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卫星导航系统高精度处理与完好性监测技术研究

作　者: 刘文祥
导　师: 庄钊文；王飞雪
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 卫星导航系统精度完好性多频电离层改正星间链路 BOC信号畸变接收机自主完好性监测差分相干检测
分类号: P228.4
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

精度与完好性是卫星导航系统的核心性能指标,须从系统体制设计和用户端处理两个层面来研究精度提高与完好性检测的方法。在卫星导航系统体制设计中,引入星间链路、多频导航信号、BOC调制方式等已成为必然趋势。在用户端处理中,面临电离层延迟的高精度改正、卫星信号畸变导致的影响分析、接收机完好性的自主监测（RAIM）等众多问题。在此背景下,论文开展了以下五个方面的研究工作:（1）针对传统三频电离层改正方法假定三频伪距测量方差相等、而实际环境中信号带宽及载噪比等因素导致多频伪距测量方差不相等的问题,提出了在原始观测伪距方差不相等条件下组合伪距噪声方差最小的三频一阶改正算法。北斗三频窄相关伪距和GPS三频宽相关伪距实测数据验证表明,噪声标准差由最优传统方法的26cm和64cm分别降低到新算法的17cm和61cm。针对高精度载波应用中电离层二阶项残差影响不可忽略的特点,首次提出了基于噪声方差与高阶项残差综合优化的多频改正算法,克服了现有各类方法只优化二阶项残差或组合伪距噪声方差的不足,可根据不同的应用需求改变加权系数来减小所关注的综合误差。（2）针对星间链路信号差分相干检测方法中现有检测概率理论近似公式误差较大及中频积累时间固定不变的问题,提出了仿真计算检测概率与理论计算虚警概率相结合的混合计算方法,并对中频积累时间进行优化,相比于将中频积累时间固定为1ms的传统做法,优化设计后的检测损耗最大可降低2dB。对虚警概率为10^-6条件下检测损耗随信噪比变化的仿真数据进行了曲线拟合,为典型工程应用场景下的差分相干检测性能分析与优化提供了解析模型。（3）针对星间星地联合定轨方法中仅考虑随机误差的不足,提出了同时考虑随机差和系统差条件下的联合定轨误差分析模型及仿真方法,在此基础上分析了测量时刻准确度、星间测量频度、星间观测系统差以及天线波束选择等不同参数对星地联合定轨性能的影响,为星间链路参数设计提供了更准确的分析结果。此外,评估了星间链路被地面固定区域干扰以及部分卫星全弧段被干扰两种情况下的卫星定轨性能,为星间链路整网稳健性和系统安全性的分析提供了支撑。（4）针对BOC信号ICAO三种畸变模型的数字畸变尚不具备解析方法及在分析BOC信号畸变影响时未考虑信道非理想特性的不足,首次推导得到了BOC数字畸变信号互功率谱的解析表达式,建立了考虑信道非理想特性的BOC信号畸变测距偏差理论分析模型。在接收机理想低通滤波器以及考虑信道群时延非理想特性两种情况下,利用该模型分析了BOC（14,2）和BOC（1,1）的畸变测距偏差与接收机设计参数之间的关系。结果表明:群时延非理想特性将严重加剧BOC（14,2）信号畸变对用户测距的恶劣影响;为减小BOC信号畸变导致的测距偏差,BOC（1,1）非相干接收时应将早晚码间隔设计为0.3chip⁰.35chip。（5）针对传统RAIM方法无法有效检测微小伪距偏差的局限性,提出了基于时域积累奇偶矢量的改进RAIM（TPV-RAIM）方法。该方法通过少数几个历元内奇偶检测矢量的积累,增大了等效伪距偏差与噪声之比,提高了对微小伪距偏差的检测性能,可改善用户定位性能。仿真实验中在相同检测性能下,该方法积累10个历元的可检测最小伪距偏差由传统方法的2.30m减小为0.75m。最后,对论文的研究成果及其工程应用情况进行了总结,并对下一步将要开展的工作进行了展望。论文研究成果已应用于我国自主卫星导航系统的体制论证、系统核心测量设备与高端接收机的研制等相关项目中。

全文目录

主要缩略语  11-13
摘要  13-15
ABSTRACT  15-17
第一章绪论  17-33
  1.1 研究背景与选题  17-24
    1.1.1 卫星导航系统发展的重要特点  18-21
    1.1.2 卫星导航系统的精度与完好性  21-23
    1.1.3 课题来源及选题  23-24
  1.2 国内外研究现状  24-29
    1.2.1 基于三频测量的电离层最优改正技术  24-25
    1.2.2 基于差分相干检测的星间链路信号捕获优化设计  25-26
    1.2.3 增加星间链路观测的卫星精密定轨性能研究  26-27
    1.2.4 BOC 信号畸变的建模及其测距偏差研究  27-28
    1.2.5 基于积累奇偶矢量的改进RAIM 方法  28-29
  1.3 本文主要创新点  29-30
  1.4 论文章节安排  30-33
第二章基于三频观测量的电离层最优改正技术  33-52
  2.1 引言  33-34
  2.2 传统多频电离层改正算法  34-37
    2.2.1 双频一阶改正  36
    2.2.2 传统三频一阶改正  36-37
    2.2.3 三频二阶改正  37
  2.3 基于非等测量方差的三频一阶电离层延迟改正算法  37-48
    2.3.1 算法推导与组合系数计算  37-38
    2.3.2 原始伪距测量方差估计方法  38-39
    2.3.3 组合噪声方差性能分析  39-41
    2.3.4 实验验证与分析  41-48
  2.4 基于噪声方差与高阶项残差综合优化的三频电离层改正算法  48-51
    2.4.1 多频电离层延迟改正后的高阶项残差分析  48
    2.4.2 综合减弱噪声方差与高阶项残差的三频电离层改正  48-51
  2.5 本章小结  51-52
第三章基于差分相干检测的星间链路信号捕获优化设计  52-66
  3.1 引言  52-54
  3.2 差分相干基本原理  54-56
  3.3 基于理论模型与仿真结合的中频积累时间优化设计  56-61
    3.3.1 检测损耗的全局优化问题  56-57
    3.3.2 检测概率的仿真计算  57-58
    3.3.3 中频积累时间的优化设计  58-59
    3.3.4 差分相干检测与包络检测的最优性能对比  59-61
  3.4 一种简便的差分相干检测性能近似分析模型及其应用  61-64
    3.4.1 差分相干检测全过程处理损耗的近似分析  61-62
    3.4.2 差分相干检波器损耗的仿真与拟合  62-63
    3.4.3 利用近似分析模型的差分相干检测参数优化与验证  63-64
  3.5 本章小结  64-66
第四章增加星间链路观测的卫星精密定轨性能研究  66-92
  4.1 引言  66
  4.2 测量时刻准确度对定轨等效测量误差的影响  66-72
    4.2.1 测量时刻准确度机理及影响分析  67-69
    4.2.2 星地下行测量时刻准确度的定轨等效测距误差  69-71
    4.2.3 星间测量时刻准确度的定轨等效测距误差  71-72
  4.3 基于星地联合批处理估计的卫星定轨误差分析  72-82
    4.3.1 星地联合批处理估计的定轨原理  72-74
    4.3.2 批处理定轨估计的误差分析模型  74-76
    4.3.3 不同星间测量参数下的星地联合定轨仿真分析  76-82
  4.4 导航战条件下星间链路被干扰的卫星定轨性能评估  82-90
    4.4.1 固定区域内受干扰条件下卫星联合定轨性能评估  82-84
    4.4.2 部分卫星全弧段被干扰对自主定轨几何精度因子的影响评估  84-90
  4.5 本章小结  90-92
第五章新体制BOC 信号畸变模型及其测距偏差分析  92-113
  5.1 引言  92-93
  5.2 传统BPSK 信号畸变模型  93-96
  5.3 BOC 信号的ICAO 畸变模型研究  96-103
    5.3.1 BOC 调制方式  96-98
    5.3.2 BOC 信号ICAO 频域畸变模型的建立  98-101
    5.3.3 BOC 信号ICAO 畸变的时域波形及相关峰  101-103
  5.4 基于信道非理想的BOC 信号畸变测距偏差分析  103-112
    5.4.1 BOC 接收机伪码测距偏差分析模型  103-104
    5.4.2 基于理想低通滤波器的BOC 信号畸变测距偏差  104-108
    5.4.3 基于信道非理想的BOC 信号畸变测距偏差  108-112
  5.5 本章小结  112-113
第六章基于积累奇偶矢量的改进RAIM 方法  113-126
  6.1 引言  113
  6.2 微小伪距偏差对定位误差的影响  113-115
  6.3 传统RAIM 方法及其不足  115-118
    6.3.1 故障检测  115-116
    6.3.2 故障识别  116-117
    6.3.3 检测性能及局限性  117-118
  6.4 可检测微小伪距偏差的TPV-RAIM 方法  118-121
    6.4.1 TPV-RAIM 检测量构造  118-119
    6.4.2 检测性能分析  119-120
    6.4.3 伪距偏差改正  120-121
    6.4.4 偏差过零点检测  121
  6.5 仿真与验证  121-124
    6.5.1 可视卫星保持不变的持续时间仿真验证  121-122
    6.5.2 TPV-RAIM 检测性能的仿真验证  122-124
  6.6 本章小结  124-126
第七章结束语  126-131
  7.1 全文总结  126-130
    7.1.1 本文主要研究成果  126-128
    7.1.2 研究成果的工程应用  128-130
  7.2 后续工作展望  130-131
致谢  131-133
附录A BOC 信号数字畸变互功率谱的推导  133-135
参考文献  135-144
作者在学期间取得的学术成果  144-145

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