復雜環境中BDS快速精密定位方法研究

程俊兵

太原理工大學大數據學院，山西 太原 030600

全球導航衛星系統是智慧交通、物聯網、無人駕駛等新一代信息技術的時空基礎設施，已經被廣泛應用于車輛導航、地理測繪、災害預警等民用和軍事領域。隨著我國自主開發建設的北斗導航衛星系統的快速推廣和不斷完善，人們對BDS精密定位的可靠性、連續性，特別是實時性要求日益提高。然而，人們工作生活的場所大多處于BDS信號被遮擋和反射的城市峽谷等復雜環境中，遮擋和反射產生的多徑和非視距效應導致接收機捕獲時間延長、定位精度下降，甚至出現頻繁失鎖和周跳等嚴重影響精密定位性能的現象。論文圍繞如何提高復雜環境中BDS精密定位實時性開展研究，主要內容如下：

(1) BDS三頻信號線性組合可以提高信息冗余度、擴大波長、減小電離層延遲等誤差，在復雜環境中三頻組合也會增加衛星信號捕獲時間和檢測錯誤率。論文利用捷聯慣性導航系統(strap-down inertial navigation system,SINS)與BDS優勢互補性強和BDS信號具有稀疏性的特點，提出了一種基于壓縮感知(compressed sensing,CS)的SINS輔助BDS衛星信號快速捕獲方法：首先，利用SINS速度信息縮小BDS信號的多普勒頻率搜索范圍；然后，在稀疏化BDS信號的基礎上，應用CS理論依次以粗捕獲和精捕獲方式測量BDS信號，實現輸入信號信噪比不變前提下快速確定碼相位；最后，對提出方法與另外兩種經典捕獲方法進行對比性測試，結果表明提出方法能提高BDS衛星信號捕獲檢測概率、減小平均捕獲時間。

(2) 為了提高衛星利用率，BDS利用高軌衛星擴大信號覆蓋范圍、實現短報文通信，這也使BDS衛星產生了碼偏差。另外，接收機觀測環境引起的多徑和非視距等誤差進一步擴大了偽距誤差，特別是在復雜環境中。論文在分析BDS衛星碼偏差特性基礎上，首先利用高度角模型校正傾斜地球同步軌道(inclined geo synchronous orbit,IGSO)/中地球軌道(medium earth orbit,MEO)衛星碼偏差；然后，根據地球同步軌道(geostationary earth orbit,GEO)衛星碼偏差具有周期性且變化緩慢的特點，引入經驗模態分解得到碼偏差校正偽距；最后，根據高度角和載噪比可衡量大氣延遲和多徑誤差的特性，建立聯合高度角和載噪比的自適應超寬巷(extra-wide lane,EWL)模糊度解算模型，提高浮點模糊度精度和模糊度固定成功率。

(3) BDS三頻模糊度解算過程中，寬巷(wide lane，WL)和窄巷(narrow lane，NL)模糊度的快速可靠固定是實現精密定位的關鍵。中長基線引起的大氣延遲誤差會降低模糊度解算性能，特別是在復雜環境中。論文提出一種最小噪聲約束的BDS三頻模糊度解算方法。首先，根據組合觀測值與電離層延遲誤差之間的內在聯系，由EWL1觀測值反解出EWL2觀測值的電離層延遲誤差，并平滑處理用于加快EWL2模糊度固定；然后，在NL模糊度固定模型中加入三頻偽距，同時滿足電離層無關、幾何無關和觀測噪聲最小，提高NL模糊度固定成功率，進而得到BDS精密定位結果；最后，定位結果作為卡爾曼濾波器的測量值更新SINS定位參數，形成SINS與BDS的耦合閉環。結果表明提出方法縮短了模糊度固定時間，提高了定位可靠性。