GPS/BDS2/BDS3 PPP/INS/车载辅助紧组合算法研究与实现

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随着智能驾驶和移动机器人等新兴领域对位置服务需求的日益增加,高精度、高可靠性、连续稳健的定位技术受到广泛关注。我国北斗三代系统的全面组网促进了多模多频PPP技术的进一步发展,但是,在城市峡谷、桥梁、隧道等动态复杂城市环境下,卫星信号不稳定且存在频繁失锁问题,导致PPP定位精度、可靠性和连续性变差。目前,单一的定位手段均无法满足多场景、多功能的导航性能需求,如何实现多种观测信息稳健融合是一项具有挑战的研究工作。本文重点研究GPS/BDS2/BDS3 PPP算法和PPP/INS/车载辅助信息紧组合算法,研究复杂场景下紧组合方案的抗差特性,并设计实现了具备抗差的GNSS/INS/车载辅助信息紧组合方案,最后通过开阔场景和复杂场景开展了充分的组合导航性能实验验证。本文的主要研究工作和贡献如下:1.推导了GPS/BDS2/BDS3 PPP算法,通过车载动态测试进行多系统PPP定位精度验证,特别对北斗三代系统及其新信号进行了测试评估。实验结果表明:(1)加入BDS3(北斗三号)系统,可用卫星数增多,几何构型也得到优化,PPP定位精度提高显著;(2)基于新信号BDS3 B1C/B2a组合定位结果精度比B1I/B3I组合定位结果精度提升约20%,平面位置收敛到0.1m的收敛速度提升约40%。2.基于序贯平方根滤波,设计并实现了PPP/INS紧组合算法。开阔环境下,测试表明:PPP/INS紧组合平面位置精度约为0.05m,高程精度约0.25m,航向精度优于0.1°;研究了非完整性约束和里程计辅助对PPP/INS紧组合辅助效果,通过增加车载辅助信息可以有效抑制GNSS中断时惯导误差快速发散和加快PPP定位结果的重收敛速度。实验结果表明:(1)60s GNSS中断时定位精度优于1.5m,车载辅助信息模式下的组合导航位置精度改进约87%;(2)车载辅助信息与INS融合后,PPP重收敛到平面位置0.15m的速度提升约86%。3.研究了复杂场景下抗差PPP/INS紧组合方案。建立基于序贯滤波新息的卡方检验质量控制方案,实现了同历元下每个观测量单独检测和较为准确的误差探测能力。城市复杂场景下的测试结果表明:抗差算法进一步提高了组合导航结果的可靠性,在高架桥、隔音棚等GNSS信号受到严重干扰的情况下,定位结果可以保持平滑性,防止异常定位波动的产生。
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