摘要
多径效应是卫星导航系统（包含伪卫星系统）高精度定位的一项重要误差源，会严重损害系统的定位精度与可靠性。近年来，随着自动驾驶、智能交通系统和室内定位等战略新兴产业的快速发展，多场景连续、可靠、高精度的绝对位置信息服务成为保障国家安全和国民经济生产的迫切需求，如何实现复杂可变环境中卫星多径的有效处理是其中亟待解决的关键性问题。本文面向环境自适应与室内外无缝导航定位需求，分别对室外GNSS多径检测与室内伪卫星多径抑制技术开展深入研究。具体内容包括多星座GNSS室内外场景识别、静态与低动态观测环境中多频GNSS载波多径实时检测、城市车载动态GNSS多径/非视距（NLOS）信号检测以及室内伪卫星多径抑制与高精度定位四个部分，其中场景识别作为室内外不同定位方式与多径处理技术实施的依据。通过相关算法与模型的创新与改进，有效提升了GNSS/伪卫星在复杂室内外环境中的定位性能。论文的主要工作和贡献如下： （1）提出了一种基于循环神经网络的场景识别方法，并重新构建了与位置无关的GNSS统计特征向量，以提高模型特征可用性和场景分类准确度，减少运算时间。根据室内外卫星定位应用的特点，将定位场景划分为深室内、浅室内、半室外和开放室外四种类型，使用大量实测的多星座GNSS数据（GPS/BDS/Galileo/GLONASS/QZSS）对场景分类模型进行训练。新环境中的场景分类实验结果表明，该模型具有较高的泛化能力，在固定场景和转换场景中的总体识别准确率可达到98.65%。 （2）针对传统三频GPS载波多径检测方法忽略异常值干扰和检测统计量偏斜特性的问题，提出了一种改进的基于频间载噪比（C/N0）差值的多径实时检测方法。在低多径环境中，利用稳健估计方法对频间C/N0差值的参考函数进行拟合，以获得更加准确的C/N0差标称值模型；然后计算C/N0差与其标称值的偏离度作为多径检测统计量，对其分布形态进行了详细分析，并论述了3σ准则在非正态分布数据异常值检测中的不适用性；最后通过分位数回归和修正的箱线图得到一种新型的多径检测阈值模型。该模型的优势在于可以根据检测统计量随卫星高度角的分布变化来调整离群值边界，并充分考虑了统计量的偏斜特征。同时，模型中的medcouple参数和分位数在异常值检测中较偏度（skewness）、均值和标准差具有更好的鲁棒性。静态和低动态三频GPS载波多径检测实验表明，新方法能够对多径干扰做出更准确的响应。 （3）进一步使用Galileo标定数据构建了五频多径检测器，从理论和实验两方面论证了多频信号的加入对于GNSS载波多径检测性能提升的贡献。详细分析了恶劣环境中五频和双频多径检测器的检测效果，结果表明五频多径检测器对多径观测值更加敏感。此外，对这两类不同频率的多径检测器进行了静态精密单点定位（PPP）对比实验。对于五频多径检测器，排除多径观测值后的PPP浮点解精度和收敛时间都显著优于双频检测器以及原始PPP结果。因此，使用更多频率的C/N0观测值能够有效提高多径检测结果的可靠性。一方面，多频C/N0观测值可以降低频率间相位延迟一致性的概率，从而降低多径漏检率；另一方面，多频的加入使多径检测统计量变得更加健壮，这有利于使用稳健统计的方法来确定数据的异常值边界，使检测模型对于潜在的异常观测值具备更好的抵抗能力。 （4）针对监督学习分类器和高精度三维建筑模型在城市环境多径/NLOS检测实际应用中的缺陷，提出了一种基于聚类算法的车载动态GNSS异常观测值检测方法，以构建带有标签的离线训练集。在此基础上，在线学习系统中的监督分类器通过标签数据集获得分类规则，用于实时定位中的多径/NLOS检测。该方法无需借助三维建筑模型，且理论上也不依赖外部传感设备和其他辅助信息，具有更好的实用性和更广的适用范围。利用不同型号的接收机采集到的城市车载GPS/BDS单频数据对算法进行了验证。实验结果表明，对聚类算法检测到的异常观测值进行排除后，离线数据集D1的伪距单点定位精度在E、N、U方向分别提高了87.0%、45.9%和69.6%。随后使用在线系统中未经参数调优的监督分类器对测试集D2/D3中的异常观测值进行检测和排除，定位精度在三个方向上分别提高了48.4%/45.7%、39.6%/63.3%和49.6%/49.1%。此外，大量的对比实验和实际应用中的关键性问题讨论表明，该方法可以有效提升城市车辆GNSS定位精度，并能保持良好的定位结果可用性，尤其是在更多的星座参与位置解算的情况下。 （5）从观测值域对室内伪卫星载波多径的时空变化特征进行了分析，建立了一种基于用户空间位置的多径误差改正模型。通过布设一定密度的静态采样点并标定其天线位置，提取各点的载波双差多径误差值；以采样点的三维坐标为输入、多径误差为输出，采用非线性支持向量回归方法进行误差模型训练，并借助留一法交叉验证获得模型的最优超参数。在该模型基础上，通过迭代不断修正载波双差观测方程，使得位置解能够最大程度地逼近真实坐标，从而达到抑制室内多径的目的。强多径室内环境下五个静态测试点的相对定位实验表明，经过多径改正后的整体水平定位精度从分米-亚米级提升到了厘米-分米级，垂直精度提升到1m以内。该方法尤其适用于结构化室内环境中的伪卫星静态与动态高精度定位。
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