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.      

抗差容积卡尔曼滤波及其在UWB室内定位中的应用北大核心CSCD

针对超宽带(UWB)观测值异常引起的量测误差及系统噪声先验统计信息未知而导致状态估计误差增大的问题,该文提出了一种带噪声时变估计器的抗差容积卡尔曼滤波(CKF)算法。该算法在滤波过程中,利用预报残差因子构建抗差等价协方差矩阵,控制观测异常值对滤波参数解的影响,同时利用sage_husa算法对系统噪声的统计特性进行实时估计和修正,提高滤波精度和稳定性。实验结果表明,所提算法不仅能有效地消除量测误差对滤波解的影响,而且能在系统噪声先验信息未知的情况下更进一步提高UWB室内定位的精度和可靠性。     

一种新的利用历元间位置变化量约束的GNSS导航算法

目前常用相位或多普勒观测值平滑伪距的方式提高全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)的导航性能。然而在城市环境下,GNSS观测信号中断严重,且行人等载体运动具有很大随机性,常规的相位平滑伪距或者常速度/常加速度导航算法效果有限。因此,提出了一种基于历元间载体位置变化量约束的单机GNSS导航算法,该算法利用历元间相位差分观测值计算高精度历元间位置变化量,并以此描述载体的运动,构建滤波模型的状态方程,同时利用伪距观测值构建观测方程,采用扩展卡尔曼滤波实时估计载体的位置。实验使用低成本的单频u-blox接收机实测数据,结合该算法进行导航解算。结果表明,静态情况下,导航结果的平面精度优于0.56 m;在动态情况下,平面精度优于1.0 m。在使用基站播发的GNSS差分改正数后,导航平面精度、垂向精度分别提高约49%、46%。该算法性能可靠,即使前后历元仅有4颗卫星连续观测,仍能够提供连续、平滑的实时定位结果,为用户提供更优的导航体验。     

基于B值的Sigma完好性监测算法

提出了两种基于B值的异常监测算法.基于B值σ开方监测算法是在时域开窗求平方和构造检验量;而基于B值σ累积和监测算法是对B值标准化之后求累积和构造检验量,通过将检验量与限值比较判定是否有异常发生.仿真计算结果表明,基于B值开方监测算法和基于B值累计和监测算法均能够有效地监测伪距差分改正数的异常误差.     

基于空间双曲交会的GNSS伪距单点定位算法

针对GNSS卫星导航中的伪距单点定位,提出一种不需要测站坐标近似值的非迭代算法。该算法将GNSS伪距导航定位方程转化为空间双曲定位方程,给出具体的解算步骤,研究了空间双曲定位方程的解(有两解),利用GNSS伪距导航定位的特点可消除多值性,从而实现无初值GNSS伪距单点定位。该算法与Bancroft算法相比,通过星间单差,与测站有关的公共误差项被消去,提高了定位精度;与传统的迭代算法相比,提高了计算效率,而且不需要测站坐标初值。最后通过IGS监测站实测数据对3种算法进行比较,验证了算法的有效性。     

多系统融合单点定位先验和验后定权研究

针对多模全球卫星导航系统(GNSS)融合伪距单点定位随机模型难以精确构建的问题,在全球范围内选取了10个多GNSS实验跟踪网MGEX(Multi-GNSS Experiment)观测站连续7天的观测数据,将四大GNSS系统的观测值分为五类,比较了高度角模型、用户等效测距误差(UERE)模型及验后Helmert方差分量估计模型的伪距单点定位精度. 结果表明:在四系统融合伪距单点定位时,Helmert方差分量估计模型能提高定位精度,高度角模型定位精度优于UERE模型,其中基于高度角的Helmert方差分量估计模型结果最优.      

自适应抗差KF-UKF的超宽带导航定位方法

针对超宽带导航定位中量测信息异常误差和非线性滤波问题,该文提出了一种基于自适应抗差卡尔曼滤波-无迹卡尔曼滤波(KF-UKF)的超宽带导航定位算法。该算法首先利用卡尔曼滤波计算预测状态向量及其协方差矩阵,利用无迹卡尔曼滤波进行量测更新;然后利用先验阈值和预测残差构建量测噪声的抗差协方差矩阵,以减少量测信息异常误差的影响,同时利用自适应因子对算法进行调节和修正。结果表明,该算法能有效地抑制并消除超宽带测距中量测信息异常误差的影响,能有效地处理状态模型误差的影响,提高超宽带导航定位的精度和稳定性,同时拥有比无迹卡尔曼滤波算法更高的计算效率。     

鲁棒无迹卡尔曼滤波组合导航定位方法

针对无迹卡尔曼滤波(UKF)在非高斯噪声或统计特性不准确时滤波精度会下降甚至发散等问题,提出了一种基于Huber-M估计的无迹卡尔曼滤波导航算法。首先采用奇异值分解(SVD)迭代计算代替协方差矩阵的迭代变换;然后将Huber方法用于UKF框架中,使先验信息和量测信息进行重构;最终以达到克服传统UKF滤波器稳定性差的问题,提高滤波抗差能力。对提出算法进行GPS/UWB组合导航仿真验证,并与EKF和UKF进行了比较。实验结果表明,加入M估计的SVD-UKF在噪声统计特性不准确时和加入随机观测异常状态下都可以将滤波器性能提高25%～40%,与其他两种算法相比,本文所提算法的定位误差能快速收敛,并保持较高滤波精度。     

基于B值的Sigma完好性监测算法

提出了两种基于B值的异常监测算法。基于B值σ开方监测算法是在时域开窗求平方和构造检验量;而基于B值σ累积和监测算法是对B值标准化之后求累积和构造检验量,通过将检验量与限值比较判定是否有异常发生。仿真计算结果表明,基于B值开方监测算法和基于B值累计和监测算法均能够有效地监测伪距差分改正数的异常误差。     

智能手机虚拟格网伪距差分定位方法研究

针对智能手机全球卫星导航定位系统(GNSS)观测数据质量差、定位精度低的问题,该文提出了基于多普勒平滑的格网伪距差分算法.首先对观测数据进行分析、粗差剔除,再利用多普勒观测值对伪距进行平滑,最后利用虚拟格网伪距观测值改正相关误差进行定位.结果 表明:经过手机观测值质量控制,利用多普勒观测值平滑伪距后进行虚拟格网伪距差分,可以得到平面优于1.5m,垂直优于3 m的定位结果.     

BDS三频双差载波相位组合平滑伪距算法

针对现有的载波相位平滑伪距算法多基于GNSS双频观测值且在伪距平滑过程中易受电离层延迟累积干扰的问题,提出一种基于北斗三频观测值的载波相位平滑伪距算法。首先通过构建北斗三频优选线性组合,进一步削弱双差载波相位观测值的电离层延迟以及观测噪声;接着通过经典Hatch滤波平滑器,用优选三频双差载波相位观测值代替原始载波相位观测值对组合伪距观测值进行平滑,得到最终伪距平滑解用于伪距定位。最后采用0.004、14.4、61.7和131.6 km这4组不同基线长度的北斗三频实测数据对算法进行验证,给出了平滑前后伪距历元差对比图及算法对4组基线观测值的平滑率。结果表明,所提算法对短基线和中长基线三频观测值的平滑率均能达到90%以上。通过对4组基线条件下平滑效果进行比较分析,验证了本文中的理论推导及算法的有效性。     

组合GNSS观测值反演海面高度EI北大核心CSCD

与验潮站技术相比,岸基全球导航卫星定位系统干涉反射技术(GNSS-IR)海面测高成本较低,且其观测量不受地壳沉降的影响,并可利用目前已有的沿海岸GNSS固定站提供的数据反演海面高度。目前常用观测量为大地测量型GNSS接收机给出的信噪比(SNR)值,然而,早期很多GNSS设备的输出文件中都不包含该值,导致无法利用它们研究海面高度长期变化趋势。但经典的码伪距和载波相位观测值中,同样包含着GNSS-IR测高信息。本文分别引入单频码伪距和单频载波相位的组合,以及单频码伪距和双频载波相位的组合GNSS两种观测值的组合实现了岸基海面测高。本文采用模拟数据证明了基于前一组合的GNSS-IR测高精度受到电离层延迟残差的影响,而后一种组合可避免该误差项的影响。为验证两种组合方法的有效性,在山东威海一海上栈桥上开展了试验,采集了全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统(BDS)的观测数据,并处理得到了海面测高信息。最后,将反演结果与26 GHz雷达高度计的观测值进行了比较分析,发现二者具有较好的一致性,相关系数均优于85%。试验结果表明:两种码伪距和载波相位组合法均可用于GNSS-IR测高。另外,由于当前GNSS-IR测高受多种误差项影响,导致反演精度较低,使得后一种组合在避免电离层延迟残差方面的优越性并没有明显体现。本文组合方法的引入,增加了海面高度反演方法的多样性,提升了GNSS-IR测高技术的应用空间。     

多系统双频精密单点定位不同模型下性能比较分析

通过2018年1月多全球卫星导航系统（GNSS）实验(MGEX)的十个测站数据,采用无电离层模型和非差非组合模型,对单系统、双系统和四系统精密单点定位（PPP）进行定位性能分析,定位性能包括收敛时间和定位精度. 实验结果表明,两种PPP模型定位性能相当,但优于单频PPP,在E、N和U方向收敛时间缩短20 min左右,定位精度提高1.6 cm左右;联合多系统能够增加卫星数,改善卫星间几何构型,提升PPP的定位性能. 对GLONASS伪距频间偏差（IFB）采用估计每颗GLONASS卫星的伪距IFB模型和伪距IFB为频率二次多项式模型提升PPP的定位性能,结果表明估计每颗GLONASS卫星的伪距IFB模型要优于伪距IFB为频率二次多项式模型,估计伪距IFB相比忽略伪距IFB在PPP定位性能上有不同程度的提升.      

顾及有色噪声影响的位置域双频载波相位平滑伪距算法

载波平滑伪距技术是一种有效的GNSS数据处理技术，在很多高精度实时定位场合得到了广泛的应用。本文在随机模型中考虑载波相位时间差分观测量中有限冲激响应有色观测噪声的影响，推导出采用递归最小二乘方法的距离域和位置域双频载波相位平滑伪距算法，并利用实测数据验证了新算法的有效性。试验表明，相位平滑伪距能够减小伪距观测值的误差，提高伪距观测量的精度，从而提高定位精度；相对于传统的算法，距离域与位置域滤波的伪距平滑精度均有提高，三维定位误差精度均得到改善；同时表明，载波相位时间差分的有色噪声对平滑效果和定位精度有一定的影响。     

基于非组合精密单点定位的区域电离层建模

电离层是地球空间的重要组成部分,电离层延迟是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)数据处理的重要误差源,电离层的影响主要表现为地面站接收到的卫星载波和伪距信号的附加时延效应,最大可达几十米,精确的电离层模型可以有效提高GNSS单频数据处理的精度。利用GNSS观测值研究电离层,一般采用无几何距离组合的码和相位观测值,使用相位平滑伪距方法得到平滑电离层观测值,但是该方法容易受到伪距多路径和观测噪声的影响,导致电离层估计不准确。因此,先基于非组合精密单点定位(precise point positioning,PPP)提取电离层,利用国际GNSS服务的轨道、钟差等产品,有效减少待估参数个数,提高电离层延迟的估计精度;再使用纬度差和太阳时角差的多项式拟合进行区域电离层建模。利用某省连续运行参考站系统数据提取了天顶方向总电子含量信息进行建模,与PPP解算结果进行比较,在测站天顶方向上的模型值和解算值差异较小(除个别卫星外),可达到2 TECU左右。     

RTKLIB (b34) SPP数据处理解析

伪距单点定位(Pseudo-range Single Point Positioning, SPP)应用较早且广泛。随着GNSS相关技术的不断进步,伪距观测值与广播星历的精度也在不断提高,多GNSS系统还带来了更多的伪距观测值,SPP依然值得关注。RTKLIB作为一款广为接受的多功能GNSS数据处理开源软件,是实现二次开发的良好平台,为此,本文对新版本RTKLIB(b34) SPP数据处理进行了解析,给出了其处理流程,分析了其平差求解、结果检验、异常检测的原理,指出了其优缺点,为今后借鉴或改进提供了参考。     

载波相位平滑伪距的自适应衰减因子Kalman滤波算法研究

载波相位平滑伪距是削弱伪距观测噪声,提高伪距观测数据质量的常用方法。在标准卡尔曼滤波的基础上,针对GPS伪距观测噪声未知的情况,利用极大验后估计对观测噪声的方差进行估算,并采用自适应衰减因子对观测噪声方差值进行调整,从而优化滤波效果,避免出现发散现象。最后,利用本文算法对实测GPS伪距观测数据进行滤波计算,并对结果进行比较和分析。计算结果表明:改进后的卡尔曼滤波算法相对于标准卡尔曼滤波能取得更好的平滑效果。     

基于方差分量估计原理的自适应卡尔曼滤波及其应用

简单介绍了GPS伪距动态定位的卡尔曼滤波模型的建立,针对传统卡尔曼滤波中动态噪声不准或不容易确定以及因动态目标机动而导致滤波发散的现象,提出了一种根据方差分量估计原理,利用预报残差计算模型的动态噪声方差分量的自适应滤波算法.当利用预报残差进行计算时,这一方法增加的计算量不大,能有效地克服由上述原因而导致的滤波不稳定现象,适用于GPS动态定位数据的实时处理.     

基于小波分析提取单频GNSS伪距多路径误差及其对定位的影响

伪距多路径误差是影响GNSS导航定位精度的主要误差源之一。多路径误差与接收机周围环境有关,在实际应用中难以建立有效的多路径误差模型进行改正。对于多频GNSS接收机可以通过多频观测值组合估计伪距多路径,但该方法不适用于价格低廉的单频接收机,而导航中使用的大多数为单频接收机。因此,开展单频GNSS伪距多路径误差提取研究具有重要的工程应用价值。本文基于小波分析对单频GNSS接收机伪距多路径误差估计开展研究,首先验证了小波分析用于单频GNSS伪距多路径误差估计的可行性;其次,研究了采用不同的小波基和分解层次对多路径误差估计的影响;最后,研究了改正多路径误差对GNSS定位的影响。实验结果表明不同的小波基和分解层次对多路径误差提取效果没有明显的差别,但小波分解层次较低时定位误差分布相对更加集中,同时,经过多路径误差改正后在NEU3个方向RMS平均改善率达到20.4%、25.1%、16.4%。     

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。