基于北斗的高精度定位算法及多径误差研究

摘要

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，或简称为COMPASS）是我国独立自主研发的卫星导航系统，遵循“先区域、后全球”的总体发展思路，其功能将逐步由区域导航定位系统过渡到全球导航定位系统。由于北斗系统正处于不断的发展和完善阶段，研究利用北斗进行高精度定位时所涉及的一些关键技术，对提升系统的应用范围有着重要作用。另外，在利用北斗进行高精度定位时，由于多径误差无法利用差分技术消除，成为了影响定位精度的一个重要因素。因此本文在介绍了北斗卫星导航系统定位原理的基础上，主要研究了基于北斗的高精度定位算法及多径误差。论文的主要研究内容概括如下：
　　针对北斗导航信号所采用的BOC调制方式，详细介绍了BOC调制信号的原理及其特性。重点介绍了北斗导航系统中的伪距定位观测模型及载波相位观测模型，并在此基础上分别介绍了基于伪距和载波相位观测量的单差、双差及三差定位模型。最后系统地分析了北斗导航系统定位时的测量误差。
　　北斗B1频段民用信号采用的是MBOC(6,1,1/11)调制信号。针对MBOC信号中存在的跟踪模糊度问题，首先提出了一种基于伪相关函数（PCF）的MBOC信号模糊点消除方法，通过在本地设计两组参考波形，分别与接收的MBOC信号进行相关，构造无边峰的伪相关函数，仿真结果表明，PCF方法能够完全消除MBOC信号的边峰，实现MBOC信号的无模糊跟踪。针对MBOC信号自相关函数的特点，提出了一种基于合成子相关函数（CSCF）的MBOC信号边峰消除方法，首先将MBOC信号自相关函数分解为子相关函数，然后对各子相关函数进行重新组合，也能得到无边峰的相关函数，仿真结果也表明CSCF方法也能够完全消除MBOC信号的边峰，实现无模糊跟踪。
　　在利用载波相位测量值进行求解时，分析了传统的LAMBDA算法求解整周模糊度的原理。降相关处理是LAMBDA算法中最为关键的步骤，针对降相关LLL算法的缺点和局限性，提出了一种基于行降序调整矩阵和修正Gram-Schmidt正交化变换的改进LLL算法，改善了 LLL算法的降相关处理效果，而且更适合处理高维整周模糊度协方差矩阵。为了提高整周模糊度的解算效率，提出了一种基于自适应遗传算法的整周模糊度快速解算，利用整数最小二乘得到浮点解之后，通过编码、确定适应度函数、设计合适的遗传算子和运行参数之后，将自适应遗传算法引入对整周模糊度进行搜索，仿真结果表明，自适应遗传算法的搜索效率要优于LAMBDA算法。
　　在对动态导航数据进行处理时，首先介绍了动态相对定位的参数估计模型。然后提出了一种基于双因子权和开窗法的分类因子自适应抗差滤波算法，通过将状态参数分为位置参数和速度参数，设计合适的双因子权确定观测向量等价权矩阵，再利用开窗法拟合的原理确定状态预测等价权矩阵，仿真结果也表明该方法能够有效控制系统扰动和运动模型偏差对参数估计的影响。
　　多径误差始终是北斗定位中的重要误差源之一。首先针对在多径环境下MBOC调制的COMPASS导航信号产生的多径误差进行了系统地分析，并根据MBOC信号的自相关函数建立多径误差包络和滑动平均多径误差包络的数学模型，得出了多径幅度衰减系数、前端带宽与相关器间隔对码跟踪误差的影响，幅度衰减因子、载波相位相对差对载波相位误差的影响。然后提出了一种多相关器结构的COMPASS接收机多径估计方法，首先确定相关器数目，利用最大似然估计和网格化搜索方法得到信号的最大似然估计值，再利用分段线性插值方法对得到的直达信号延迟进行计算，从而得到更为精确的直达信号延迟估计值。

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目录

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的研究内容及结构安排

第2章 北斗卫星导航系统定位原理及误差分析

2.1 北斗导航信号的BOC调制方式

2.2 北斗导航系统定位原理

2.3 北斗导航系统的差分定位模型

2.4 北斗导航系统测量误差分析

2.5 本章小结

第3章 北斗导航信号的无模糊跟踪方法

3.1 MBOC调制的COMPASS导航信号特性

3.2 常用的BOC信号跟踪方法

3.3 基于伪相关函数的MBOC调制信号模糊点消除方法

3.4 基于合成子相关函数的MBOC调制信号边峰消除方法

3.5 本章小结

第4章 整周模糊度解算方法

4.1 整周模糊度解算的数学模型

4.2 LAMBDA算法

4.3 一种改进的整周模糊度降相关LLL算法

4.4 基于自适应遗传算法的整周模糊度快速解算

4.5 本章小结

第5章 北斗高精度动态相对定位的参数估计算法

5.1 北斗动态相对定位的参数估计模型

5.2 基于双因子权和开窗法的分类因子自适应抗差滤波算法

5.3 本章小结

第6章 北斗多径效应的误差分析与估计方法

6.1 多径环境下COMPASS接收机跟踪误差分析

6.2 多相关器结构的COMPASS接收机多径估计方法

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢