BDS/GLONASS双系统组合定位关键技术研究

摘要

随着卫星导航技术的迅猛发展，用户对导航定位精度要求也越来越高。单卫星系统存在可见卫星数少、部分地区定位精度差、覆盖不完整性等缺点，而组合卫星系统则刚好能避免单卫星系统存在的问题，且能打破GPS对市场的垄断性。目前关于单卫星系统几何精度因子(Geometric Dilution of Precision，GDOP)求解、卫星可见性分析、选星算法的研究已较多，且目前市面上接收机只能处理单卫星系统信号，而组合卫星系统的定位解算过程不同于单卫星系统。组合卫星系统在提供高精度定位定时功能的同时，也加剧了接收机解算负担，加上用户对解算效率要求的不断提高，因此，对组合卫星系统高效率、高精度的研究也是目前需要解决的关键性问题。 本文分析研究了我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GLONASS)的卫星轨道分布、系统基本组成、导航电文格式、时间坐标系统、空间坐标系统，并统一了BDS和GLONASS的时间系统和坐标系统，为BDS/GLONASS组合卫星系统联合定位作铺垫。 在上述研究的基础上，本文推导了卫星伪距定位原理，并在此过程中分析了GDOP对定位精度的影响。利用卫星系统仿真工具包(Satellite Tool Kit，STK)求解了BDS和GLONASS的二维和三维空间分布图，并仿真分析了单卫星系统和BDS/GLONASS组合卫星系统在0度仰角限制条件下、10度仰角限制条件下、20度仰角限制条件下，在亚太地区和非亚太地区的GDOP值分布情况。仿真结果表明BDS/GLONASS组合卫星系统避免了单卫星系统高仰角限制条件下GDOP值较大、定位不连续性等问题。同时，本文提出了一种新的GDOP最小值计算方法，理论推导了GDOP取得最小值时的卫星几何分布情况，验证了传统GDOP最小值实际不可达，该研究有助于卫星自主定轨导航。 最后，本文采用Python语言求解了BDS、GLONASS、BDS/GLONASS三种系统在0度仰角限制条件下、10度仰角限制条件下、20度仰角限制条件下，在亚太地区和非亚太地区的卫星可见性。结果表明，BDS/GLONASS的可见卫星数远大于单卫星系统，定位精度较高。同时，本文仿真验证了传统GDOP最小值选星算法和最大四面体体积选星算法，证明了这两种算法存在计算量大、结果不稳定等缺点。在此基础上，本文提出了一种改进的组合卫星系统选星算法，该算法在减少运算量的同时，定位精度也较高，适合组合卫星系统选星解算。

目录

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绪论

课题研究背景和意义

国内外研究现状

精度因子研究现状

选星算法研究现状

本文主要工作和文章结构安排

BDS和GLONASS卫星导航系统基础

卫星轨道

卫星轨道定义

卫星轨道分类

卫星系统基本组成

BDS基本组成

GLONASS基本组成

卫星导航电文

BDS导航电文

GLONASS导航电文

卫星系统的空间坐标系统及统一转换

BDS空间坐标系统

GLONASS空间坐标系统

BDS和GLONASS空间坐标系统及统一转换

卫星系统的时间系统及统一转换

本章小结

BDS/GLONASS组合系统几何精度因子研究

伪距定位

伪距定位原理

伪距定位算法

几何精度因子的概念

几何精度因子的意义

基于STK的卫星系统GDOP值求解

STK软件简介

卫星参数计算

卫星轨道仿真分析

单卫星系统GDOP值求解

组合卫星系统GDOP值求解

卫星系统GDOP最小值求解

本章小结

BDS/GLONASS组合系统选星算法研究

基于Python语言的卫星可见性分析

Python简介

单卫星系统卫星可见性分析

组合卫星系统卫星可见性分析

最小GDOP值选星算法

最大四面体体积选星算法

改进的BDS/GLONASS组合卫星系统选星算法

本章小结

总结与展望

文章总结

展望

基本情况

教育背景

攻读硕士学位期间的研究成果

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