面向提高精度和可用性的卫星导航数据处理技术研究

摘要

精度和可用性是卫星导航系统的重要指标。传统包含5状态变量的粗时定位方法能够在植被遮挡、室内等弱信号环境下利用亚毫秒伪距实现定位，从而提高服务可用性，然而其需要已知接收机概略位置。此外，北斗卫星导航系统采用混合星座设计，具有GEO卫星电文速率高、广播格网点电离层信息等特点。GEO卫星的高电文速率为实现快速定位提供了可能，合理使用区域格网点电离层信息能有效提高单点定位精度。在上述背景下，论文围绕提高卫星导航系统精度和可用性展开研究并取得以下成果：
　　（1）针对传统广播历书直接拟合方法获得历书参数精度较低的问题，提出基于长半轴补偿的广播历书改进计算方法，通过在参数拟合时增加角速度变化量并将其转换为长半轴补偿值的方法计算广播历书参数。算例表明，该方法能使历书参数的URE由传统方法的约2000米降低为优于900米。此外，重新定义包含角速度变化量的9参数历书，能够使URE再提高一倍以上。
　　（2）针对传统粗时定位方法需要已知接收机概略位置的问题，提出基于伪距模糊搜索的改进粗时定位方法和高精度时钟辅助下的模糊搜索快速定位方法，并提出使用星间距离与最大伪距差值的关系减小搜索空间，能够在概略位置未知时实现快速定位。算例表明，在信号捕获后的亚毫秒伪距情况，使用IGS的mars测站L1频点观测数据，改进粗时定位方法的平均备选模糊组合数约为672，在1、3和5秒偏差的情况下，定位成功率分别为99.96％、99.86%和99.79%，其他测站成功率可达100%。另外，遍历多个测站观测数据表明，当辅助时间精度优于15微秒时，能够100%实现快速定位；优于25微秒时，能够99%实现快速定位。
　　（3）利用北斗系统中 GEO卫星导航电文速率高、帧同步时间短的特点，分别提出高程假设与多普勒辅助的快速定位方法，能够在非GEO卫星完成帧同步之前利用GEO伪距和辅助信息计算概略位置并实现快速定位，同时避免了GEO卫星粗定位可能出现解算失败的问题。算例表明，在高程辅助下即使只有3颗GEO卫星伪距可用仍可以实现快速定位；在有充足多普勒信息辅助的情况下即使 GEO观测伪距数小于3，也可以实现快速定位。
　　（4）针对仅部分伪距可使用电离层格网修正时难以确定格网和 Klobuchar模型修正后定位精度优劣的问题，提出基于位置精度因子 PDOP比较的电离层修正方法。通过利用格网和Klobuchar模型可修正观测量的PDOP构建检验量用于选择电离层修正方法以提高定位精度。算例表明，该方法的定位精度能达到甚至略优于格网和 Klobuchar模型修正的较优结果，与不进行选择的最坏情况相比 kun1、chu1和lah1测站定位精度分别提高18.1%、16.5%和19.9%。
　　最后，总结论文主要工作。论文研究成果已应用于卫星导航系统的各型号接收机和信号源的项目研制中。

目录

声明

主要缩略语

第一章 绪论

1.1 研究背景与选题

1.2 国内外相关研究现状

1.3 本文主要创新点

1.4 内容安排

第二章 基于卫星角速度变化参数估计的广播历书计算方法

2.1 引言

2.2 传统广播历书参数拟合方法的不足

2.3 基于长半轴补偿的广播历书参数计算方法

2.4 自定义历书参数及精度分析

2.5 本章小结

第三章 基于伪距毫秒整数模糊搜索的GNSS接收机快速定位方法

3.1 引言

3.2 传统粗时定位方法时间偏差性能分析

3.3 基于毫秒整数模糊搜索的改进粗时定位方法

3.4 高精度时钟辅助下的模糊搜索快速定位方法

3.5 本章小结

第四章 基于GEO电文特性的BDS接收机快速定位方法

4.1 引言

4.2 基于GEO星座粗定位的BDS接收机快速定位

4.3 基于高程假设的BDS接收机快速定位

4.4 基于多普勒辅助的BDS接收机快速定位

4.5 本章小结

第五章 基于PDOP比较的北斗接收机电离层延迟修正方法

5.1 引言

5.2 北斗系统广播电离层延迟性能评估

5.3 基于PDOP比较的北斗系统单频电离层修正方法

5.4 本章小结

第六章 结束语

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A 卫星位置矢量对广播星历参数的偏导数