GPS载波相位/INS紧组合导航算法研究
发布时间：2021-12-30 17:05
GNSS动态定位在观测环境良好的情况下,可以获得厘米级的定位精度。但是在城市等复杂环境下容易出现信号衰减、遮挡以及中断等现象,从而无法保障其定位精度、连续性和可靠性。GNSS/INS组合导航技术可以提高GNSS的定位精度和连续性,因此被广泛使用。在城市等复杂环境下,传统的松组合易受卫星颗数限制,而基于伪距的紧组合受伪距精度的限制无法满足更高精度应用领域的需求。本文以GPS系统为对象,围绕GPS载波相位/INS紧组合导航算法开展研究,旨在提高GPS动态定位的定位精度、连续性和可靠性,论文的主要研究内容和成果如下:（1）提出了一种周跳探测与修复组合方法,采用电离层残差法和MW组合法探测周跳,然后在此基础上使用伪距与相位比较法和电离层残差法进行修复,最后通过MW宽巷模糊度检验是否修复成功。实验表明,该算法的定位精度和模糊度固定率与单历元解算的结果基本一致,能够用于动态定位的解算。（2）提出了一种组合单频加宽巷观测值的模糊度解算策略,实验表明,该解算策略不仅可以提高GPS模糊度固定成功率,也可以获得更高的动态定位精度。（3）推导了GPS/INS紧组合导航的系统方程和量测方程,提出将GPS模糊度...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各坐标系间的相互关系
3GNSS周跳探测与模糊度求解41表示为：1121011WL（3-52）此时，L1和宽巷组合的测量噪声可以表示为：11121121001111001LLLLLLL（3-53）3.4实验分析（ExperimentalAnalysis）本节主要对GPS动态定位进行解算，并通过具体算例对上述中的周跳探测与修复策略以及模糊度求解方法进行验证，同时也为后面第五章紧组合软件程序的设计提供一定的理论和实验支撑。3.4.1实验描述首先实验数据为2019年3月在中国矿业大学南湖校区采集的一组跑车数据。其中，GPS接收机采用两台天宝R10，基准站设在学校北门已知控制点处，大地坐标为（34.22025453°，117.143996839°，37.664997m），数据采样率设为1Hz，截止高度角设为10度，采集时间约为24分钟，基线长度最大约为1.25km。由于动态定位的精度评定没有统一的参考标准，一般比较困难，常用的方法就是使用成熟的商业软件进行对比，因为其可靠性一般很高。因此本文采用诺瓦泰IE8.8软件的GPS双频平滑解算结果作为参考值，该软件处理动态数据的精度一般可达5cm以内，特别是短基线情况下，单频可达2cm，双频可达1cm。这里给出IE软件解算的轨迹和跑车在各个方向的速度如图3-2和3-3所示。图3-2参考轨迹Figure3-2Referencetrajectory
硕士学位论文54其协方差可以表示为：()()kTkkkkvCHPHR（4-27）图4-2正态分布图Figure4-2Normaldistribution4.2基于载波相位的GPS/INS紧组合导航模型（GPS/INSTightlyCoupledNavigationModelBasedonCarrierPhase）紧组合是将GPS观测值和INS预测的观测值一起输入到卡尔曼滤波器中，通过滤波融合获得载体的导航结果。与松组合相比，紧组合的定位精度和鲁棒性较优，特别是卫星数量较少甚至失锁时，它可以提高GPS在恶劣观测条件下的可用性。此外，由于紧组合只需要一个滤波器，因此其在实际工作中计算效率更高。紧组合根据GPS观测值的类型可分为两种，一种是基于伪距和伪距率的紧组合；另一种是基于载波相位的紧组合。其中，前者在实际工作中应用非常广泛，主要是因为它不需要解算整周模糊度，实施起来比较方便，但是由于伪距的精度较差，即使通过差分技术还是不能使其噪声减小，仍然在2到3米左右。此外，位置误差可能会影响到姿态误差的解算，使得系统的精度和可靠性会降低。而基于载波相位的紧组合能解决前者精度低的问题，但关键问题是整周模糊度的正确固定，这也是它的难点。一旦整周模糊度能正确固定，GPS载波相位观测值即可转化为一个高精度的测相伪距信息，紧组合系统可实现更高的定位精度。4.2.1附加模糊度消参的GPS/INS紧组合策略紧组合中的整周模糊度一般有两种解决方法，一种是用INS位置坐标作为虚拟观测值来辅助整周模糊度独立解算，从而实现模糊度的固定。这种方法结构简单，模块化程度高，独立性好；但是需要两个滤波器来完成，解算时间较长，还有就是需要考虑何时去辅助GPS滤波器才好。而另一种方法是将模糊度参数附加在GPS/INS滤波状态方程中一起估计，同时可以辅助模糊度的固定，如图4-3
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS惯性传感器现状与发展趋势[J]. 卞玉民,胡英杰,李博,徐淑静,杨拥军. 计测技术. 2019(04)
[2]整周模糊度的在航解算——GNSS动态载波相位测量的数据处理方法之五[J]. 刘基余,陈小明. 数字通信世界. 2018(08)
[3]一种改进的宽巷引导整周模糊度固定算法[J]. 刘硕,张磊,李健. 武汉大学学报(信息科学版). 2018(04)
[4]RTK/INS紧组合算法在卫星数不足情况下的性能分析[J]. 李团,章红平,牛小骥,张全. 武汉大学学报(信息科学版). 2018(03)
[5]GNSS精密单点定位技术及应用进展[J]. 张小红,李星星,李盼. 测绘学报. 2017(10)
[6]基于模糊度相关法的北斗三频载波单历元基线解算[J]. 姚一飞,高井祥,李增科,谭兴龙,韩厚增. 武汉大学学报(信息科学版). 2016(11)
[7]城市环境下BDS+GPS RTK+INS紧组合算法性能分析[J]. 李团,章红平,牛小骥,张全. 测绘通报. 2016(09)
[8]GNSS伪距差分定位及其特色——GNSS卫星导航定位方法之二[J]. 刘基余. 数字通信世界. 2016(08)
[9]GNSS多系统组合精密定位研究进展[J]. 柴洪洲,潘宗鹏,崔岳. 海洋测绘. 2016(04)
[10]GNSS伪距单点定位及其实现——GNSS卫星导航定位方法之一[J]. 刘基余. 数字通信世界. 2016(S1)
博士论文
[1]GNSS精密单点定位及非差模糊度快速确定方法研究[D]. 李星星.武汉大学 2013
[2]GNSS/INS深组合导航理论与方法研究[D]. 陈坡.解放军信息工程大学 2013
[3]旋转式捷联惯导系统关键技术研究[D]. 王庭军.哈尔滨工程大学 2013
[4]光纤陀螺捷联旋转式惯导系统关键技术研究[D]. 王鑫哲.哈尔滨工程大学 2011
[5]高精度GPS动态测量及质量控制[D]. 何海波.中国人民解放军信息工程大学 2002
硕士论文
[1]GNSS/INS组合导航模型研究与性能分析[D]. 王世达.中国矿业大学 2019
本文编号：3558630
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各坐标系间的相互关系
3GNSS周跳探测与模糊度求解41表示为：1121011WL（3-52）此时，L1和宽巷组合的测量噪声可以表示为：11121121001111001LLLLLLL（3-53）3.4实验分析（ExperimentalAnalysis）本节主要对GPS动态定位进行解算，并通过具体算例对上述中的周跳探测与修复策略以及模糊度求解方法进行验证，同时也为后面第五章紧组合软件程序的设计提供一定的理论和实验支撑。3.4.1实验描述首先实验数据为2019年3月在中国矿业大学南湖校区采集的一组跑车数据。其中，GPS接收机采用两台天宝R10，基准站设在学校北门已知控制点处，大地坐标为（34.22025453°，117.143996839°，37.664997m），数据采样率设为1Hz，截止高度角设为10度，采集时间约为24分钟，基线长度最大约为1.25km。由于动态定位的精度评定没有统一的参考标准，一般比较困难，常用的方法就是使用成熟的商业软件进行对比，因为其可靠性一般很高。因此本文采用诺瓦泰IE8.8软件的GPS双频平滑解算结果作为参考值，该软件处理动态数据的精度一般可达5cm以内，特别是短基线情况下，单频可达2cm，双频可达1cm。这里给出IE软件解算的轨迹和跑车在各个方向的速度如图3-2和3-3所示。图3-2参考轨迹Figure3-2Referencetrajectory
硕士学位论文54其协方差可以表示为：()()kTkkkkvCHPHR（4-27）图4-2正态分布图Figure4-2Normaldistribution4.2基于载波相位的GPS/INS紧组合导航模型（GPS/INSTightlyCoupledNavigationModelBasedonCarrierPhase）紧组合是将GPS观测值和INS预测的观测值一起输入到卡尔曼滤波器中，通过滤波融合获得载体的导航结果。与松组合相比，紧组合的定位精度和鲁棒性较优，特别是卫星数量较少甚至失锁时，它可以提高GPS在恶劣观测条件下的可用性。此外，由于紧组合只需要一个滤波器，因此其在实际工作中计算效率更高。紧组合根据GPS观测值的类型可分为两种，一种是基于伪距和伪距率的紧组合；另一种是基于载波相位的紧组合。其中，前者在实际工作中应用非常广泛，主要是因为它不需要解算整周模糊度，实施起来比较方便，但是由于伪距的精度较差，即使通过差分技术还是不能使其噪声减小，仍然在2到3米左右。此外，位置误差可能会影响到姿态误差的解算，使得系统的精度和可靠性会降低。而基于载波相位的紧组合能解决前者精度低的问题，但关键问题是整周模糊度的正确固定，这也是它的难点。一旦整周模糊度能正确固定，GPS载波相位观测值即可转化为一个高精度的测相伪距信息，紧组合系统可实现更高的定位精度。4.2.1附加模糊度消参的GPS/INS紧组合策略紧组合中的整周模糊度一般有两种解决方法，一种是用INS位置坐标作为虚拟观测值来辅助整周模糊度独立解算，从而实现模糊度的固定。这种方法结构简单，模块化程度高，独立性好；但是需要两个滤波器来完成，解算时间较长，还有就是需要考虑何时去辅助GPS滤波器才好。而另一种方法是将模糊度参数附加在GPS/INS滤波状态方程中一起估计，同时可以辅助模糊度的固定，如图4-3
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS惯性传感器现状与发展趋势[J]. 卞玉民,胡英杰,李博,徐淑静,杨拥军. 计测技术. 2019(04)
[2]整周模糊度的在航解算——GNSS动态载波相位测量的数据处理方法之五[J]. 刘基余,陈小明. 数字通信世界. 2018(08)
[3]一种改进的宽巷引导整周模糊度固定算法[J]. 刘硕,张磊,李健. 武汉大学学报(信息科学版). 2018(04)
[4]RTK/INS紧组合算法在卫星数不足情况下的性能分析[J]. 李团,章红平,牛小骥,张全. 武汉大学学报(信息科学版). 2018(03)
[5]GNSS精密单点定位技术及应用进展[J]. 张小红,李星星,李盼. 测绘学报. 2017(10)
[6]基于模糊度相关法的北斗三频载波单历元基线解算[J]. 姚一飞,高井祥,李增科,谭兴龙,韩厚增. 武汉大学学报(信息科学版). 2016(11)
[7]城市环境下BDS+GPS RTK+INS紧组合算法性能分析[J]. 李团,章红平,牛小骥,张全. 测绘通报. 2016(09)
[8]GNSS伪距差分定位及其特色——GNSS卫星导航定位方法之二[J]. 刘基余. 数字通信世界. 2016(08)
[9]GNSS多系统组合精密定位研究进展[J]. 柴洪洲,潘宗鹏,崔岳. 海洋测绘. 2016(04)
[10]GNSS伪距单点定位及其实现——GNSS卫星导航定位方法之一[J]. 刘基余. 数字通信世界. 2016(S1)
博士论文
[1]GNSS精密单点定位及非差模糊度快速确定方法研究[D]. 李星星.武汉大学 2013
[2]GNSS/INS深组合导航理论与方法研究[D]. 陈坡.解放军信息工程大学 2013
[3]旋转式捷联惯导系统关键技术研究[D]. 王庭军.哈尔滨工程大学 2013
[4]光纤陀螺捷联旋转式惯导系统关键技术研究[D]. 王鑫哲.哈尔滨工程大学 2011
[5]高精度GPS动态测量及质量控制[D]. 何海波.中国人民解放军信息工程大学 2002
硕士论文
[1]GNSS/INS组合导航模型研究与性能分析[D]. 王世达.中国矿业大学 2019
本文编号：3558630
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