星可视数和PDOP值最好,Galileo定位服务性能在该区域相对更优。     

电磁环境对GNSS观测数据质量的影响

通过在35、110、220、500、800kV 5种不同电压等级的变电站开展全球卫星导航定位系统(GNSS)观测实验,从数据完整率、多路径、信噪比、观测值与周跳比4项指标对各测试站点的GNSS观测数据质量进行统计分析,研究不同电压等级下电磁环境对各GNSS系统观测数据质量的影响。结果表明:不同电压等级下电磁环境对各GNSS系统的观测数据质量无负影响,该结论为论证变电站建设GNSS连续运行参考站(CORS站)的可行性提供了一定的参考价值,促进了卫星导航定位技术在电力行业的应用。     

LSTM辅助车载GNSS/INS组合导航算法及性能分析

针对车载GNSS/惯性导航系统(inertial navigation system,INS)组合导航系统在GNSS信号失锁时定位精度下降甚至发散的问题，提出了一种长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络辅助组合导航的算法来提高定位精度，实现可靠连续稳定的定位.通过移动集成平台进行实验，结果表明：当GNSS信号失锁30 s时，LSTM辅助组合导航系统在东(east,E)、北(north,N)方向的位置误差最大值分别降低了77.45%、17.39%，均方根误差(root mean square error,RMSE)分别降低了79.53%、42.36%；当GNSS信号失锁100 s时，LSTM辅助GNSS/INS在E、N、天顶(up,U)三个方向上的位置误差最大值分别降低了60.07%、98.30%、84.65%,RMSE分别降低了61.96%、97.98%、84.65%. LSTM辅助较大地提升了车载GNSS/INS组合导航系统的导航性能.     

地磁暴期间电离层扰动监测及GNSS定位性能分析

为分析磁暴期间电离层扰动规律及GNSS定位性能变化，基于国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)全球观测数据及全球电离层图(global ionospheric map,GIM)，对2018年8月26日地磁暴事件引发的北半球地区电离层总电子含量(total electron content,TEC)异常变化和GPS定位性能进行分析.结果表明：北半球TEC异常存在纬度差异，高纬地区响应快，低纬地区异常值变化大，达12 TECU；磁暴期间高纬地区观测数据周跳变化明显，周跳比数值与磁静日相比最大下降61.84%；磁暴期间所有测站数据完整率下降，高纬地区下降响应快，下降严重，达38.65%，研究区所有测站数据完整率下降出现在磁暴恢复相，数据质量与TEC异常变化规律较为一致；对GPS双频动态精密单点定位(precise point positioning,PPP)结果进行分析发现，磁暴期间高纬地区测站定位误差显著增大，水平和垂直方向均方根误差(root mean squared error,RMSE)增至约0.7 m及1.8 m.     

高噪声状态下潮汐信号提取

GNSS浮标由于特殊的观测环境,数据质量普遍较差,这导致其坐标时间序列存在较高的噪声,并且存在某些阶跃(或称跳变).针对该问题,本文提出了一种基于滑动窗的双边累积和(cumulative sum,CUSUM)的阶跃探测和修复方法,该方法在非侵入式负荷监测领域已有广泛应用.对于GNSS精密单点定位(precise point positioning, PPP)计算所得海面高程(sea surface height, SSH),用该算法探测阶跃并修复后与验潮站参考数据对比,其均方根误差(root mean square error, RMSE)提升了75.5%,相关性提升了7.46%;对于从修复前后的高程时间序列提取的有效波高(significant wave height, SWH),以海洋浮标(wavebuoy,WB)测量结果作为参考,其RMSE提升了65.22%,相关性提升了208.28%.研究结果表明：该方法可以有效提高GNSS技术反演海浪参数的精确度和可靠性,为GNSS技术在潮汐信号提取提供有价值的参考,对于提高海洋工程安全性和经济效益具有积极意义.     

多频多模GNSS高精度定位关键技术与挑战

高精度全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）定位技术拓展了位置服务行业的纵深发展,在智慧城市、智能交通和无人驾驶等领域得到了广泛应用,是当前卫星导航领域的热点。梳理了GNSS定位技术的现状和发展脉络,阐述多频多模GNSS高精度定位所涉及的整数模糊度固定、函数模型和随机模型融合等共性基础理论,介绍提升GNSS定位性能的非模型误差处理以及周跳探测与数据中断修复等关键技术。依托基础理论和关键技术的创新成果,介绍了同济大学GNSS团队近年来发展的4种多频多模GNSS高精度定位应用新技术,并展望了未来以GNSS为核心的高精度定位技术的发展趋势及其挑战。     

基于SLAM/UWB的室内融合定位算法研究

精确且稳定的自主定位是移动机器人在室内环境下实现自主导航的前提,针对室内定位中视觉即时定位与地图构建(SLAM)存在的累计误差以及环境因素导致超宽带(UWB)定位精度下降的问题,提出一种基于SLAM/UWB的室内融合定位算法. 首先该算法以扩展卡尔曼滤波(EKF)为基础,将UWB的全局定位坐标和视觉SLAM位移增量进行融合,但考虑到测量噪声易受复杂环境影响,引入阈值检测和自适应测量噪声估计器,以抑制异常值和时变测量噪声对滤波器性能的影响,最后使用智能移动小车在不同的室内场地下进行实验. 实验表明:该算法优于单一的UWB或者视觉SLAM定位方式,并且在复杂室内环境下比传统EKF算法拥有更稳定的定位效果.      

实时精密单点定位中周跳探测与修复的算法研究

提出了一种适用于实时GPS精密单点定位的周跳探测与修复的新算法。该算法步骤为：①利用M-W组合和电离层残差组合初步确定没有发生周跳和可能发生周跳的卫星;②利用当前历元与前一（或几个）历元的L1、L2和Lw观测值和第一步得出的没有发生周跳的卫星信息,采用基于历元间差分观测值的周跳处理模型对可能发生周跳的卫星进行周跳探测;③对第二步中周跳处理失败的卫星进行进一步的精化处理,以尽可能修复周跳。实验表明,新算法在实时GPS精密单点定位中可以准确地探测并修复周跳。     

载波/多普勒平滑伪距在Android手机中的定位实现

针对Android手机GNSS伪距定位精度较低的问题，利用手机端观测信息，通过载波相位/多普勒平滑伪距改善手机端伪距观测值的质量，从而达到提高定位精度的效果。首先给出了Android手机GNSS原始观测量的获取方法，然后推导了载波相位平滑伪距和多普勒平滑伪距算法模型，并设计合理有效的试验对算法的精度进行评定。试验结果表明：在手机端静态定位中载波相位和多普勒平滑算法均可提高原始伪距的定位精度，且多普勒平滑算法表现更优；在手机端动态定位中多普勒平滑算法可获得比原始伪距更优的定位精度，但是载波相位平滑算法较原始伪距更差；由于硬件的制约手机端周跳和信号失锁严重，占比超过50%，载波相位在手机端的可用性较低；多普勒平滑算法的最优平滑时间常数小于等于10 s，具有实时动态定位的巨大潜力。     

Instantaneous re-initialization in real-time kinematic PPP with cycle slip fixing

The network-based real-time kinematic (RTK) positioning has been widely used for high-accuracy applications. However, the precise point positioning (PPP) technique can also achieve centimeter to decimeter kinematic positioning accuracy without restriction of inter-station distances but is not as popular as network RTK for real-time engineering applications. Typically, PPP requires a long initialization time and continuous satellite signals to maintain the high accuracy. In case of phase breaks or loss of signals, re-initialization is usually required. An approach of instantaneous cycle slips fixing using undifferenced carrier phase measurements is proposed, which leads to instantaneous re-initialization for real-time PPP. In the proposed approach, various errors such as real-time orbit and clock errors, atmosphere delay and wind-up effects are first refined and isolated from integer cycle slips. The integer values of cycle slips can then be estimated and fixed with the LAMBDA technique by applying a cascade cycle slip resolution strategy. Numerical experiments with different user dynamics are carried out to allow a comprehensive evaluation of efficiency and robustness of the cycle slip fixing algorithm. The results show that the cycle slips can be fixed correctly in all cases considered and that data gaps of up to 300?s can be connected with high confidence. As a result, instantaneous re-initialization is achieved in the real-time PPP processing.     

PPP-B2b服务的实时精密单点定位精度分析

基于北斗官方发布的承载精密单点定位(PPP)服务的PPP-B2b信号与南方测绘最新研发高精度定位终端,本文采用全国6个城市连续一周的观测数据和实时定位结果,分析了基于PPP-B2b服务的PPP精度。其中重点分析了实时静态PPP与实时动态PPP定位的精度。试验结果如下:基于PPP-B2b服务的静态PPP定位精度水平方向优于7 cm,高程方向优于10 cm;基于PPP-B2b服务的动态PPP定位精度水平方向优于10 cm,高程方向优于15 cm。试验结果表明,基于该服务的实时PPP能达到静态厘米级、动态分米级的定位精度。     

基于广播星历的单站载波相位授时算法

针对传统单站授时算法的局限性,提出了一种基于广播星历的单站载波相位授时算法。该算法在标准单点定位授时算法仅采用伪距观测量的基础上,增加了载波相位观测量,授时精度得到了显著改善;该算法与精密单点定位授时算法相比,不需要精密轨道和钟差,摆脱了IGS等外部事后精密星历产品的依赖,能够广泛应用于实时授时。并利用IGS站观测数据进行实验分析,结果表明,单站载波相位授时精度明显优于标准单点定位授时算法,授时精度可达1~2 ns。     

嵌入式GPS/BDS实时精密单点定位方法

实时性和动态性是精密单点定位面临的关键问题。本文基于实时轨道钟差改正产品,讨论了GPS/BDS实时精密单点定位数学模型及误差处理方法。搭建嵌入式软硬件平台,研制出一套具有实时GPS/BDS双系统高精度定位功能的嵌入式设备。测试结果表明,对于嵌入式GPS/BDS实时精密单点定位,静态条件下平面方向优于3 cm,高程方向优于8 cm;动态条件下平面方向优于12 cm,高程方向优于15 cm。     

GNSS精密单点定位中的实时质量控制

提出了一套适用于GNSS精密单点定位(PPP)的实时质量控制方法,重点研究了钟跳探测与修复、周跳探测与标记、抗差估计方法,并在现有质量控制方法的基础上进行了改进。对比分析了不同质量控制方案对PPP的影响,结果表明,钟跳不利于周跳探测,严重影响非差PPP的精度和效率,必须对其进行探测与修复;联合MW、GF组合可以探测出绝大多数周跳,且较使用单一方法更为准确、可靠;采用改进的抗差估计有效抑制了残余粗差对精密定位的影响,显著提高了PPP的精度和可靠性。     

北斗广域实时精密定位服务系统研究与评估分析

采用IGS、MGEX、北斗地基增强网的实时观测数据,研制北斗广域精密定位服务系统,实时生成北斗高精度轨道、钟差、电离层产品,提供厘米级北斗双频PPP、分米级单频PPP、米级单频伪距定位服务。对实时产品评估分析的结果表明:北斗卫星实时轨道与钟差产品URE统计精度约为2.0cm,实时电离层精度优于4.0TECU。采用全国分布的实时测站动态定位精度(95%置信度)评估分析表明:北斗双频PPP精度存在明显的区域特征,高纬度以及西部边缘地区的定位精度平面约0.2m,高程约0.3m;中部地区定位精度平面优于0.1m,高程优于0.2m,接近GPS实时PPP精度水平;北斗与GPS融合可以提高单北斗、单GPS的定位性能,尤其是显著加快了PPP收敛时间,收敛时间缩短到20min内。另外,除边缘地区外,北斗单频PPP实现平面0.5m,高程1.0m;北斗单频伪距单点定位实现平面2.0m,高程3.0m。     

三频GNSS电离层周跳处理

在分析三频无几何无电离层组合特性的基础上,构造了3个线性无关的三频无几何无电离层组合作为周跳探测检验量,以解决电离层延迟活跃期时的周跳处理问题。为保证周跳修复的准确性,提出采用两次历元差分后的电离层残差值对周跳修复值进行验证与确认。通过高电离层延迟条件下的三频观测数据对本文算法进行了验证分析。试验结果表明,该方法可实现高电离层延迟条件下对周跳的探测与修复,并可适用于三频实时、非差导航定位的周跳处理。     

A double-differenced cycle slip detection and repair method for GNSS CORS network

The difficulty to detect and repair cycle slip of carrier phase measurements is a key limit for continuously high accuracy of GNSS positioning and navigation services. We propose an automated cycle slip detection and repair method for data preprocessing of a CORS network. The method jointly uses double-differenced (DD) geometry-free (GF) combination and ionospheric-free observation corrected for the computed geometrical distance (IF-OMC) to estimate the cycle slips in dual-frequency observations. The DD GF combination, which is only affected by the ionospheric residual, can be used to detect cycle slips with high reliability except for special pairs such as (77, 60) on GPS L1/L2 frequencies. The detection principle of the IF-OMC observable is such that there is a large discontinuity related to the previous epoch when cycle slips occur at the present epoch. The disadvantages of these two combinations can be overcome employing the proposed detection method. The cycle slip pair (77, 60) has no effect on the GF combination, while a change of 14.65 m is derived from GPS L1/L2 observations using the IF-OMC algorithm. Using pre-determined station coordinates as precise values, we found that the accuracy of the DD IF-OMC combination was 18 mm for a 200-km CORS baseline. Therefore, cycle slips in dual-frequency observations can be correctly and uniquely determined using DD GF and IF-OMC equations. The proposed method was verified by adding simulated cycle slips in observations collected from the CORS network under a quiet ionosphere and shown to be effective. Moreover, the method was assessed with observations made during intense ionospheric activity, which generated extensive cycle slips. The results show that the algorithm can detect and repair all cycle slips apart from two exceptions relating to long data gaps.