城市环境下基于视觉辅助的GPS多路径检测与抑制技术研究

摘要

随着全球定位系统(Global Positioning System,GPS)应用前景的延展，用户对定位精度也提出了越来越高的要求。然而，GPS测量误差严重制约了其定位精度。在GPS的定位解算过程中，卫星钟差、大气折射误差及接收机钟差等系统误差通过一定的措施可以消除或减弱，而主要包含多路径误差的偶然误差与本地属性密切相关，难以通过普适模型进行修正，因而成为高精度 GPS导航定位的主要误差来源。尤其是在建筑物稠密的城市环境中，GPS观测量受到包含多路径干扰和非视线(non-line-of-sight, NLOS)多路径信号在内的多路径效应的影响更为严重。针对传统多路径检测与抑制技术存在硬件成本过高或性能受限等不足，本文提出了一种基于视觉辅助的GPS多路径检测与抑制技术，以提高城市环境下GPS导航定位的精度。
　　论文首先介绍和研究了GPS的伪距定位原理和影响定位精度的因素。着重对多路径误差和电离层误差进行了研究，并且提出了根提卫星信号载噪比(Carrier to Noise Ratio, C/N0)对多路径干扰信号进行检测的方法。传统GPS高精度伪距差分定位采用载波相位平滑伪距(Carrier-smoothed-code, CSC)技术以抑制多路径效应和接收机噪声对平滑伪距的影响，但是滤波性能受到电离层发散(Code Carrier Divergence, CCD)效应的影响，为此对比分析了目前常用的CCD探测算法，在获取CCD监测门限值时利用sigma膨胀法对检测统计量的非理想性进行了补偿，CCD门限值实验结果反映了无故障条件下的恒虚警性能。
　　其次，对基于双目视觉的三维重建主要过程行了详细的研究，包括双目立体视觉系统的标定、立体匹配和三维重建过程。在双目立体视觉系统的标定过程中，利用张正友平面标定法的对双目系统的内、外参数进行标定，用手工选取和Harris角点检测算法获取平面模板图像上角点的图像坐标。在对图像对进行立体匹配时，深入研究了基于尺度不变特征变换(Scale Invariant Feature Transform, SIFT)立体匹配算法的原理和实现过程，最终利用SIFT算法获取了匹配点对在两个图像坐标系下的坐标。最后根据立体视觉基本原理，介绍了根据匹配点对和双目视觉系统内、外参数获取空间点在摄像机坐标系下三维位置的基本方法。在此基础上对建筑物进行三维重建，根据用户接收机、建筑物与卫星之间的相对位置关系，以检测出NLOS接收的GPS多路径信号，在定位解算过程中，对检测出的非视线多路径信号进行剔除或降权处理，再根据载噪比值设计针对多路径干扰卫星信号的加权或降权模型，以充分达到提高定位精度的目的。
　　本文通过实际采集数据，对所提出的多路径检测与抑制技术进行了验证。通过对比传统单点定位方法和本文提出的检测和抑制多路径信号的单点定位方法的定位结果发现：在剔除非视线接收的多路径信号后，在取95％的球概率误差时，单点定位精度提高了59.02%。这说明了本文所提出基于视觉辅助的非视线多路径检测技术是可行和有效的。实验结果表明本课题所提出的基于视觉辅助的GPS多路径检测技术可为在城市环境下的GPS多路径检测提供技术支撑。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 本文主要研究内容及章节安排

第2章 GPS卫星导航系统基本原理

2.1 坐标与时间系统

2.2 伪距单点定位原理及误差分析

2.3 基于平滑伪距的差分定位

2.4 码-载偏离度监测

本章小结

第3章 双目立体视觉系统标定

3.1 摄像机成像模型

3.2 张正友平面标定法

3.3 基于Harris的角点检测算法

3.4 摄像机标定实验

3.5 本章小结

第4章 立体匹配与三维重建

4.1 立体匹配基元及约束条件

4.2 基于SIFT特征点的立体匹配算法

4.3 三维信息恢复

4.4 本章小结

第5章 GPS多路径信号检测及抑制实验

5.1 实验数据获取与处理

5.2 摄像机坐标系与WGS-84坐标系

5.3 基于视觉辅助的GPS多路径检测实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢