城市复杂环境下的多系统GNSS PPP/惯性/双目视觉半紧耦合精密定位方法| 李星星
Semi-tightly coupled integration of multi-GNSS PPP and S-VINS for precise positioning in GNSS-challenged environments
Xingxing Li*, Xuanbin Wang, Jianchi Liao, Xin Li, Shengyu Li and Hongbo Lyu
Satellite Navigation(2021)2: 1
引用文章:
Li, X. X., Wang, X. B., Liao, J. C. et al. Semi-tightly coupled integration of multi-GNSS PPP and S-VINS for precise positioning in GNSS-challenged environments. Satell Navig 2, 1 (2021). https://doi.org/10.1186/s43020-020-00033-9.
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Editorial Summary
Multi-sensor integrated navigation
Precise Point Positioning (PPP) has been demonstrated as an effective tool in high-precision positioning and shows the advantages of efficiency and flexibility compared to the baseline network approach. However, the reliability and availability of PPP will be significantly degraded in the extremely difficult conditions where Global Navigation Satellite System (GNSS) signals are blocked frequently. The authors integrated the Visual-Inertial Navigation Systems (VINS) with multi-GNSS PPP to ameliorate such conditions. The authors presented a graph-optimization based and semi-tight coupling framework of multi-GNSS PPP and Stereo VINS (S-VINS), which achieves the bidirectional location transfer and sharing in two separate navigation systems. The authors assessed the positioning performance of the S-VINS aided PPP solution and the semi-tightly coupled multi-GNSS PPP/S-VINS solution in GNSS-challenged environments. They proved that the positioning performance of the PPP solution can be significantly improved with the aiding of S-VINS. Meanwhile, the multi-GNSS PPP/S-VINS solution realizes a higher positioning accuracy and availability compared with the multi-GNSS PPP/INS solutions in GNSS-challenged environments, which shows a great potential of the multi-sensor fusion system for precise positioning.
本文亮点
本文提出了一种基于图优化的多系统GNSS PPP/惯性/双目视觉半紧耦合精密定位方法，通过GNSS与视觉惯性里程计之间的双向位置传递与共享，有效提升了GNSS PPP在城市复杂环境下的定位精度和可用性。
本文通过GNSS完全中断仿真实验，分析了双目视觉惯性里程计在GNSS不可用时的定位性能。通过城市复杂环境下的车载实验，详细分析了视觉惯性里程计辅助的多系统GNSS PPP定位性能以及基于图优化的多系统GNSS PPP /惯性/双目视觉半紧耦合定位算法性能。
内容简介
近年来，中国北斗卫星导航系统的快速发展为多系统GNSS PPP技术的发展与应用带来了新的机遇。PPP技术高精度，使用成本低，机动灵活等优势，使其在自动驾驶、无人机等领域具有很大的应用潜力。但日益复杂的应用环境，对PPP技术的稳定性、可靠性都提出了更高的要求。相比于较为成熟的GNSS PPP/INS组合导航技术，融合多种传感器，利用多源融合导航技术提升卫星导航在复杂环境下的导航定位性能成为近年来研究的热点内容。
本文分别分析了GNSS完全中断条件下双目视觉惯性里程计的局部定位性能、视觉惯性里程计辅助的PPP定位性能，以及多系统GNSS PPP/惯性/双目视觉半紧耦合算法定位性能。城市复杂环境下的车载实验表明：基于视觉惯性里程计辅助的 GNSS PPP 相比于单 GNSS PPP 解算结果,其三维位置精度提升了: GPS: 49.0%, GPS+GLOANSS: 40.3%, GPS+BDS: 45.6%, GPS+GLONASS+BDS: 51.2%。相比于多系统GNSS PPP/INS组合，多系统GNSS PPP/惯性/双目视觉多源融合方案三维位置精度提升了41.8%~60.6%。此外在GNSS完全中断50s 情形下，双目视觉惯性里程计定位误差平均RMS为(E: 0.80, N: 1.16, U: 0.12) m , 相比于纯惯导解算结果（E: 3.12, N: 3.04, U: 0.15）m，定位精度在东(E) 北(N) 天(U)三个方向上分别提升74.4%, 61.8%, 20.0%。
I.基于图优化的多系统GNSS PPP/惯性/双目视觉半紧耦合算法介绍
如下图所示，在本文提出的基于图优化的多系统GNSS PPP/惯性/双目视觉半紧耦合精密定位方法中，全局/局部传感器的融合采用图优化的方式，多系统 GNSS PPP提供低频 (1Hz) 全局位置解算，用作当前载体状态的全局位置约束。一个基于滑动窗口的紧组合双目视觉惯性里程计用于提供高频 (10 Hz) 的局部位姿估计，用作载体状态间的相对约束。此外，每次全局图优化后，会更新局部参考坐标系到全局参考坐标系的转换参数，用于将连续估计的局部位姿转换到全局坐标系下得到载体的全局状态。在此基础上，本文基于全局/局部的半紧耦合结构，在GNSS与视觉惯性里程计之间实现了基于协方差的双向位置传递与共享。利用视觉惯性里程计短期精确的预报位置结果，辅助PPP在复杂环境下的定位解算，以此提升PPP定位结果的可用性，同时利用获得的高质量GNSS PPP位置结果与视觉惯性里程计融合，获得全局融合定位结果。
II.城市复杂环境下车载实验评估
实验场景图：
图3描述了本次车载实验过程中，不同GNSS系统的可用卫星数和对应的PDOP值，从图中可以观察到，在数据采集过程中，GNSS可用卫星数出现频繁的骤减，整体可用卫星数偏低。统计结果表明，对于不同GNSS系统，平均可用卫星数为：4.8 (G), 3.2 (R), 4.1(C), 12.1 (G+R+C)，平均PDOP值为：3.1 (G), 4.7 (R), 4.3 (C), 1.2 (G+R+C)。在这样的观测环境中获得稳定、可靠的PPP结果存在很大挑战。
图 3 车载实验期间GPS,GLONASS, BDS, GPS+GLONASS+BDS可用卫星个数和对应PDOP值
视觉惯性里程计辅助的PPP：如下图（a）所示为城市复杂环境下不同GNSS系统PPP定位误差结果图，当GNSS信号受到严重遮挡时，PPP定位结果出现较大误差，GPS+GLONASS+BDS PPP最大定位偏差在东(E) 北(N) 天(U)三个方向分别达到（4.99, -24.68, -55.14) m。经过视觉惯性里程计辅助后PPP定位结果的可用性得到了显著提升, 结果如图（b）所示。表1为定位误差统计分析结果。
（a）
（b）
图 4 (a) PPP 定位误差图；(b)视觉惯性里程计辅助的PPP定位误差图
表1 PPP、视觉惯性里程计辅助的PPP定位误差RMS 统计结果
下图为多系统GNSS PPP/惯性/双目视觉半紧耦合算法定位误差结果图，统计结果表明，在本次车载实验中，本文算法定位误差RMS为(E: 0.88, N: 1.47, U: 0.96 ) m相比于多系统GNSS PPP/INS松耦合算法结果，三维定位精度提升60.6%。相比于多系统GNSS PPP/INS紧耦合算法结果，三维定位精度提升41.8%。
图 5 多系统GNSS PPP/S-VINS半紧耦合、多系统GNSS PPP/INS松耦合以及多系统 GNSS PPP/INS 紧耦合算法定位误差结果对比图
表 2 多系统 GNSS PPP/S-VINS半紧耦合、多系统GNSS PPP/INS松耦合以及多系统 GNSS PPP/INS 紧耦合算法定位误差RMS 统计结果 (单位: m)
作者简介
李星星 教授
武汉大学测绘学院
▍作者简介李星星，武汉大学测绘学院教授，博士生导师，海外高层次人才计划入选者。主要从事卫星导航定位理论与新方法的研究工作。发表高水平SCI论文八十余篇，其中第一或通讯作者论文五十余篇，6篇论文进入ESI高被引。Google Scholar总被引用次数2900余次，H指数26。主持中德国际合作交流项目、国家自然科学基金、湖北省杰出青年基金等。先后荣获湖北省自然科学奖一等奖、中国卫星导航定位协会科技进步奖特等奖、中国测绘学会科技进步奖一等奖、国际大地测量协会青年作者奖、欧洲地学联合会青年科学家奖等奖项。
撰稿：王铉彬
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
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