扩展集员滤波算法在GPS精密单点定位中的应用研究

摘要

GPS精密单点定位技术是根据IGS（国际GNSS服务组织）提供外部高精度GPS卫星星历、卫星轨道、相关钟差应用的前提下，以单台双频接收机对非差GPS伪距和相位观测值实施处理并获取高精度定位效果的一类GPS数据处理技术。同时，可以根据IGS获得除位置外的其他信息，如对流天顶延迟、接收机钟差等，从而使GPS精密单点定位技术在高精度导航定位、大气延迟提取、坐标框架维持以及精密授时等相关领域也有较大的发展前景。
　　本文重点研究GPS精密单点定位技术的算法实现，着重就相关的技术难题进行分析研究，针对部分关键技术问题，比如状态估计模型、扩展集员滤波GPS定位精度等问题进行了详细的阐述，最后在GPS接收机上测试采用扩展集员滤波算法后的实际应用效果。主要内容含括如下几个方面:
　　(1)研究并讨论了GPS精密单点定位的理论基础，描述了GPS精密单点定位系统的数学模型，包括构造GPS精密单点定位函数模型、参数模型和状态估计模型。在此基础上阐述了卡尔曼滤波理论、扩展卡尔曼滤波理论，从理论角度描述了GPS精密单点定位技术的动态状态的估计问题。
　　(2)探讨了影响GPS单点定位精度的各种误差源与相关算法解决方案，含括了与卫星有关、与接收机有关、与信号传播有关三大类。
　　(3)研究了扩展定界椭球集员滤波算法，从滤波参数优化与选择更新策略等方面出发，对其滤波参数算法部分进行了优化，使噪声边界始终处于有界范围内，增强了扩展定界椭球集员滤波算法的环境适应能力，为进一步增加GPS精密单点定位技术的精度提供算法支持。
　　(4)简要阐述了基于扩展集员滤波(ESMF)算法的GPS接收机平台总体设计方案、硬件设计部分、GPS接收机对信号解析算法单元、软件设计部分等单元。该方法根据载波信号中噪声统计特性未知但有界(UBB)的特点，将UBB噪声包含在椭球集合内。最后结合高动态导航信号模拟器仿真出四轴飞行器位置三维跟踪曲线图以及位置二维跟踪曲线图，定位结果基本精准。此外由EKF（扩展卡尔曼滤波算法）、CKF（平滑卡尔曼滤波算法）、ESMF（扩展集员滤波算法）通过实际GPS单点定位测量表明，采用优化后的扩展定界椭球集员滤波算法其定位效果优于EKF算法，实验测试说明了此方法的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 GPS精密单点定位技术研究现状

1．2．2 集员滤波算法理论研究现状

1．3 论文的主要工作

第二章 GPS精密单点定位理论分析及状态估计

2．1 引言

2．2 GPS精密单点定位函数模型

2．3 GPS精密单点定位参数模型

2．4 GPS精密单点定位状态估计方法

2．4．1 卡尔曼滤波理论

2．4．2 扩展卡尔曼滤波理论

2．5 小结

第三章 GPS精密单点定位误差分析与处理

3．1 引言

3．2 与卫星有关的误差

3．2．1 卫星轨道误差

3．2．2 卫星钟差

3．2．3 天线相位绕转

3．3 与信号传播有关的误差

3．3．1 相对论效应

3．3．2 电离层延迟

3．3．3 地球自转改正

3．4 与接收机有关的误差

3．4．1 多路径效应

3．4．2 接收机钟差

3．4．3 接收机天线相位中心校正

3．5 小结

第四章 基于最优定界椭球的扩展集员滤波算法

4．1 引言

4．2 算法推导

4．3．1 选择更新策略

4．3．2 对滤波参数的优化

4．4 仿真分析

4．5 小结

第五章 精密单点定位软硬件平台实现及仿真测试

5．1 引言

5．2 GPS接收机总体设计方案

5．3 系统硬件模块部分

5．3．1 GPS射频单元模块

5．3．2 GPS基带处理单元模块

5．4 信号捕获、环路跟踪与定位解算单元

5．4．1 信号捕获

5．4．2 相位旋转法进行数字下变频

5．4．3 码跟踪环

5．4．4 帧同步

5．4．5 数据解调

5．5 系统软件模块部分

5．6 动态性能仿真测试

5．7 仿真测试结果和分析

5．8 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录