【摘 要】
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随着自动驾驶、智慧城市、移动机器人、无人机等新兴产业的蓬勃发展和行人导航、共享出行、打车等业务用户量的激增,位置需求日益旺盛。全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）是提供全球性、全天候、高可靠性的绝对位置信息的主要手段。与传统高精度GNSS定位的场景不同,新兴技术和产业的位置需求场景复杂,单GNSS定位精度和可靠性均无法满足其需求。因此我
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随着自动驾驶、智慧城市、移动机器人、无人机等新兴产业的蓬勃发展和行人导航、共享出行、打车等业务用户量的激增,位置需求日益旺盛。全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）是提供全球性、全天候、高可靠性的绝对位置信息的主要手段。与传统高精度GNSS定位的场景不同,新兴技术和产业的位置需求场景复杂,单GNSS定位精度和可靠性均无法满足其需求。因此我国开始建设以北斗系统为核心的综合PNT（Positioning,Navigation and Timing）体系,旨在利用多源传感器进行优势互补,弥补单一定位手段的局限性,提供全时段的高精度位置信息。在此背景下,本论文重点研究了城市环境下影响GNSS单点定位的因素,并利用未校准的相位延迟（Uncalibrated Phase Delay,UPD）、先验电离层、3D地图、惯性导航系统（Inertial Navigation System,INS）等信息来提升城市环境下的GNSS单点定位性能。论文的主要工作和贡献如下:1、分析了GNSS精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）收敛时间长的原因,实现了基于无电离层组合观测值估计卫星端宽巷、窄巷UPD的方法。在浮点PPP数学模型的基础上,研究了基于UPD产品的单差模糊度固定策略。本文基于全球分布的跟踪站网估计了GPS、北斗双系统UPD产品。结果表明北斗三号卫星宽巷UPD在31天内变化小于0.1周,窄巷UPD一天之内的标准差小于0.1周。GPS+BDS-3双系统PPP-AR在水平方向的收敛时间小于10 min,模糊度固定率超过了95%。2、为了进一步缩短PPP的收敛时间,本文基于区域跟踪站网拟合的电离层延迟对流动站的单差电离层进行约束,实现了非差非组合PPP。相对于无电离层组合PPP,GPS+BDS-3的非差非组合PPP可以将三维收敛时间从15-20 min缩短到2-3 min。3、为了削弱城市环境中NLOS和多径信号对于GNSS定位的影响,本文对3D地图辅助GNSS定位技术进行了深入研究。针对手机等智能终端GNSS初始位置精度较低的问题,提出了一种既不会减少可用卫星又能显著降低NLOS信号影响的射线追踪（Ray Tracing）算法。在城市环境中采集了静态观测数据,结果表明Ray Tracing解相对于手机芯片解,将20-50米的定位误差缩小到10米以内,提升了80%以上。4、以PPP数学模型和INS机械编排、误差模型为基础,研究了导航系下的PPP/INS紧组合数学模型。当INS递推位置误差小于SPP时就可以改善动态环境下PPP模糊度的精度,缩短PPP收敛时间。武汉市开阔场景下的车载数据结果表明在中断1-2秒情况下可以实现模糊度的瞬时固定。5、本文研制了基于电离层约束、3D地图和INS等辅助信息的GNSS单点定位原型软件。武汉市城市复杂环境下的测试结果表明无电离层组合PPP的平面定位精度大约1-2米,高程方向精度在2米左右,非差非组合PPP的平面定位精度在1米左右,高程方向精度大约1-2米。加入INS和3D地图辅助后,两种模式的定位精度均提高了60%-70%。
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