Android智能手机双频GNSS伪距差分动态定位性能分析

随着智能手机全球导航卫星系统(GNSS)天线和芯片从单频单模向多频多模快速发展,基于其所衍生出来的位置服务(LBS)应用极大地便利了大众用户的日常生活.然而受限于低成本、低功耗的信号接收与处理单元,手机在无增强信息的情况下仅依赖伪距单点定位难以为用户提供稳定、高精度的导航服务.因此,基于小米8手机(Mi8)的GNSS双频原始数据,采用非组合的双频伪距观测值、载波历元差分观测值和多普勒观测值构建了滤波定位模型,并引入伪距差分数据,以提升手机定位的连续性和精度.在较复杂环境下开展了行人和车载实验,实测结果表明:双频定位精度与单频相比提升了15％～30％,伪距差分定位精度和单点定位相比提升了5％～20％,行人和车载双频伪距差分定位的平面位置误差分别为0.65m和1.03m,基本满足手机用户在城市复杂环境下的高精度定位服务需求.     

北斗三号系统PPP-B2b信号定位服务模型及性能分析

给出了PPP-B2b信号定位的观测模型和随机模型，详细阐述了PPP-B2b增强改正模型和参数估计模型，并进行了静态和动态定位实验。结果表明：对于单系统，在30min的收敛时间内，北斗三号定位精度可以达到水平0.118m（静态）、0.176m（动态），高程0.208m（静态）、0.423m（动态）以内，GPS定位精度可以达到水平0.113m（静态）、0.163m（动态），高程0.206m（静态）、0.377m（动态）以内；对于北斗三号/GPS双系统，在20min的收敛时间内，定位精度可以达到水平0.092m（静态）、0.122m（动态），高程0.158m（静态）、0.312m（动态）以内。无论是收敛性还是定位精度，均能满足北斗三号精密单点定位服务指标的要求。     

智能手机广域精密定位研究

智能手机作为位置服务的重要载体，由于其天线结构等因素，导致利用手机原始观测值进行定位不能满足高精度定位的需求。针对这一问题，提出了利用广域增强技术，提高手机单频原始观测值实时定位精度的方法。首先，针对手机观测值周跳较为严重的问题，对单频载波相位观测值进行了周跳探测。然后，利用手机观测值获取的伪距、载波相位以及IGS站播发的轨道和钟差改正实现增强定位。实验结果表明，定位精度收敛到1m约需要20min，收敛后水平方向和垂直方向精度分别提高了66.7%和28.9%，平面精度达到1.5m。     

利用改正数信息的北斗三号实时精密单点定位及性能分析

北斗三号全球卫星导航系统已正式建成并开通服务。为了利用实时改正数信息系统地揭示北斗三号精密单点定位性能，并为用户提供理论依据和应用参考，首先解算了卫星实时精密轨道、钟差及其改正数，分析了其精度。然后基于实时改正数信息，利用监测站广播星历和观测数据，分别进行了双频静态、双频仿动态、单频静态和单频仿动态仿实时精密单点定位，以评估其性能。结果表明：北斗三号MEO卫星实时轨道和钟差精度均值分别约为12cm和0.2ns，满足实时精密单点定位需求。静态实时精密单点定位精度优于动态，双频优于单频，均可达到分米级。对于定位收敛时间，双频静态最短，约为40min；双频动态和单频静态均约为85min；单频动态最长，约为120min。     

单点定位与实时定轨的星载算法的比较研究

卫星单点定位方法和卫星定轨方法均采用GPS接收机测量得到的伪距和伪距率作为原始观测量。前者依据几何学原理,采用最小二乘法对单个历元的原始观测量进行处理,解算出卫星的位置和速度;而后者依据轨道动力学理论,采用卡尔曼滤波方法通过连续的原始观测量对滤波器状态量的修正使定轨结果收敛。通过比较,星载定轨方法能够明显改善定位测速的精度和数据的稳定性,其外推功能可以有效避免观测量短时间中断对定轨结果连续性的影响。我们已经将实时定轨算法应用到星载型号任务的工程中,并取得了较好的结果。     

北斗三频RTK定位算法研究

为了评估北斗三频观测值在短基线RTK应用中的定位性能,采用Kalman滤波模型进行动态环境下北斗三频模糊度固定,经实测数据验证,动态环境下北斗三频RTK只需1个历元即可得到固定解,模糊度成功率较GPS双频和BDS双频分别提高了15.0%和14.1%,验证了我国北斗三频信号在短基线RTK定位中的优越性能。     

基于B1c/B2a/B3I北斗三频实时高采样率动态PPP分析

为了分析北斗三号新信号的三频实时动态PPP定位性能,首先推导了三频两两组合无电离层模型和三频非差非组合模型的观测方程。基于山东建筑大学CORS站观测得到的北斗三号B1c/B2a/B3I三频信号1s采样率数据,使用iGMAS提供的超快速精密星历预报部分,制定了基于B1cB3I-B2aB3I三频无电离层两两组合、B1cB2aB3I三频非差非组合以及用于对比分析的B1cB2a、B1IB3I两种双频无电离层共四种定位方案。然后利用Net_Diff软件进行实时动态PPP实验,对超快速精密轨道和钟差预报部分的精度和稳定度以及实验解算结果进行分析,对比不同定位方案的定位性能。实验分析表明,两种三频定位方案定位性能均优于B1cB2a双频定位方案,定位精度能达到0.462m和0.479m,收敛至分米所需时间能达到45.8min和62.8min;B1IB3I方案定位性能优于两种三频定位方案,定位精度和收敛速度能达到0.228m和6.6min。     

GPS单差观测量的运动学相对定轨研究

以双星编队飞行为工程背景,在两颗编队卫星均搭载GPS双频接收机和一颗搭载GPS双频接收机而另一颗搭载GPS单频接收机两种模式下,对相对定轨方法和数据处理流程进行了研究。运动学相对定轨采用最小二乘批处理方法进行轨道估计,定轨流程包括单点定位、动力学平滑、数据编辑、运动学绝对定轨和运动学相对定轨五个步骤。利用GRACE双星数据进行测试,结果通过KBR验证:利用消电离单差组合观测量,相对定轨精度达到1 cm左右;以双频GPS为参考星,双频消电离观测量和单频GRAPHIC观测量做单差,相对定轨精度优于18cm。     

基于B1c/B2a/B3I北斗三频实时 高采样率动态PPP分析

为了分析北斗三号新信号的三频实时动态PPP定位性能，首先推导了三频两两组合无电离层模型和三频非差非组合模型的观测方程。基于山东建筑大学CORS站观测得到的北斗三号B1c/B2a/B3I三频信号1s采样率数据，使用iGMAS提供的超快速精密星历预报部分，制定了基于B1cB3I-B2aB3I三频无电离层两两组合、B1cB2aB3I三频非差非组合以及用于对比分析的B1cB2a、B1IB3I两种双频无电离层共四种定位方案。然后利用Net_Diff软件进行实时动态PPP实验，对超快速精密轨道和钟差预报部分的精度和稳定度以及实验解算结果进行分析，对比不同定位方案的定位性能。实验分析表明，两种三频定位方案定位性能均优于B1cB2a双频定位方案，定位精度能达到0.462m和0.479m，收敛至分米所需时间能达到45.8min和62.8min；B1IB3I方案定位性能优于两种三频定位方案，定位精度和收敛速度能达到0.228m和6.6min。     

低成本GNSS接收机芯片载波相位测量技术

当前具备载波相位测量的GNSS接收机能够实现高精度定位,但其成本高、体积大,难以广泛应用于大批量的手机、平板电脑等消费电子产品。针对ST公司的STA8090接收机芯片并改进其软件和晶振以获得载波相位信息,采用双差和三差方程测试评估载波相位测量的精度,与测绘型接收机进行对比。基于改进的STA8090接收机芯片构建双天线定姿系统原型样机,静态测试评估了相对定位和定向精度。研究结果表明,千米级静态相对定位精度优于0.01m,在1.23m基线条件下定向精度优于0.1°。因此,采用低成本GNSS接收机芯片实现高精度载波相位测量的技术方案是可行的,具备广阔的市场应用前景。     

低成本U-blox模块的单频GPS/BDS增强PPP定位性能分析

以U-blox单频接收机采集数据,在GPS与GPS/BDS两种解算模式下进行局域增强精密单点定位(PPP)解算,并进行模糊度固定,对其在不同环境下的定位性能进行实验研究和分析。实验结果表明:在静态环境下,GPS/BDS浮点解收敛至cm级需3min左右,较GPS缩短64%,GPS/BDS定位精度RMS在平面与高程方向分别为(3.2cm,2.7cm),较GPS提升(47%,59%);GPS/BDS在30s左右可固定模糊度,固定后定位精度为(0.4cm,1.0cm),较GPS/BDS浮点解提升(88%,63%)。在动态环境下,GPS/BDS浮点解收敛至cm级需4min左右,较GPS提升59%,定位精度为(3.1cm,5.9cm),较GPS提升(34%,43%);GPS/BDS获得固定解需2min左右,固定后定位精度为(0.7cm,1.0cm),较GPS/BDS浮点解提升(77%,83%)。     

一种改进的模糊度子集选取方法及其性能评估

模糊度固定(ambiguity resolution, AR)能在一定程度上加快精密单点定位收敛并提高定位精度。但是模糊度固定率和计算效率会随模糊度数量的增加而降低,因此部分模糊度固定(partial ambiguity resolution, PAR)备受关注。PAR技术的关键在于模糊度子集选取,提出了一种改进的模糊度子集选取法,将高度角、信噪比以及模糊度方差联合作为模糊度子集选取的指标。实验结果表明：静态模式下,相比于全模糊度固定(full ambiguity resolution, FAR)和基于高度角的PAR方法,该方法的固定率分别提升9.65%和2.56%,首次固定时间分别缩短6.86%和3.43%,收敛时间分别缩短15.57%和5.13%,当三种方法固定率大致相同时,定位精度分别提升4.74%和5.39%;动态模式下,该方法的固定率分别提升22.75%和0.92%,首次固定时间分别缩短12.44%和0.44%,当三种方法固定率大致相同时,定位精度分别提升3.50%和4.89%。总体而言,无论是在静态还是动态模式下,该方法相比于FAR和基于高度角的PAR方法,性能均有所提升。     

基于半参数估计的智能手机WiFi RTT定位方法

近年来，以智能、智慧为特征的新经济社会形态不断涌现，依托智能手机实现低成本高精度泛在定位的需求日益迫切。总体上看，以卫星导航传感器为核心，融合异构化测距信号是实现高精度定位的主要手段。在简要分析了WiFi-RTT测距信号质量的基础上，定量分析了WiFi-RTT系统的误差特点，利用半参数方法构造了WiFi-RTT定位的观测模型和随机模型，并通过实测数据对该方法的精度和可靠性进行了验证。试验表明：WiFi-RTT定位在静态和动态条件下可实现精度优于0.4m和0.6m的定位。相关研究对于推动智能手机的高精度定位应用具有重要参考价值。     

天线整流罩对GNSS观测值与定位精度影响研究

当前大部分城市为保护卫星连续运行参考站(CORS)系统基准站天线安装了整流罩,但天线整流罩对观测值以及基准站坐标影响的研究仍显不足。为解决基于广州CORS(GZCORS)的网络RTK高程测量存在较大偏差的问题,基于2016—2021年观测站数据,以及拆除基准站天线罩前后的观测数据质量与定位效果相关分析,对天线整流罩对GNSS观测值与高程定位精度的影响进行了深入探究,并分别进行了静态仿动态和城市车载动态定位测试验证。研究结果显示,天线整流罩在一定程度上会增加原始观测值的多路径效应影响,降低约10%的数据可用率,并对基准站高程定位结果产生1～14 cm的系统性偏差,进而影响用户RTK高程定位效果。定位结果显示,拆除基准站天线罩后,基于GZCORS的RTK水平定位均方根误差(RMS)为1 cm左右,高程定位精度RMS为2 cm左右;城市场景下车辆动态定位精度RMS为15～20 cm,满足车道级定位性能。     

GNSS多系统RTK授时性能分析

RTK授时不依赖实时精密星历,精度高、实现简单,在短距离精密授时与时间同步中具有突出的应用潜力。针对城域环境下单系统RTK授时可能面临可用卫星数量较少、收敛时间较长等问题,验证分析了GNSS多系统RTK授时性能。基于中国科学院国家授时中心时间频率资源和3个GNSS跟踪站的BDS-3、GPS和Galileo观测数据开展多系统RTK授时试验,涉及动态、静态和固定站坐标3种模式,并从授时精度、收敛时间和稳定度3个方面展开分析。两条基线的试验结果表明：与光纤双向时间频率传递结果相比,动态模式下,多系统单频授时差异STD较GPS单系统分别提高9.13%和9.01%,静态模式分别提高6.09%和11.76%,固定站坐标模式分别提高3.04%和5.79%,多系统单频RTK授时的授时结果差异STD优于0.25 ns,双频优于0.15 ns;多系统融合使得RTK授时的收敛时间与GPS单系统相比至少缩短25%以上,静态模式下双频RTK收敛时间缩短最多,两条基线分别缩短66.9%和67.8%;3种模式多系统站间钟差的万秒稳均进入10^-15量级,动态模式和静态模式下短期稳定度相比GPS单...     

距离信息对DDFRC算法定位误差的影响与分析

在固定单站无源定位算法中,基于角度(Direct of Arrival)、角度变化率(Direct of Arrival Rate-of-Change)、多普勒频率(Doppler Frequency)和多普勒频率变化率(Doppler Frequency Rate-of-Change)4个观测信息实现定位(即DDFRC定位)算法仅通过单次观测即可实现对目标辐射源的定位。文中通过转移观测的卡尔曼滤波对定位结果进行平滑,较原有算法拥有更好的跟踪效果。同时,对定位误差进行了定量分析,并将距离信息引入算法的仿真分析之中,详细讨论了各个观测量误差在不同距离时对算法定位性能的影响,根据仿真结果,结合定位误差的定量分析对算法性能做出评价。通过仿真分析,得到了定位算法对不同距离下各参数的精度要求,从而为在实际系统中使用该定位算法提供了参考。     

卡尔曼平滑的自校准技术

介绍了卡尔曼平滑技术的固定区间平滑方法，推导了非线性时变模型的固定区间平滑公式，并将之应用到轨道约束自校准技术中，且导出了相应公式。