集成3D地图和GNSS的城市高密度区域高精度定位研究

With the rapid construction of multi-satellite navigation system, the performance improvement of GNSS receivers, and the extensive development of multi-sensor location technologies, the application range of GNSS in the urban environment has been greatly broadened. However, there are also problems in GNSS positioning in urban high-density area, including the discontinuous problem due to lack of visible satellites, lower accuracy in the cross-street direction due to the loss of satellite signals by obstructions from buildings, and the low reliability problem due to the multipath effects by urban environment. 3D city map can assist the prediction of satellite visibility, estimate the multipath caused by urban ground surface, promote the positioning accuracy in the cross-street direction, and provide elevation-aided information which can help to achieve positioning with fewer satellites. It can be expected that the 3D map will be a good complement to the traditional multi-sensor location technologies. This project aims to study the enhancement of GNSS positioning based on 3D map and the integration of 3D map and other traditional positioning technologies. The key problems are time effectiveness and uncertainty of dynamic positioning and not line of sight signal correction. The achievements of this projection can be applied to lane level vehicle positioning and high-precision pedestrian positioning in urban high-density area.

多模卫星导航系统的快速建设、GNSS接收机性能的提升以及多传感器集成定位研究的广泛开展大大拓宽了GNSS在城市环境的服务范围。但GNSS定位在城市高密度区域还存在三大问题，包括卫星可见数不足造成的定位不连续问题、道路两侧建筑物遮挡造成的跨街道方向定位低精度问题和城市环境强烈的多路径效应造成的定位低可靠性问题。城市3D地图能够辅助卫星信号可见性预测，估算城市下垫面环境造成的多路径效应，帮助提升跨街方向定位精度，同时还可以提供高程辅助信息、使得最少需要3颗卫星就能实现定位。可以预见，3D地图必将成为传统多传感器集成定位技术的很好的补充。本项目拟研究基于3D地图的GNSS定位增强关键技术以及3D地图定位增强与传统定位技术的集成方法，重点突破融合3D地图和GNSS的动态定位计算时效性、不确定性问题以及非视距信号误差机制研究及纠正问题，以期达到城市高密度环境下车道级定位、高精度行人定位的应用需求。

项目针对高密度城市环境，建立了实时、高精度、高可靠的3D地图与GNSS联合定位模型及算法；基于关键技术的突破，开发了3D地图与GNSS联合定位原型软件；并将研发的关键技术成果和软件应用至高密度城市环境典型场景中，为车道级导航、高精度行人导航应用提供支撑。在项目执行的四年内，主要取得了多路径效应建模改正以及高精度定位测姿模型与算法两方面的研究成果。其中，多路径效应建模与改正方面，项目的研究成果包括：1）NLOS的建模与改正。引入测地膨胀形态学及双重滤波的阈值分割，结合鱼眼相机三维姿态变化进行了鱼眼天空图像的精确提取，并基于Andriod平台开发了实时提取鱼眼图像天空遮挡信息的eSensor软件；结合鱼眼相机的天空图像提出的FEUT算法，通过直接提取反射面与观测点之间的距离计算出卫星信号反射路径便于对其进行随机模型角度的降权处理，结合3D地图与鱼眼相机提出的FESM算法，优化了传统阴影匹配算法的搜索区域，提升了街道侧向NLOS信号判定的准确度及定位精度。2）多路径干涉的建模与改正。项目研发了一种将趋势面分析法与MHM算法相结合的T-MHM算法，弥补了传统多路径干涉空间改正模型对于高频多路径干涉的局限性，利用T-MHM实现了城市环境PPP多路径干涉误差的改正；项目进一步研究发现了多路径天空格网点内伪距多路径误差的各向性，在T-MHM算法基础上提出了AT-MHM，对空间异质性较弱的参数采用线性趋势项，避免了对空间趋势的过拟合，在低成本城市环境定位中验证了该算法的有效性。3）抗差卡尔曼滤波。将最小二乘模型中的残差平方和增量的定义扩展到了卡尔曼滤波，建立了基于卡方增量的抗差卡尔曼模型CI-RKF，实现了在参数估计过程中探测NLOS及多路径干涉并进行抑制的目标。高精度定位测姿模型与算法方面，主要取得了如下研究成果：1）多模多频非差非组合精密单点定位研究。基于非差非组合精密单点定位理论和GNSS开源数据处理软件RTKLIB，开发了多模多频非差非组合精密单点定位软件GAMP，软件集成了多种GNSS系统间偏差模型及GLONASS系统的频间偏差模型，在国际上反响强烈。2）GNSS测姿模型及算法。提出了共时钟单差测姿理论及单差模糊度置换法，突破了传统一机多天线垂向测姿精度瓶颈，动态车载实验垂向姿态精度可以达到光纤惯导的相同水平。