GPS/BDS及PL高精度RTK定位算法研究

李 昕

長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054

本文旨在研究GPS/BDS常規(guī)RTK和中長距離RTK，以及室內(nèi)偽衛(wèi)星RTK高精度定位算法，主要涉及定位數(shù)學(xué)模型的建立、誤差源的處理方法、載波相位觀測值的整周模糊度求解及質(zhì)量控制等領(lǐng)域，在現(xiàn)存算法的基礎(chǔ)上，針對其局部局限性，深入分析其原因并對部分算法作出相應(yīng)的改進(jìn)和創(chuàng)新，以滿足更多環(huán)境下的高精度RTK定位需求，為拓寬RTK應(yīng)用領(lǐng)域提供可行性基礎(chǔ)。本文的主要工作和貢獻(xiàn)如下：

(1) 實現(xiàn)了GPS/BDS常規(guī)RTK基本定位功能，并利用靜態(tài)和車載動態(tài)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行定位性能分析。

(2) 針對復(fù)雜環(huán)境下觀測值殘差檢驗閾值難以合理確定的問題，提出：基于殘差平方，判斷是否存在觀測值粗差，若存在則采用“嘗試法”思想進(jìn)一步實現(xiàn)粗差定位。傳統(tǒng)觀測值殘差檢驗因閾值設(shè)置不合理導(dǎo)致過多或過少地剔除相應(yīng)的觀測值。本文方法在一定程度上避免了以上問題。通過車載試驗驗證了該方法在復(fù)雜環(huán)境下具備較好的實用性。

(3) 改進(jìn)了一種附有多普勒測速信息約束的GPS/BDS動態(tài)單歷元模糊度求解算法和數(shù)據(jù)處理策略，該方法充分利用了多普勒測速速度和方差信息，改善了動態(tài)卡爾曼濾波模型精度，通過實測數(shù)據(jù)驗證了該方法可以提高動態(tài)單歷元模糊度求解成功率和平均定位精度。

(4) 將一種改進(jìn)的粒子群搜索算法(IPSO)引入GPS/BDS模糊度求解中，通過GPS/BDS不同維數(shù)和不同精度的模糊度浮點解驗證了IPSO-AR的性能。試驗結(jié)果表明，該方法在模糊度維數(shù)較低或者附有基線長約束的情況下具備一定的實用價值。

(5) 分析了GPS/BDS中長距離RTK定位的主要誤差源，總結(jié)了幾種常用的對流層和電離層延遲誤差的處理方法，并通過實測數(shù)據(jù)對比驗證了基于參數(shù)估計法是目前較優(yōu)的方法。通過實測數(shù)據(jù)評估了GPS/BDS中長距離RTK定位性能。

(6) 針對全球或區(qū)域VTEC內(nèi)插模型獲取電離層延遲量精度損失嚴(yán)重問題，提出了一種首先利用站間單差法精確求解區(qū)域接收機(jī)硬件延遲(DCB)的方法，進(jìn)而通過雙頻偽距和IGS公布的衛(wèi)星端DCB獲取基站和流動站的非差電離層延遲量。該站間單差法求解接收機(jī)DCB從一定程度上避免了復(fù)雜的電離層模型和衛(wèi)星端DCB基準(zhǔn)的問題，模型簡單，適用于目前的BDS系統(tǒng)。

(7) 針對目前常規(guī)RTK和中長距離RTK使用臨界狀態(tài)較模糊問題，探討了二者的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，重點介紹了電離層加權(quán)模型和基于雙頻模糊度反算電離層延遲迭代模型，并深入分析了其優(yōu)缺點及需要進(jìn)一步突破的問題。

(8) 分析了室內(nèi)偽衛(wèi)星定位的主要誤差源及常用處理方式，針對目前室內(nèi)偽衛(wèi)星定位中存在信號以后干擾中斷，偽距觀測值精度差，靜態(tài)累計觀測無意義，線性化誤差等特點，采用固定點初始化(KPI)，利用LMABDA方法并基于迭代的拓展卡爾曼濾波實現(xiàn)了室內(nèi)載體高精度(厘米級)的動態(tài)定位。

(9) 針對基于LAMBDA方法的KPI對初始坐標(biāo)精度較為依賴的問題，提出了一種較為實用的室內(nèi)偽衛(wèi)星單歷元、非線性模糊度求解方法，該方法基于模糊度函數(shù)法(AFM)，采用了一種改進(jìn)的粒子群算法大大提高了搜索效率，并且具備較高的搜索空間分辨率，針對AFM多峰特性，給出了相應(yīng)的提高可靠性的策略。試驗結(jié)果表明，在初始坐標(biāo)優(yōu)于0.2 m的情況下，該方法能夠以較高的計算效率(20 ms左右)和可靠性實現(xiàn)室內(nèi)載體厘米級的單歷元動態(tài)定位。