摘要
随着我国北斗卫星导航系统的全球组网与应用，中国北斗进入市场化推广的快车道。伴随着公众对室内位置服务需求日益增长，多年来众多企事业单位专家学者关注于打通北斗在室内 GNSS（Global Navigation Satellite System）拒止环境下定位服务最后一公里问题。然而受室内物理空间复杂性、室内信号传播的强反射性和北斗信号的室内外兼容特性的影响，目前在室内场景下基于北斗信号的高精度定位应用方面仍存在一系列亟需解决的问题。本文以实际应用场景为依托，围绕北斗信号如何引入室内并实现高精度定位应用的问题开展研究。具体内容包括面向系统误差量化与消除的北斗阵列伪卫星室内网络构建技术，室内多尺度空间场景下的北斗伪卫星特征提取与高精度定位技术两部分，其中北斗阵列伪卫星网络的构建为后续几类场景的定位研究提供依据。通过不同空间下典型特征提取与相关算法的创新优化，有效解决北斗伪卫星在进入室内面向工程应用过程中提供高精度定位的可行性和定位鲁棒性的问题。论文主要工作和贡献包括： 1、设计并研制了一种阵列式北斗伪卫星基站网络 针对传统室内伪卫星星座网络构建复杂、系统误差难以消除的问题，提出一种北斗阵列伪卫星网络的构建方式。首先在软硬件设计方面，通过对北斗阵列伪卫星硬件的一体化时钟管理设计和多阵元信号统一的 PLL（Phase-Locked Loop）时频控制设计，最大限度的弱化北斗伪卫星信号软硬件误差的差异性影响，使北斗伪卫星信号多个通道间的时延精度优于0.01ns；其次从信号兼容性和电文设计方面，提出了适用于室内多尺度空间的信号播发方式，在保证人体辐射安全与室内外北斗信号良好兼容情况下实现商用用户终端的稳定跟踪；最后从多域空间同步组网方面，提出一种基于北斗阵列伪卫星的多域特征分级组网的方法，通过室内空间的特征参量分割，实现有限的北斗伪卫星信号在室内空间的兼容复用，弱化了信号间的同频干扰对信号跟踪与量测误差的影响。试验结果表明，通过北斗阵列式基站网络的系统性设计可以更好的保障接收终端输出的有限观测参量中提取到有效特征信息，并支持后续的定位过程。 2、提出一种基于室内节点信标辅助的小尺度室内空间相差（CPD，Carrier phase difference）定位方法。 针对小尺度空间定位时效要求高、伪卫星特征指纹定位作用区间受限易受空间环境变化影响、指纹定位精度不高、特征指纹库海量更新任务重等问题，通过合理的利用小尺度空间的物理空间特征，提出一种基于室内节点信标辅助的 CPD 定位方法。通过室内小尺度空间确定性通过区间的提取和局域空间指纹定位的可靠性分析，提出一种室内节点信标的概念。通过在确定性区间设定信标节点，实现终端在小尺度空间内外切换时获取准确的位置信息。在此基础上提出一种利用北斗伪卫星相差特征的位置估计方法。通过分析行人在小尺度空间下的运动特征，提出一种顾及人体行为特征的粒子空间搜索与粒子初始化方法，并结合粒子群算法形成小尺度空间下的位置估计算法。试验实测得出，本文所提算法可以为用户提供连续定位精度30cm左右的定位服务，暂态停留和瞬时遮挡下，本算法可以有效抑制定位误差的累积过程，同时在行为约束下的定位过程可以有效改善飞点的问题。 3、提出一种基于群相测距模糊度估计的大尺度室内空间因子图定位方法 针对多自由度运动下大尺度空间特征节点难确定，室内 RTK（Real-Time Kinematic）模式初始位置估计难、周跳频繁、整周模糊度估计时间长，导致用户终端难以实现精准测距并依托单一伪卫星技术手段实现高精度绝对定位的问题，本文提出了一种基于群相测距模糊度估计的因子图定位方法。利用北斗阵列伪卫星时频一致特性分析了多频载波相位间的相差特征关系，提出一种基于群相相位的整周去模糊度测距估计方法，根据群相周期理论实现北斗伪卫星在大尺度空间下的测距整周快速估计；在此基础上根据因子图的批优化理论，完成基于测距估计值和多普勒等观测信息的因子图量测模型与过程模型构建，通过 SFLA（Shuffled Frog Leaping Algorithm）估计算法获取最优位置估计。通过仿真与实测分析发现，本文提出的群相测距估计方法可以实现最大±2周的误差估计，1δ置信区间内测距估计误差 1 周范围，提出的定位算法可以保证在大尺度空间下实现绝对定位精度 30cm 左右。解决了室内大尺度空间下单历元快速获取绝对定位位置的难题。 4、基于运动多普勒特征的狭长空间自闭环定位技术 针对狭长空间下接收机终端输出的伪距、载波、载噪比等量测信息噪声误差大，无法利用伪卫星距离特征信息进行有效定位的难题，本文提出了一种基于运动多普勒的自闭环定位方法。通过进一步挖掘运动多普勒的特征信息，分析了多普勒谱峰特性与位置的唯一对应关系；在此基础上提出一种基于运动多普勒群参峰值特性的位置估计方法，利用狭长空间峰值与位置的特征关系实现对应的位置检测；同时提出一种基于容积卡尔曼的绝对与相对结合的连续位置估计方法。通过在地下管廊典型场景下的实测分析，本文提出的定位算法可以根据不同的用户位置服务需求提供多样化的定位精度，在 20hz 数据输出速率下可以实现峰值位置估计最优 20cm 的精度。有效解决狭长空间的北斗伪卫星定位问题。
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