GPS/GALILEO组合导航定位关键技术研究

摘要

经过近二十年的发展，GPS（Global Positioning System）已经成为人们获取高精度位置信息的重要渠道。然而人们对位置服务的要求在不断提高，GPS单系统导航定位已经越来越难以满足这一要求。随着上世纪末欧盟GALILEO计划的正式启动，利用GPS/GALILEO组合导航定位来实现更高精度和可靠性的定位导航服务便成为人们关注和研究的焦点。然而，目前对GPS/GALILEO组合导航定位技术的研究还不够系统和深入，在国内尤为如此。鉴于此，本论文针对GPS/GALILEO组合导航定位中的关键技术作了较为系统的研究，旨在跟踪卫星组合导航定位的国际前沿技术，为GPS/GALILEO双模接收机的研制提供理论支持。本论文的研究内容及成果主要有以下四个方面： 提出了一种能同时适用于GPS信号和GALILEO信号的多路径抑制技术。首先分析GPS/GALILEO多路径信号对于接收机信号跟踪环路的影响，通过仿真证明了由于多路径信号的存在，将使得接收机码跟踪环路对直接信号的相位测量产生偏差，进而影响定位结果的准确性。通过对窄相关器法和滤波相关器法的研究，发现这两种常规方法虽然能对GPS信号的多路径抑制发挥较好的作用，但对GALILEO E1多路径信号的抑制效果却并不理想。针对GALILEO信号的码跟踪特点，本文在滤波相关器法的基础上提出了一种新的多路径抑制技术——迟早滤波相关器法（ELSC：Early-Late Strobe Correlator）。ELSC的特点是对多个滤波相关器进行组合，以改善码跟踪环路对于GALILEO E1信号的多路径抑制性能。仿真结果表明ELSC能较好地抑制GALILEO E1信号的多路径效应，同时对于GPS信号的多路径抑制性能也明显优于窄相关器法和滤波相关器法。 研发出GPS/GALILEO卫星星座分析和组合性能仿真软件，针对目前尚无法采集到GPS L5和GALILEO实际观测数据的现状，在国内首次开发出GPS和GALILEO观测数据仿真工具。为了能真实再现观测数据的误差干扰情况，本文对观测数据的几项主要误差——电离层误差、对流层误差、多路径误差和接收机噪声等进行了实时模拟。在对电离层的模拟中，采用了欧空局推荐的电离层误差模型——NeQuick模型，使得模拟得到的电离层误差变化不管是在时间上还是在空间上都具有更高的分辨率。通过推算卫星信号在大气中的传播时间，对伪距和载波相位观测值进行了模拟；通过推算接收机和卫星之间的相对位置和相对速度，对多普勒观测值进行了模拟。最后仿真生成了RINEX（Receiver Independent Exchange Format）3．0的GPS/GALILEO组合观测文件。 对GPS/GALILEO组合导航数据处理算法进行了研究，分析和比较了GPS/GALILEO组合系统相对于GPS或GALILEO单系统的完好性和定位性能。列出GPS/GALILEO通用观测方程，分析GPS/GALILEO的两种单频双差组合方案，并推导出其组合的矩阵表达形式。对GPS/GALILEO的多频数据组合进行了初步探讨，分析了组合系数对于组合性能的影响。对GPS/GALILEO组合观测方程中的主要误差进行了分析。对GPS/GALILEO完好性的RAIM（Receiver Autonomous Integrity Monitoring）算法及其门限设定作了讨论和研究，分别仿真得到了GPS、GALILEO、GPS/GALILEO三种模式下的RAIM全球可用性，结果表明GPS/GALILEO组合导航定位的RAIM可用性非常理想。本论文同时也对GPS/GALILEO组合星座的DOP（Dilution of Precision）值和系统可用性进行了研究和仿真。最后通过组合算法对GPS/GALILEO仿真观测数据进行了定位解算，结果表明GPS/GALILEO组合能大幅度提高定位精度。 对GPS/GALILEO组合导航定位中的载波相位模糊度固定技术进行了研究，提出了一种更加合理的模糊度搜索空间确定方法。分析了LAMBDA（Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment）方法的矩阵变换和模糊度迭代搜索原理。对模糊度固定成功率进行了分析，并对GPS、GALILEO、GPS/GALILEO三种模式下的单基线模糊度固定成功率进行了仿真。通过实验发现了LAMBDA中常规的搜索空间确定方法在GPS/GALILEO组合模糊度固定中的不合理性。针对GPS/GALILEO组合导航定位中模糊度向量具有更高维数的特点，本文提出了一种更加适用于高维模糊度固定的搜索空间确定方法——修正法确定搜索空间。仿真结果表明该方法能保证在GPS/GALILEO组合定位模式下实际备选模糊度个数基本与预先设定的备选模糊度个数一致，进而能在不降低模糊度固定成功率的基础上有效提高模糊度固定的搜索效率。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：英文缩写说明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 GPS/GALILEO多路径误差抑制技术

1.2.2 GPS/GALILEO星座模拟和观测数据仿真

1.2.3 GPS/GALILEO组合定位数据处理及定位性能

1.2.4 基于IGG的模糊度固定技术

1.3 论文的结构安排及主要工作

第二章 GPS/GALILEO系统组成及信号方案

2.1 GPS系统

2.1.1 系统组成

2.1.2 信号方案

2.2 GALILEO系统

2.2.1 系统组成

2.2.2 信号方案

2.3 组合基础

2.3.1 GPS现代化

2.3.2 共享频率

2.3.3 GGTO

第三章 GPS/GALILEO信号多路径抑制技术研究

3.1 多路径基础

3.1.1 GNSS信号的电磁特性

3.1.2 电磁波的反射

3.1.3 多路径信号的形成

3.2 GPS/GALILEO码跟踪

3.2.1 接收机跟踪环

3.2.2 延迟锁相环

3.2.3 S曲线

3.3 多径效应对跟踪环的影响

3.3.1 不同相位的多路径信号对S曲线的影响

3.3.2 不同时间延迟的多路径信号对S曲线的影响

3.3.3 多径误差包络图

3.4 多径信号抑制技术

3.4.1 窄相关器法

3.4.2 滤波相关器法

3.4.3 ELSC方法

3.5 本章小结

第四章 GPS/GALILEO星座模拟及观测数据仿真研究

4.1 空间部分

4.1.1 空间坐标系统

4.1.2 时间参考系统

4.1.3 卫星位置计算

4.1.4 星座仿真结果

4.2 环境部分

4.2.1 折射系数

4.2.2 相延迟和群延迟

4.2.3 环境误差模拟

4.3 地面部分

4.3.1 伪距观测值模拟

4.3.2 载波相位观测值模拟

4.3.3 多普勒频移观测值模拟

4.4 本章小结

第五章 GPS/GALILEO组合数据处理算法研究

5.1 理论基础

5.1.1 码观测方程

5.1.2 相位观测方程

5.1.3 观测方程线性化

5.2 数据线性组合

5.2.1 单频双差组合

5.2.2 多频数据组合

5.3 模型误差

5.3.1 卫星轨道误差

5.3.2 电离层误差

5.3.3 对流层误差

5.3.4 卫星钟差

5.4 GPS/GALILEO完好性研究

5.4.1 RAIM算法

5.4.2 RAIM门限设定

5.4.3 RAIM可用性

5.5 定位性能研究

5.5.1 DOP值分析

5.2.2 系统可用性

5.2.3 定位结果

5.5 本章小结

第六章 基于IGG的LAMBDA模糊度固定研究

6.1 LAMBDA

6.1.1 整数变换

6.1.2 整数解搜索

6.1.3 成功率

6.2 搜索空间研究

6.2.1 椭球体积确定搜索空间

6.2.2 最少备选模糊度个数确定搜索空间

6.2.3 修正法确定搜索空间

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要工作和创新点

7.2 研究展望

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间的科研工作和学术活动