城区复杂场景中的GNSS性能建模预测及评估研究

摘要

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）在军用、民用领域具有不可替代的作用。在民用领域，GNSS在城区应用最为广泛。各大城市中心通常高楼林立，GNSS信号极可能被高楼阻挡，使可见卫星数量减少。同时，GNSS信号遭受各种建筑物表面反射的概率很大，多径现象的发生会相当频繁和严重。评估城区环境中GNSS的性能和研究提升GNSS在城区环境中性能的方法，不仅可以推动GNSS在城区环境下的发展与应用，而且也为我国北斗系统在民用方面的建设提供参考。
　　本文首先简要介绍了GNSS的系统组成及定位原理。从信号源、信道、接收机三个方面详细分析了GNSS的误差来源，为分析城区环境下GNSS性能特点奠定了理论基础。
　　在分析和总结经典的GNSS性能指标基础上，本文基于平行递推模型，提出了一种针对城区复杂环境下GNSS性能的指标，即“城区GNSS平行递推模型”。基于城区民用用户对GNSS的需求，分析实时性、鲁棒性、实用性三个指标和航空导航性能指标（Required Navigation Performance，RNP）的关系。建立了导航信号相关性能的评估指标模型，研究信号性能影响机制以及评估方法。对三个典型导航系统在B1频点的GNSS信号，针对精度、抗多径性能、抗干扰性能以及兼容性能四个点进行详细分析。
　　基于电磁波传播理论，通过对一个真实的城区复杂环境建立其对应的电磁波传播模型，详细分析了该典型城区复杂环境下GNSS的性能特点。针对城区复杂环境提出了一种新的选星方法。该方法通过3D地图辅助首先剔除被遮挡的卫星，再通过仰角方位角选星法选星，一定程度上抑制了多径效应。通过建立一个典型的城区峡谷模型，对几种选星方法进行仿真。仿真结果表明，该方法DOP计算结果和传统仰角方位角选星法最为接近，且计算量比前者小大约25％。
　　本文深入研究了提升城市峡谷中GNSS性能的算法：阴影匹配。利用采集的GPS+GLONASS星历，建立了一个理想的阴影匹配模型，研究了大楼高度、街道宽度与可见卫星数量的关系。本文实现了阴影匹配算法，验证了该算法的有效性。针对该算法的一维搜索法在选取参考点时的局限性，本文并提出了一种螺旋二维搜索法。利用实际采集到的NEMA数据以及星历数据，结合百度地图、E都市三维地图对阴影匹配的效果进行实际测试。实际验证了阴影匹配在城区街道环境中对定位精度的提升，并获取了一个计算实测GNSS直视信号强度阈值的典型值。鉴于阴影匹配对GNSS定位具有辅助作用，首次提出了阴影匹配与当下流行的辅助全球卫星定位系统（Assisted Global Positioning System，A-GPS）融合的概念，分析了融合的原因、可能性、不足。综合考虑阴影匹配的计算量、存储量、网络传输速率等方面提出了基于MS-Based方式的融合设计。针对当下流行的MS-Assisted方式，结合安卓系统自身特点，提出了阴影匹配算法的软件构架设计。
　　最后，对全文的研究工作进行总结，并指出今后工作中进一步研究的方向。

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缩略词表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 选题的目的和意义

1.3 国内外研究现状及发展动态

1.4 本文主要工作及内容安排

第二章 GNSS系统组成及误差分析

2.1 GPS系统组成及定位原理简介

2.2 GNSS误差分析

2.3 本章小结

第三章 城区环境下GNSS性能指标与评估方法

3.1 GNSS系统性能建模

3.2 GNSS信号性能评估方法研究

3.3 本章小结

第四章 城区环境下GNSS性能特性与选星研究

4.1 城区复杂环境下无线电场景建模

4.2 城区环境下选星算法研究与仿真

4.3 本章小结

第五章 阴影匹配在城市峡谷中的应用研究

5.1 阴影匹配建模与验证

5.2 阴影匹配与AGPS融合设计

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究成果总结

6.2 研究工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的与学位论文相关的研究成果