[論文レビュー] Time-correlated Window Carrier-phase Aided GNSS Positioning Using Factor Graph Optimization for Urban Positioning

Xiwei Bai, Weisong Wen+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、要因グラフ最適化（FGO）を用いた時間相関ウィンドウコヒーレント位相（WCP）補助GNSS定位手法を提案し、都市部における定位精度と耐障害性を向上させる。スライディングウィンドウ内で位相測定値をモデル化し、左零空間行列を用いて共通の曇び変数を除去することで、状態推定を改善し、自動車レベルの受信機を用いた都市の谷間環境で平均定位誤差1.76 m、スマートフォンレベルの受信機でも同程度の改善を達成した。

ABSTRACT

This paper proposes an improved global navigation satellite system (GNSS) positioning method that explores the time correlation between consecutive epochs of the code and carrier phase measurements which significantly increases the robustness against outlier measurements. Instead of relying on the time difference carrier phase (TDCP) which only considers two neighboring epochs using an extended Kalman filter (EKF) estimator, this paper proposed to employ the carrier-phase measurements inside a window, the so-called window carrier-phase (WCP), to constrain the states inside a factor graph. A left null space matrix is employed to eliminate the shared unknown ambiguity variables and therefore, correlated the associated states inside the WCP. Then the pseudorange, Doppler, and the constructed WCP measurements are integrated simultaneously using factor graph optimization (FGO) to estimate the state of the GNSS receiver. We evaluated the performance of the proposed method in two typical urban canyons in Hong Kong, achieving the mean positioning error of 1.76 meters and 2.96 meters, respectively, using the automobile-level GNSS receiver. Meanwhile, the effectiveness of the proposed method is further evaluated using a low-cost smartphone level GNSS receiver and similar improvement is also obtained, compared with several existing GNSS positioning methods.

研究の動機と目的

• マルチパスと信号遮断が性能を低下させる都市の谷間環境におけるGNSS定位の耐障害性を向上させること。
• 複数エポックにわたる位相測定値とコード測定値の時間的相関を活用し、解の精度を向上させること。
• 2エポックEKFフィルタリングに依存する従来の時差位相（TDCP）手法の限界を克服すること。
• 要因グラフ最適化フレームワーク内に擬似距離、ドップラーおよびウィンドウ位相測定値を統合すること。
• 実際の都市環境において、高精度および低コストのGNSS受信機を用いて性能を検証すること。

提案手法

• 本手法は、スライディング時間ウィンドウ内における連続エポックからの位相測定値を用いるウィンドウ位相測定（WCP）概念を導入する。
• 共通の曇び変数を除去するために左零空間行列を適用し、ウィンドウ全体にわたる状態の相関を維持しながら幾何的制約を保持する。
• 擬似距離、ドップラーおよびWCP測定値を要因グラフ最適化（FGO）を用いて共同最適化し、状態推定問題をグラフィカルモデルとしてモデル化する。
• FGOフレームワークにより、受信機の位置、速度および整数曇び変数を同時に推定でき、外れ値に対して高い耐性を示す。
• 時間ウィンドウ全体でのバッチ最適化を活用することで、拡張カルマンフィルタに依存しない。
• 本手法は、高精度および低コストのGNSS受信機の両方と互換性を持つように設計されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間ウィンドウにわたる位相測定値のモデル化が、都市部環境におけるGNSS定位精度を向上させることができるか？
• RQ2 従来のTDCPベース手法と比較して、提案手法の耐障害性および誤差低減効果はいかがなものか？
• RQ3 要因グラフ最適化は、擬似距離、ドップラーおよび位相測定値の統合において、状態推定をどの程度向上させるか？
• RQ4 低コストスマートフォンレベルのGNSS受信機に適用しても、本手法は性能向上を維持できるか？
• RQ5 左零空間行列は、時間的相関を保持しつつ、曇び変数をどの程度効果的に除去できるか？

主な発見

• 自動車レベルのGNSS受信機を用いた実験で、1つの都市の谷間環境で平均定位誤差1.76 m、もう1つの都市の谷間環境で2.96 mを達成した。
• 特にマルチパスが顕著な都市部環境において、既存のGNSS定位手法と比較して顕著な性能向上が確認された。
• 低コストスマートフォンレベルのGNSS受信機に適用しても、同程度の改善が得られ、実用的応用可能性が確認された。
• FGOを用いたWCP測定値の統合により、外れ値測定値に対する耐性が向上し、解の収束性が改善された。
• 左零空間行列の使用により、曇び変数が効果的に除去されつつ、ウィンドウ化エポック集合全体にわたる時間的相関が維持された。
• 複数エポックにわたる時間的相関を活用することで、2エポックTDCP手法に比べ、より安定的かつ高精度な定位が実現可能であることが確認された。