高精度室外定位確定室內初始點

2020-09-18 08:22:12席超蔡勁楊博沈文波蔡成林

全球定位系統 2020年4期

席超,蔡勁, 楊博, 沈文波, 蔡成林

(1.航天恒星科技有限公司,北京100086;2.桂林電子科技大學信息通信學院,廣西桂林 541004;3.湘潭大學,湖南湘潭 411105)

0 引言

室內外無縫定位及導航已成為導航位置的核心問題,對智慧城市、智慧旅游、智能機器人、個人導航等多領域意義重大,現在人們70%以上的時間在室內度過,隨著城市化和城鎮化的不斷發展，室內外無縫定位作為“最后一千米”門戶與突破口具有非常大的意義.

本文的目的就是通過高精度室外定位確定室內初始點.固定整周模糊度的LAMBDA算法是能否獲得準確載波相位,從而計算得到高精度定位結果的關鍵.為了解決精密星歷不實時,實時星歷不精密的問題,這里介紹了實時修正廣播星歷的SSR改正信息的方法.在最后得到三個待測點位地心地固坐標下的結果后使用三星定位模型得出最終的室內定位初始點.從而使室內外無縫定位真正意義上實現“無縫”.

1 室外定位的相關方法介紹

1.1 GNSS多模融合導航技術

自從美國研發出GPS以及隨后俄羅斯研制出GLONASS之后,各國對于導航的認識及戰略意義的重視上升到了更高的層面,在此之后歐盟和中國也相繼建設自主導航定位系統:伽利略(Galileo)[1]和北斗衛星導航系統(BDS)[2].這四大衛星導航系統均可提供多頻多信號服務,由于單頻難以完全消除電離層延遲,而通過多頻容易消除大多數電離層延遲,從而提高了整體定位精度.目前,我國自主研發的BDS由原先只能為中國和中國周邊某些國家服務升級到可以為全球提供定位服務.

目前以BDS為主,融合其他全球衛星導航系統(GNSS),通過多模多頻的融合定位機制,可以將原先GNSS的單模單頻定位的可靠性、連續性和最核心的定位精度大大提升.多模多頻融合導航機制逐步成為GNSS應用的主流方向.

1.2 差分增強融合技術

到目前為止,提高GNSS精度最可靠最有效的方法是差分增強技術,主要有局域增強系統(DGNSS)[3]廣域地基增強系統(網絡RTK)[4]以及廣域天基增強系統(WAAS)等一些模式.

局域增強系統主要依附于一個或多個差分基準站進行解算差分改正數,可以使附近幾十千米范圍內的用戶獲得高精度定位結果;廣域天基增強系統依托空間稀疏分布差分基準站,實時解算衛星精密軌道、精密鐘差和電離層改正數,從而使得上千千米范圍內達到亞米級、甚至分米級定位,廣域地基增強系統依托密集的連續運行參考站(CORS)采用網絡實時動態(RTK)技術,獲得分米級、厘米級甚至毫米級的接收定位精度.WAAS、廣域地基增強系統或者是廣域天基和廣域地基的綜合增強技術目前已經成為廣域精密實時定位發展的風向標.

1.3 實時精密單點定位(RTPPP)技術

RTPPP技術是一種基于實時精密軌道和精密鐘差產品的精密單點定位(PPP)技術[5],對雙頻用戶而言,只要能獲得實時精密軌道和精密鐘差,就能實現與網絡RTK相當的定位精度,網絡RTK基于陸態CORS網,在海洋、沙漠等地區并不能完全適用,對于動態用戶,還存在CORS站頻繁更換、數據傳輸量大等問題,RTPPP則具有全球性、普適性、實時性、精密性和經濟型等優點.國際GNSS服務(IGS)一直致力于RTPPP服務,從2001年IGS啟動實施以來,PPP服務研究得到了飛速的發展[6-12].

2 RTPPP模型及實驗

2.1 RTPPP數學模型

所謂單點定位是指利用一臺接收機進行定位的技術.PPP就是利用載波相位進行高精度的定位,即非差相位單點定位.精確定位的前提就是把這些距離的誤差完美地消除,再用卡爾曼濾波或最小二乘法解算出位置.

PPP常用測碼偽距和載波相位觀測值進行定位,對一個雙頻接收機,Li(i=1或2)頻段上的觀測值為:

pi=ρ+c(dt-dT)+dorb+dtrop+

dion/Li+dmult/Pi+εpi，

Φi=ρ+c(dt-dT)+dorb+dtrop-

dion/Li+λiNi+dmult/Φi+εΦi.

(1)

式中：pi和Φi分別為Li上的偽距觀測值、相位觀測值；ρ為接收機到衛星的幾何距離；dtrop為對流層延遲；dion/Li為Li上的電離層延遲；dmult/Pi和dmult/Φi分別為偽距和相位的多路徑誤差；εpi為偽距的觀測噪聲,通常是碼元寬度的1%,對于GPS的C/A碼小于3 m,P碼小于0.3 m[13];εΦi為相位的觀測噪聲,通常約為波長的1%[14],單位m.c為光速；λi(單位:m/周)和Ni(單位:周)分別為Li上的波長和整周模糊度；dt為接收機鐘差；dT為衛星鐘差,單位s.

根據電離層誤差與GNSS衛星信號頻率成反比的特性,可以通過線性組合L1和L2上的觀測值來消除99%的電離層延遲的影響[15].組合形式如下:

(2)

無電離層組合的RTPPP定位流程圖如圖1所示,由四大模塊組成：1)數據接收:即接收機接收衛星播發的廣播星歷,以及得到相應觀測值,還有通過網絡獲取SSR改正數;2)數據處理:計算衛星位置和衛星誤差,以及各種誤差處理;3)參數估計,一般用卡爾曼濾波估計位置、模糊度、接收機鐘差、對流層誤差等參數;4)結果輸出:所得位置基于ECEF坐標系.廣播星歷難以達到PPP的目的,而精密星歷很難實時獲取,最終星歷要一周后才可獲得.為了實現RTPPP,目前較前沿方法是用SSR信息改正廣播星歷的誤差.

圖1 RTPPP定位流程圖

2.2 RTPPP的定位結果及誤差分析

在兼顧RTPPP時,正如1.3節所示的PPP定位模型,可利用擴展卡爾曼濾波(EKF)技術觀測模型線性化后進行參數求解.用戶在接收GNSS原始觀測數據并進行相應的周跳探測和誤差模型改正的同時,通過NTRIP客戶端實時接收來自計算機網絡的衛星位置鐘差SSR修改值,生成精密星歷,再通過擴展卡爾曼濾波實現定位結果.最終定位結果以及定位誤差如圖2所示.

圖2 延伸點A處采集的定位結果

此外,在另兩個延伸點采集的定位結果及誤差如圖3～4所示.

圖3 延伸點B采集的定位結果

通過使用RTPPP技術對三個室外點位進行測試,收斂后定位結果為分米級,與偽距定位相比定位精度有很大的提高;與PPP技術相比定位時效性不言而喻,與載波相位的差分定位技術相比更具有獨立性和靈活性.完全滿足我們對后續室內初始點確定的要求.

圖4 延伸點C采集的定位結果

3 室內初始點的確定

由于測試入口D受墻體的遮擋，接收信號必定會受到遮擋以及衍射的影響,導致定位結果誤差較大,在點位D外部選擇三個空曠點位A、B、C，使用RTPPP技術得到A、B、C三點地心地固坐標下的結果(x,y,z),使用激光測距的方法計算出A、B、C三點距D點的距離,為D點定位的距離,相當于衛星定位中的偽距,再通過三星定位模型得到D點的位置,實現室內定位初始點的絕對定位;即在A、B、C三點使用接收機接收廣播星歷和觀測值,另外電腦連接接收機,在RTKLIB上登錄BNC客戶端實時收集SSR改正信息修正廣播誤差,得到實時精密星歷,并進行解算得到A點定位位置,同理可得B點C點的位置.通過激光測距得到AD、BD、CD的長度確定D點地心地固坐標下的定位結果,解算出的D點,作為室內定位初始點,如圖5所示.室內定位初始點的確立為算法的編寫,及后期室內定位數據的采集和處理打下了良好的基礎.

通過采集解算得到A、B、C三點地心地固坐標下的結果為

(-2.005094038900000×106;5.41105372290 0000×106;2.707964349000000×106);

(-2.005093723137986×106;5.41105348533 4096×106;2.707964240755195×106);

(-2.005179618287973×106;5.41102592066 3161×106;2.707957580346007×106).

三個點位距室內初始點位的距離分別為h1=104.32 m,h2=71.65 m,h3=152.94 m,之后通過三星定位模型：

結算出最終室內定位的初始點位地心地固坐標下的結果為(-2.005115122929998×106;5.411140760598876×106,2.707786426404829×106).

得到室內定位初始點后,將室內初始點坐標帶入室內地磁定位的初始坐標,取代室內定位初始點(0,0,0).使得室內定位的每一個定位結果在室內外無縫定位下更有意義,同時也為后續的室內定位打下了堅實的基礎.