复杂环境中BDS快速精密定位方法研究

程俊兵

太原理工大学大数据学院，山西 太原 030600

全球导航卫星系统是智慧交通、物联网、无人驾驶等新一代信息技术的时空基础设施，已经被广泛应用于车辆导航、地理测绘、灾害预警等民用和军事领域。随着我国自主开发建设的北斗导航卫星系统的快速推广和不断完善，人们对BDS精密定位的可靠性、连续性，特别是实时性要求日益提高。然而，人们工作生活的场所大多处于BDS信号被遮挡和反射的城市峡谷等复杂环境中，遮挡和反射产生的多径和非视距效应导致接收机捕获时间延长、定位精度下降，甚至出现频繁失锁和周跳等严重影响精密定位性能的现象。论文围绕如何提高复杂环境中BDS精密定位实时性开展研究，主要内容如下：

(1) BDS三频信号线性组合可以提高信息冗余度、扩大波长、减小电离层延迟等误差，在复杂环境中三频组合也会增加卫星信号捕获时间和检测错误率。论文利用捷联惯性导航系统(strap-down inertial navigation system,SINS)与BDS优势互补性强和BDS信号具有稀疏性的特点，提出了一种基于压缩感知(compressed sensing,CS)的SINS辅助BDS卫星信号快速捕获方法：首先，利用SINS速度信息缩小BDS信号的多普勒频率搜索范围；然后，在稀疏化BDS信号的基础上，应用CS理论依次以粗捕获和精捕获方式测量BDS信号，实现输入信号信噪比不变前提下快速确定码相位；最后，对提出方法与另外两种经典捕获方法进行对比性测试，结果表明提出方法能提高BDS卫星信号捕获检测概率、减小平均捕获时间。

(2) 为了提高卫星利用率，BDS利用高轨卫星扩大信号覆盖范围、实现短报文通信，这也使BDS卫星产生了码偏差。另外，接收机观测环境引起的多径和非视距等误差进一步扩大了伪距误差，特别是在复杂环境中。论文在分析BDS卫星码偏差特性基础上，首先利用高度角模型校正倾斜地球同步轨道(inclined geo synchronous orbit,IGSO)/中地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星码偏差；然后，根据地球同步轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星码偏差具有周期性且变化缓慢的特点，引入经验模态分解得到码偏差校正伪距；最后，根据高度角和载噪比可衡量大气延迟和多径误差的特性，建立联合高度角和载噪比的自适应超宽巷(extra-wide lane,EWL)模糊度解算模型，提高浮点模糊度精度和模糊度固定成功率。

(3) BDS三频模糊度解算过程中，宽巷(wide lane，WL)和窄巷(narrow lane，NL)模糊度的快速可靠固定是实现精密定位的关键。中长基线引起的大气延迟误差会降低模糊度解算性能，特别是在复杂环境中。论文提出一种最小噪声约束的BDS三频模糊度解算方法。首先，根据组合观测值与电离层延迟误差之间的内在联系，由EWL1观测值反解出EWL2观测值的电离层延迟误差，并平滑处理用于加快EWL2模糊度固定；然后，在NL模糊度固定模型中加入三频伪距，同时满足电离层无关、几何无关和观测噪声最小，提高NL模糊度固定成功率，进而得到BDS精密定位结果；最后，定位结果作为卡尔曼滤波器的测量值更新SINS定位参数，形成SINS与BDS的耦合闭环。结果表明提出方法缩短了模糊度固定时间，提高了定位可靠性。