基于位置域和观测值域滤波的GNSS单点定位平滑方法研究

作     者：陈梅正 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵乐文

授予年度：2023年

学科分类：081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：GNSS单点定位 位置域 观测值域 平滑方法 精度评估 

摘      要：随着全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的飞速发展,GNSS技术已广泛应用于自动驾驶、现代农业等领域。然而,基于载波差分定位技术(RTK)的高精度定位依赖于区域参考站系统,存在服务系统容量有限、需要付费使用等问题,难以实现大众化应用。单点定位技术无需参考站即可实现全球范围内精密定位,通过后处理可以进一步提高定位精度,对农业普查、自然资源调查等领域具有重要的应用前景。基于此,本文分别基于伪距单点定位技术和精密单点定位技术,采用不同质量和不同观测环境下采集的GNSS数据,进行精度评估;并进一步分别采用位置域和观测值域的平滑技术提高定位精度。本文的主要工作和结论如下:(1)针对复杂环境下卫星信号受多路径干扰,低成本接收机伪距单点定位精度差的问题,本文对不同环境下不同质量接收机采集的观测数据分别采用无滤波和两种位置域平滑进行SPP定位解算,验证平滑算法对精度的改善。实验结果表明,在树木遮挡环境下测量型接收机Trimble Alloy,低成本接收机LC29H和Sino K803无滤波解算平面定位精度分别为1.61m、3.09m和1.88m。采用位置平滑算法优于前后向滤波平滑结果,三台接收机采用位置平滑的平面精度分别为1.32m、2.56m和1.53m,相比无滤波解算分别提升18%、17%和19%。在相对开阔环境下华为P40、移远LG69T和Ublox-M8T无滤波解算平面精度分别为3.22m、0.70m和1.59m,采用位置平滑算法解算的三台接收机平面精度分别为2.64m、0.56m和1.25m,相比无滤波解算分别提升28%、20%和21%。对复杂环境下移远LC29H和华大北斗HD的伪距残差与高度角、信噪比的变化关系进行分析,采取信噪比定权进行SPP定位解算,两台接收机无滤波平面精度分别为3.58m和3.99m,采用位置平滑两台接收机的平面精度分别为2.75m和3.09m,相比无滤波解算分别提升23%和22%。(2)为了探究基于观测值域平滑算法对PPP定位精度的改善差异,本文对4天的21个IGS测站和不同环境下不同质量接收机采集的观测数据分别采用观测值域整体最小二乘和反向平滑算法进行PPP定位解算。实验结果表明,绝大多数IGS测站采用观测值域整体最小二乘解算的PPP定位结果比后向平滑解算精度更高,其中2月15日BIK0和2月16日CHAN测站采用整体最小二乘算法解算的平面精度分为0.54cm和0.65cm,相比反向平滑结算的结果分别提升了67%和69%。树木遮挡环境下测量接收机Trimble和低成本接收机Sino采用整体最小二乘解算的PPP定位精度优于反向平滑的结果,两台接收机采用整体最小二乘相比反向平滑平面精度分别提升73%和56%。(3)进一步采用不同质量的GNSS接收机验证位置域平滑算法对精度的改善差异。实验结果表明,单侧遮挡环境下的测量型接收机Trimble和低成本接收机Sino采用基于观测值域整体最小二乘解算的平面精度别为13.36cm和1.7cm,采用位置平滑算法两台接收机平面精度分别为12.3cm和2.57cm。位置平滑算法能够改善Trimble的定位精度,对于低成本接收机Sino,其抗多径能力较差,观测噪声较大,使得位置平滑算法反而降低了其平面定位精度。树木遮挡环境下采用位置平滑算法后,Trimble和Sino平面定位精度分别为2.23cm和4.52cm,相比采用整体最小二乘解算的动态PPP平面精度分别提升了23%和7%。根据接收机的质量调整位置平滑算法中的观测噪声协方差矩阵,Sino采用调整后位置平滑解算的平面精度优于调整前位置平滑解算的结果,Trimble的定位结果并未产生影响。