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一种适用于动态变形测量的双频模糊度实时解算方法

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武汉大学学报（信息科学版） 2012年第6期37卷 683-687页

作者：薛志宏楼益栋易文婷董洋洋信息工程大学测绘学院郑州市陇海中路66号450052 武汉大学卫星导航定位技术研究中心武汉市珞喻路129号430079 河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室焦作市世纪大道2001号454003

设计了一种短基线情况下双差模糊度的实时解算方法,利用双频载波相位的两个长波组合φ-3,4和φ4,-5,通过坐标初始值约束和双频信号之间的相关关系,可快速求解模糊度,采用抗差自适应滤波来提高模糊度求解的可靠性及定位精度。该方法对监... 详细信息

设计了一种短基线情况下双差模糊度的实时解算方法,利用双频载波相位的两个长波组合φ-3,4和φ4,-5,通过坐标初始值约束和双频信号之间的相关关系,可快速求解模糊度,采用抗差自适应滤波来提高模糊度求解的可靠性及定位精度。该方法对监测点初始点位误差的要求可放宽至50cm,适合于变形幅度较大的动态监测系统。

关键词：模糊度实时解算动态变形测量组合观测值抗差自适应卡尔曼滤波

视觉里程计/IMU辅助GPS融合定位算法研究

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视觉里程计/IMU辅助GPS融合定位算法研究

作者：肖婷婷华东师范大学

学位级别：硕士

不同的传感器用于导航定位各有其优势与不足,需要依据不同的应用场景对各传感器进行组合以获取最优导航定位性能。在城市、桥梁等遮挡环境下,GPS信号容易发生中断或卫星信号质量不佳,导致室外定位精度不够。为此,本文将主要研究视觉里程... 详细信息

不同的传感器用于导航定位各有其优势与不足,需要依据不同的应用场景对各传感器进行组合以获取最优导航定位性能。在城市、桥梁等遮挡环境下,GPS信号容易发生中断或卫星信号质量不佳,导致室外定位精度不够。为此,本文将主要研究视觉里程计/IMU辅助GPS融合定位算法,提高室外受限环境下导航定位精度与可靠性。本文的主要研究内容有:(1)分别研究了视觉里程计和IMU的关键技术。针对视觉里程计中特征点匹配计算量大及误匹配的现象,集成图像处理领域中基于欧式距离阈值设定的预处理算法,提出视觉里程计前端特征点匹配优化算法。通过实验证明,提升了特征点提取的质量。(2)讨论视觉里程计/IMU组合导航算法理论基础,建立视觉里程计/IMU紧耦合模型。针对实验中的多传感器时间同步问题,使用软件算法估计硬件设备之间的时间偏差。(3)提出基于抗差自适应卡尔曼滤波的GPS/视觉里程计/IMU组合算法。通过手持接收设备采集GPS数据,进一步融合视觉里程计/IMU信息解算载体位置。在遮挡环境下,单GPS的精度E、N、U三个方向的RMS值分别为:9.7653m、31.8248m、20.8644m,而基于抗差的多系统融合位置精度E、N、U三个方向的RMS值分别为4.48m、7.55m、5.62m,分别提高了54%、76%和73%。

关键词： GNSS 惯性导航视觉里程计组合导航抗差自适应卡尔曼滤波

BDS/GPS组合动态相对定位及其质量控制方法研究

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BDS/GPS组合动态相对定位及其质量控制方法研究

作者：曾琪武汉大学

学位级别：硕士

GNSS精密相对定位技术是二十世纪八十年代发展起来的一种高精度定位技术,它采用两台或两台以上的接收机,利用载波相位观测值实时或事后确定用户载体的位置。由于其作业成本较低、可全天候观测、定位精度较高等诸多优点,被广泛应用于大... 详细信息

GNSS精密相对定位技术是二十世纪八十年代发展起来的一种高精度定位技术,它采用两台或两台以上的接收机,利用载波相位观测值实时或事后确定用户载体的位置。由于其作业成本较低、可全天候观测、定位精度较高等诸多优点,被广泛应用于大地测量、工程测量及地球空间科学等研究领域。其中动态相对定位因其测站位置、运动状态不受限制的特点,相比静态相对定位有着更为广阔的应用前景,在移动测绘、工程放样、动态载体的定位定向、地理信息数据采集等应用场合发挥着重要作用。另外,随着我国北斗卫星导航系统(BDS)的快速发展,基于BDS、GPS组合的动态定位与传统的单GPS定位相比,在可见卫星数、卫星几何构型、收敛速度以及定位精度等方面更具优势,因此研究基于BDS、GPS组合的动态相对定位具有非常重要的意义。虽然动态相对定位技术历经三十余年地快速发展,是一项较为成熟的空间定位技术,但在实际动态定位中,由于载体运动和观测环境的复杂多变,会造成卫星数频繁变化和观测数据质量较差等问题,从而降低了模糊度固定率、定位精度和可靠性。本文旨在基于BDS、GPS多频观测数据,针对上述问题分别从数据预处理、参数估计以及模糊度固定三个方面着手,设计和改进了一系列质量控制方法,以改善动态定位中的模糊度固定率、定位精度和可靠性,论文主要工作和结论如下:(1)系统总结了动态相对定位还存在的难题,阐述了 BDS/GPS组合动态相对定位的数学模型和理论方法。从原始观测方程出发给出了不同基线长度下的函数模型以及随机模型;从参数估计的角度介绍了标准卡尔曼滤波估计以及基于卡尔曼滤波的动态定位模型,并给出了模糊度解算及检验的常用方法。(2)构建阈值模型以改善TurboEdit方法对动态数据的周跳探测性能。该方法在滑动平均滤波MW组合周跳探测方法中加入了自适应观测序列均方根变化的阈值模型;在相邻历元求差的GF组合周跳探测中加入了随采样率及卫星高度角变化的加权阈值模型。通过大量数据测试检验,结果表明,该组合方法有效可行,相比原始方法不仅在探测灵敏度上有一定提高,在避免周跳误判、漏判上也有较大改善。(3)针对传统抗差卡尔曼滤波(Robust Kalman Filter,RKF)方法不能区分粗差和小周跳的缺陷,提出了一种改进的抗差卡尔曼滤波方法。该方法将传统抗差方案中位于拒绝域的相位观测值当做周跳处理,并采用残差和标准化残差进行联合判定;同时,为了避免模糊度误初始化影响收敛,采用了只有当同一颗卫星的相位观测值连续两次位于拒绝域才重置其模糊度的策略;实测数据测试表明,改进的抗差卡尔曼滤波能够避免未探测到的小周跳对定位的影响,避免后续历元相位残差持续增大,显著提升了动态定位精度和可靠性。(4)针对动态定位中卫星数频繁变化对滤波估计以及模糊度固定造成影响的问题,提出了一种改进的自适应卡尔曼滤波(Adaptive Kalman Filter,AKF)方法。该方法以卫星连续跟踪历元数为判别统计量,按照卫星数增加和减少两种情况分别对模糊度过程噪声进行自适应缩放;数据测试表明,改进的自适应卡尔曼滤波方法在卫星数增加时,能有效降低新出现卫星对滤波解算的影响,显著提升了定位性能,其中固定率提升了 30%左右,各方向定位精度也有一定改善,高程方向较为明显,改善了约35%;在卫星数减少时,可以避免卫星遮挡造成的卫星几何构型差对定位的影响,保持滤波结果的稳定性和连续性。(5)针对动态定位特点,提出一种粗筛选和精筛选相结合的部分模糊度固定(Partial Ambiguity Resolution,PAR)方法。该方法综合考虑了卫星跟踪历元数、高度角和降相关模糊度方差对模糊度固定的影响,构建了一个较为合理的模糊度剔除索引,更加适应动态定位实际情形。大量实测数据结果表明,部分模糊度固定方法相比全模糊度固定(Full Ambiguity Resolution,FAR),可以显著改善历元固定率,改善程度约为15%～35%,中长基线首次固定时间(Time to First Fix,TTFF)平均由44.1分钟缩短为30.1分钟,缩短了 31.7%;同时在一定程度上提高定位精度。改进的部分模糊度固定方法与原始的部分模糊度固定方法相比,进一步改善了固定解的性能。尤其是对实测动态数据,固定率平均提升了 4.5%左右,首次固定时间由30.1分钟进一步缩短至28.2分钟,缩短了 6.3%,定位精度上也有一定的提升。

关键词： BDS/GPS 动态相对定位质量控制数据预处理抗差自适应卡尔曼滤波部分模糊度固定

MEMS-INS/GNSS组合导航系统研究

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MEMS-INS/GNSS组合导航系统研究

作者：周彬南京航空航天大学

学位级别：硕士

MEMS-INS/GNSS组合导航系统具有体积小、成本低、精度高、动态性能好以及抗干扰能力强等特点,因而具有非常广阔的应用前景。本文设计了一套基于嵌入式的MEMS-INS/GNSS组合导航系统并对其相关技术进行了研究,主要研究内容包括如下几个方... 详细信息

MEMS-INS/GNSS组合导航系统具有体积小、成本低、精度高、动态性能好以及抗干扰能力强等特点,因而具有非常广阔的应用前景。本文设计了一套基于嵌入式的MEMS-INS/GNSS组合导航系统并对其相关技术进行了研究,主要研究内容包括如下几个方面:首先,本文根据微惯性测量单元的误差特性建立了相应的误差模型并对其性能进行分析。对于确定性误差,研究了常用的分立式标定方法和六位置标定方法对误差补偿的影响,同时针对g值敏感误差的问题,提出了基于16位置的g值敏感系数的标定补偿方法,结果表明,该方法能够有效地降低由加速度所引入的测量误差对陀螺仪的影响,提高微惯性测量单元的输出精度。其次,对于随机误差,研究了利用小波阈值去噪法进行陀螺仪随机误差去噪的方法。此外,利用Allan方差法对不同采样频率下的陀螺仪随机误差进行分析辨识,结果证明提高陀螺仪的采样频率能够有效地减小随机误差。接着,开展了GNSS定位与测向算法的研究。针对MEMS-INS输出航向不准确的缺陷,提出了双差载波相位求解基线矢量的算法以及基于QUEST的矢量定姿算法。另外,搭建了GNSS定位与测向仿真平台并对相关算法进行验证。最后,建立了MEMS-INS/GNSS组合导航系统的状态方程和观测方程,针对载体复杂多变的运动状态,设计了抗差自适应卡尔曼滤波器。在理论分析和研究的基础上提出了MEMS-INS/GNSS组合导航系统的设计方案,最后利用跑车实验对整个系统进行了性能分析以及验证了导航算法的有效性。

关键词： MEMS-INS GNSS 组合导航误差建模标定抗差自适应卡尔曼滤波

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煤矿井下精确人员定位系统研究与实现

煤矿井下精确人员定位系统研究与实现

作者：代超娜河北工程大学

学位级别：硕士

煤炭资源是我国经济生活的主要能量来源,资源分布广泛且丰富。但是我国的煤炭资源开采难度大,危险系数高,因此精确定位是煤矿井下人员定位发展的必然趋势。现阶段,UWB定位技术以稳定性较强、定位距离长、穿透力强等优势成为了煤矿井下... 详细信息

煤炭资源是我国经济生活的主要能量来源,资源分布广泛且丰富。但是我国的煤炭资源开采难度大,危险系数高,因此精确定位是煤矿井下人员定位发展的必然趋势。现阶段,UWB定位技术以稳定性较强、定位距离长、穿透力强等优势成为了煤矿井下人员定位的首选技术,但抗多径干扰能力弱、易受非视距误差影响等不足影响了其定位精度。为此本文在煤矿井下人员定位技术与系统方面做了以下研究:(1)介绍了UWB技术和INS基本原理,阐述了常用定位算法,分析其优缺点。(2)针对煤矿井下环境中UWB定位精度受多径干扰和非视距误差影响的问题,提出了一种基于UWB/INS的抗差自适应卡尔曼滤波算法。该算法通过调节状态协方差矩阵的预测残差建立统计参量,结合调节观测噪声协方差矩阵的抗差因子,自适应调整预测值和观测值所占的权重。实验结果表明,与单纯的UWB定位算法相比,本文所提算法最大定位误差减小了2.14m,最小定位误差减小了0.06m,平均定位误差减小了1.1m;与UWB/INS自适应卡尔曼滤波算法相比,本文所提算法最大定位误差减小了0.98m,最小定位误差减小了0.02m,平均定位误差减小了0.5m。(3)根据煤炭开采的实际工作情况,本文设计了一套煤矿井下精确人员定位系统,并进行了测试。测试结果表明,所设计的系统稳定性好,能够出色地完成煤矿井下人员的定位查询、考勤管理和用户管理等功能。

关键词：煤矿井下人员定位 UWB INS 组合定位抗差自适应卡尔曼滤波

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BDS/GPS非差非组合抗差自适应PPP

BDS/GPS非差非组合抗差自适应PPP

作者：纪超北京建筑大学

学位级别：硕士

精密单点定位是指使用一台双频GNSS接收机的伪距和载波相位观测量,利用IGS等组织提供的精密星历和精密钟差产品,基于误差改正策略消除或减弱大部分误差,采用参数估计方法获取单站绝对定位的高精度定位技术。自从精密单点定位技术提出以... 详细信息

精密单点定位是指使用一台双频GNSS接收机的伪距和载波相位观测量,利用IGS等组织提供的精密星历和精密钟差产品,基于误差改正策略消除或减弱大部分误差,采用参数估计方法获取单站绝对定位的高精度定位技术。自从精密单点定位技术提出以来,对该技术的大量研究都是基于对GNSS原始观测值组合的消电离层组合模型。虽然消电离层组合能够消除电离层延迟一阶项的影响,但是也造成了观测误差和多路径效应误差放大,无法得到大气中的电离层延迟项。然而,基于GNSS原始观测值的非差非组合模型能够弥补上述缺点,同时该模型也带来待估参数增多、与频率相关误差增加等问题。当接收机观测条件不好时,使用单系统进行解算定位,可能出现可视卫星数不足和PDOP值较大的问题,而双系统组合后可以使用更多的观测数据,能够改善卫星几何机构,提高定位精度和减少收敛时间。随着我国BDS系统的蓬勃发展和美国GPS现代化的提出,给卫星导航领域带来了巨大的发展机遇,BDS/GPS双系统组合精密单点定位是未来一段时间里的发展方向,如何将多系统多频率应用到精密单点定位中是亟需解决的问题。在精密单点定位中,卡尔曼滤波法是常用的参数估计方法。由于在数据预处理、误差模型改正等阶段无法完全消除观测值异常误差,另外,常用的动力学模型无法准确描述载体的运动状态,故使用卡尔曼滤波法进行精密单点定位解算时,会导致滤波解算结果不稳定、解算精度不高和收敛时间较长等问题。因此,进行参数估计时,需要采取顾及观测模型误差和动态模型误差的解算模式。针对上述提及的三方面问题,本文在精密单点定位中选取了非差非组合模型,研究了非差非组合模型的观测方程,给出了相应的随机模型,并对该模型进行了线性化处理;对原始观测值非组合过程中的误差源进行了分类阐述并给出了相应的改正模型来消除或减弱误差对定位的影响;对卡尔曼滤波法在非差非组合模型中的应用进行了详细的推导,并指出应用标准卡尔曼滤波算法时无法顾及观测模型误差和动态模型误差,基于此,构建了非差非组合精密单点定位中的抗差自适应卡尔曼滤波算法。最后,对MGEX跟踪站站点的观测数据进行动、静态模式下的实验,通过和卡尔曼滤波法对比,验证构建的抗差自适应卡尔曼滤波的定位解算效果。实验结果表明,在非差非组合精密单点定位中,无论是静态PPP过程还是动态PPP过程,使用抗差自适应卡尔曼滤波解算后在定位精度和收敛时间方面均优于卡尔曼滤波的滤波效果。

关键词：非差非组合PPP BDS/GPS 标准卡尔曼滤波抗差自适应卡尔曼滤波