基于BDS的载波相位多径误差抑制技术研究

摘要

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的加速发展及现代化进程使得卫星无线电导航技术得到飞跃性的发展。目前主要存在四大全球卫星导航系统:GPS、GLONASS、Galileo和BDS。随着精密相对定位的应用越来越广泛，人们对导航定位的精度要求越来越高。在精密相对定位中，大气延迟误差、轨道误差、接收机钟差等均能通过双差或精确的模型改正得到抑制甚至消除，但是诸如多径误差等弱相关性的误差难以被消除或抑制。多路径效应能够扭曲载波，严重的时候可导致载波相位差分定位中的整周模糊度无法正确固定，从而影响载波相位差分定位的精度和可靠性。多径误差作为精密相对定位中的主要误差源一直是研究的热点。因此，本文主要针对BDS的多径误差特性及抑制方法展开研究，主要工作如下:
　　首先对载波相位精密相对定位模型及影响定位精度的主要误差源进行了分析。在精密相对定位中，多路径效应是影响定位精度的主要误差源，空间相关性非常弱，无法通过差分技术消除。
　　然后，基于多路径效应的产生原理建立了多径误差数学模型，分析了多路径效应对载波周期和幅值的影响，理论分析得知:多径误差的频谱特性与环境密切相关，且多径误差具有周期特性，其周期大小与卫星运行轨道周期一致;并采用天空视图的方法绘制了BDS卫星运行轨迹，利用广播星历的方法来计算卫星轨道周期。考虑到多径误差主要包括系统性误差和随机误差，论文随后利用小波分析的方法对单差残差进行分解降噪和重构，把提取的单差残差中的低频部分作为恒星日滤波多径误差修正量，以达到削弱多径误差的目的。
　　再后，因为多径是影响载波相位差分定位性能的主要误差源，对比研究了采用传统随机模型进行多径误差抑制的定位结果，包括等权、高度角和信噪比随机模型，三种方法的固定率分别为60％、69％、65％。相比于等权模型，发现使用高度角和信噪比加权模型能在一定程度上抑制多径的影响，高度角和信噪比加权模型的东北天三个方向的CEP50都达到了毫米级。
　　进一步，针对传统恒星日滤波无法同时抑制多径系统误差部分和随机误差部分影响的问题，本文研究提出一种扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter，EKF)和恒星日滤波(Sidereal Filter,SF)组合的BDS短基线多径误差抑制方法(EKF/SF)，首先使用基于单差观测量域的SF削弱多径系统误差带来的影响，再结合EKF的优势，对残余多径误差所包含的随机误差影响进行抑制，从而达到最大化抑制多径误差的目的。
　　最后，进行了BDS短基线单频单历元载波相位差分定位实验，结果表明:与传统基于单差观测量域的SF算法和传统的EKF算法相比，采用EKF/SF的载波相位整周模糊度固定率提高了10％和43％，定位精度分别提高了84％、90％。可以确认:采用EKF/SF算法不仅单频固定率达到了98％，而且野值点大大减少，CEP95达到厘米级，从而证明了所提出的多径抑制方法的有效性。EKF/SF算法有效的削弱了多径误差，改善了观测数据的质量，达到了提高定位精度的目的。

目录

声明

摘要

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和发展动态

1．3 本文主要研究内容及章节安排

第2章 精密相对定位理论研究

2．1 精密相对定位观测模型

2．2 相对定位的误差源分析

2．3 数据处理方法

2．3．1 最小二乘估计

2．3．2 卡尔曼滤波

2．4 整周模糊度解算

2．5 算例分析

2．6 本章小结

第3章 BDS多径误差的提取与特性分析

3．1 多路径效应产生的原理

3．2 多径误差的提取

3．2．1 双差多径误差的提取

3．2．2 单差多径误差的提取

3．3 BDS多径误差的特性分析

3．3．1 BDS卫星的轨道重复周期特性

3．3．2 BDS单差多径误差特性

3．4 系统性多径误差的提取

3．4．1 小波分析原理与应用

3．4．2 基于小波分析的系统性多径误差提取

3．5 本章小结

第4章 多径抑制算法

4．1 传统多径抑制方法

4．1．1 建立随机模型

4．1．2 差分观测值的相关性

4．2 基于SF的多径抑制方法

4．2．1 双差观测域多径抑制

4．2．2 单差观测域多径抑制

4．3 基于EKF／SF的多径抑制方法

4．4 本章小结

第5章 实验结果与分析

5．1 随机模型削弱多径误差分析

5．1．1 算例分析

5．2 系统性多径误差分析

5．2．1 算例分析

5．3 基于SF定位结果分析

5．3．1 算例分析

5．4 基于EKF／SF定位结果分析

5．4．1 算例分析

5．5 定位精度比较

5．6 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