室内伪卫星相对定位算法研究及软件实现

论文摘要

全球导航卫星系统(GNSS)具有全球覆盖、高精度、全天候等特点,被视为室外最完美的定位导航技术。但在特殊环境中,如城市峡谷、地下精密工程及所有的室内环境,无论哪种GNSS定位技术都无法满足高精度的定位需求。如何保障稳定的高精度定位结果将成为室内精密工程的重要研究方向。本文旨在研究室内伪卫星相对定位算法,包括数学模型的建立、误差源处理方法、载波相位整周模糊度解算以及完好性监测理论。针对已有伪卫星室内定位算法在应用时存在的弊端,本文做出一系列改进以适用于实际场景,为室内高精度定位提供更好的技术方法。主要工作和创新点如下:(1)提出了一种无需固定点初始化的室内伪卫星定位算法。已有的室内伪卫星定位算法主要基于KPI(Known Point Initialization)实现,但此方法在实际应用中存在很多弊端,表现在固定已知点一般难以获取,而且在动态观测时不方便操作。此外,在室内环境中,即使有分米级初始精度的已知点,载波相位模糊度也不一定能准确固定(经典LAMBDA方法/Ratio检验)。本文针对这些缺陷,提出一种无需在固定点处进行初始化,同时也能满足LAMBDA初始精度要求的室内伪卫星定位方法(Differential pseudolite Ambiguity Function Value,DAFV)。为保证解算效率,模糊度搜索与固定仍采用LAMBDA方法和Ratio检验,DAFV主要提供高精度初值。实验结果表明,其定位精度能达到动态厘米级,静态毫米级。而且在采用KPI方法无法准确定位时,本文的算法仍能实现高精度定位。(2)提出了一种排除错峰问题的策略。在DAFV算法中,需要用到模糊度函数法(Ambiguity Function Method,AFM),而AFM具有多波峰的缺点,本文结合实际情况提出一种去除错误波峰的处理策略,即通过直线扰动,跟踪各个波峰峰值对应的坐标,而只有正确的峰值对应的坐标才会沿正确直线方向运动。同时,也通过实验验证了该策略的可行性。(3)提出了一套室内伪卫星完好性监测方案。在室内伪卫星定位中,有时出现固定点精度不够、观测数据质量不佳或卫星故障的情况。这将导致先验残差过大,无法保证模糊度的正确固定,即使是使用本文的新算法,AFM的多波峰问题也会变得更加严重。为了保障伪卫星定位的可靠性,本文对数据进行质量评估,基于扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)中的相关信息构建检验统计量,结合室内伪卫星自身特点,提出一套完整的室内伪卫星完好性监测方案(Pseudolite Receiver Autonomous Integrity Monitoring,PLRAIM)。在保护级别小于告警限值的前提下,本算法能准确识别故障卫星或数据。对其合理降权或隔离后,可保障定位结果的可靠性和稳定性。结果表明,通过PLRAIM可有效提高定位精度及模糊度固定率。同时,此方法也提供了一种评价定位精度的指标。(4)基于以上研究内容,以Visual Studio 2010为平台,开发了相应数据处理软件系统,实现了本文提出的室内伪卫星高精度相对定位算法,为进行室内伪卫星定位技术研究提供了基础软件平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
• 2 室内伪卫星相对定位原理
•   2.1 观测量及数学模型
•     2.1.1 函数模型
•     2.1.2 随机模型
•   2.2 定位误差源及定位特点
•     2.2.1 定位误差源
•     2.2.2 伪卫星星座特点及截断误差
•   2.3 模糊度求解与参数估计
•     2.3.1 概略初始坐标的获取
•     2.3.2 初始坐标精度优化
•     2.3.3 参数估计
•     2.3.4 模糊度的固定
•   2.4 RAIM算法基本原理
•     2.4.1 RAIM算法概述
•     2.4.2 室内伪卫星完好性监测原理
•   2.5 本章小结
• 3 室内伪卫星相对定位算法实现
•   3.1 算法流程
•     3.1.1 常规定位算法
•     3.1.2 一种无需固定点初始化的室内伪卫星定位算法
•   3.2 算法验证方案
•   3.3 KPI算法定位结果
•     3.3.1 伪卫星星座几何构型
•     3.3.2 观测值精度分析
•     3.3.3 静态定位结果
•     3.3.4 动态定位结果
•   3.4 DAFV算法实验结果与分析
•     3.4.1 概略初始化结果分析
•     3.4.2 初值精化与AFM效率及可靠性分析
•     3.4.3 静态定位结果分析
•     3.4.4 基于动态定位的AFM去错峰策略
•     3.4.5 动态定位结果分析
•   3.5 两种算法的对比
•   3.6 本章小结
• 4 基于EKF的室内伪卫星RAIM算法实现
•   4.1 算法流程
•   4.2 算法验证方案
•   4.3 伪卫星故障时实验结果
•     4.3.1 静态实验分析
•     4.3.2 动态实验分析
•   4.4 伪卫星正常时实验结果
•     4.4.1 静态实验分析
•     4.4.2 动态实验分析
•   4.5 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻硕期间主要成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵胤植

导师: 郭际明

关键词: 室内伪卫星,相对定位,模糊度函数法,多波峰,完好性监测

来源: 武汉大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 武汉大学

分类号: P228.9

总页数: 81

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