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GNSS性能增强技术研究

作　者: 徐洪亮
导　师: 战兴群
学　校: 上海交通大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 全球卫星导航系统可用性伪卫星完好性精密星历星间链路光定位
分类号: TN96
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在全球导航卫星系统(GNSS)得到广泛应用的今天，国民经济各领域对卫星导航的依赖程度逐渐增大，与此同时卫星导航的一些不足之处也日渐受到关注。在可用性、完好性、定位精度和连续性这四大指标中除连续性参数能够满足需要外，其他三者都存在不足。可用性的不足体现在因星座几何布局、信号遮蔽等因素造成的信号覆盖不足，城市与室内应用受限；完好性的不足体现在尚不能满足涉及生命安全的特定应用领域对完好性的需求；定位精度不足则是指普通用户希望能以低廉的成本获得更高精度的定位服务。如何基于现有的导航系统基础设施与用户设备，改善与提高GNSS综合服务性能，是当前学界的研究热点，也是各导航卫星系统供应商的工作重点。国际卫星导航委员会还专门成立了服务性能提升工作组，专门讨论性能增强相关问题，致力于寻求解决方案。本文就GNSS性能增强主题，重点针对可用性、完好性和精度三大指标的不足，分别以伪卫星为技术手段，深入研究了伪卫星系统及其组网与定位算法，以改善GNSS信号覆盖的不足，提高可用性；基于星间链路及星间测距技术方案，提出了卫星自主完好性监测与星历增强方法，以提高完好性和精度。论文还提出了一种新型的工作于光学频段、基于到达时间差算法的定位系统理论与方案，以更好得解决室内定位的难题。本文的主要研究工作和方法体现在五个方面：（1）对伪卫星定位系统的理论与应用进行了梳理，对伪卫星应用的兼容、定位解算等问题进行了分析与探讨。（2）研究了伪卫星组网定位算法，提出了独立伪卫星单点定位算法；设计开发了单体伪卫星硬件与组网软件，搭建了一个伪卫星定位的演示验证系统，用于算法验证。（4）研究了GNSS的完好性，提出了基于星间测距的卫星自主完好性监测算法。（5）研究并提出了基于星间测距的卫星自主星历增强算法。（6）分析并对比了基于各类不同物理量、不同原理的定位方法，提出了基于到达时间差的光定位方法，并对其中的相关理论与实现问题进行了探讨。本论文研究的关键技术和创新点主要体现在以下几个方面：（1）提出了独立伪卫星单点定位算法连同所需的初始化方法，并进行了仿真验证。该算法开拓了伪卫星的新应用领域，同时还具有延伸到基于各种机会信号SOOP定位应用的潜力。（2）独立研制了一套包括完整软、硬件的具有自主知识产权的伪卫星定位系统，既能用于构建具有实用价值的室内外定位系统，还能够用以研究与验证各类相关的伪卫星定位技术与算法。（3）提出了基于星间链路的卫星自主完好性监测算法，给出了推导、方法以及性能指标。该算法能够与地面完好性监测、用户自主完好性监测等方法一同提高卫星导航系统的完好性。（4）提出了基于星间链路的卫星自主星历增强算法，给出了推导、方法与仿真结果。该算法能够在不依赖地面监测站的前提下，显著提高卫星星历精度。（5）提出了利用光学频段进行到达时间差方法的室内定位。分析了使用光学频段的优势，并针对其特点探讨了系统方案、所使用的测距码以及接收处理方案等问题。基于上述研究内容，本论文的研究结论包括：（1）伪卫星系统作为GNSS系统的增强与补充，能够发挥很大的作用，在室内、城市等应用场合，提供与GNSS相当甚至更优的定位能力。（2）利用GNSS卫星所拥有的星间测距功能，通过论文所给的自主完好性监测算法，能够在星座间实现自主监测，进一步提高完好性；在进行自主星历增强时，可将用户等效定位误差（URE）由1.05m降至0.34m。（3）基于光频段的室内定位系统具有精度高、无电磁干扰等诸多优点，具有很大的发展空间与应用价值。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
图表索引  12-15
第一章绪论  15-27
  1.1 本文的研究背景  15-16
  1.2 相关技术研究现状  16-24
    1.2.1 伪卫星  16-20
    1.2.2 自主完好性监测  20-23
    1.2.3 精密星历与星历增强  23-24
  1.3 本文的研究目的和意义  24
  1.4 论文的主要研究内容  24-27
第二章伪卫星系统研究  27-49
  2.1 兼容性研究  27-31
    2.1.1 无缝兼容  28
    2.1.2 部分兼容  28-29
    2.1.3 局部兼容（单向兼容）  29-30
    2.1.4 非兼容  30
    2.1.5 兼容模式的选择与确定  30-31
  2.2 GNSS 与伪卫星应用异同  31-37
    2.2.1 信号接收相关问题  31-33
    2.2.2 定位解算相关问题  33
    2.2.3 对无关接收机的影响  33-37
  2.3 频率与标准化  37-42
    2.3.1 频率与法律地位  37-41
    2.3.2 伪卫星技术标准  41-42
  2.4 伪卫星组网方法与可解性分析  42-48
  2.5 本章小结  48-49
第三章伪卫星系统算法与应用  49-79
  3.1 伪卫星单机设计与测试  49-59
    3.1.1 伪卫星单机设计  50-56
    3.1.2 伪卫星单机测试  56-59
  3.2 伪卫星演示验证系统设计与测试  59-64
    3.2.1 演示系统设计  59-61
    3.2.2 天线相位中心标定  61-62
    3.2.3 定位软件  62-63
    3.2.4 演示系统测试  63-64
  3.3 独立伪卫星单点定位  64-76
    3.3.1 初始定位  68-69
    3.3.2 基于时钟跟踪的连续定位算法  69-72
    3.3.3 其他两种简化算法  72-73
    3.3.4 仿真结果  73-76
  3.4 本章小结  76-79
第四章完好性与完好性监测  79-97
  4.1 接收机自主完好性监测（RAIM）  79-83
    4.1.1 算法原理  79-81
    4.1.2 性能评估  81-83
  4.2 卫星自主完好性监测（SAIM）  83-95
    4.2.1 星间观测  84-87
    4.2.2 算法原理  87-93
    4.2.3 算法性能  93-95
  4.3 本章小结  95-97
第五章基于星间链路的自主星历增强  97-109
  5.1 时钟误差估计  97-99
  5.2 轨道误差建模与估计  99-102
  5.3 仿真与结果  102-108
  5.4 本章小结  108-109
第六章基于 TDOA 算法的光定位  109-125
  6.1 简介  109-114
    6.1.1 用于定位的物理量的选择及特性  109-110
    6.1.2 定位方法的选择及其特点  110-114
  6.2 基本原理与信号结构  114-116
  6.3 接收机方案  116-120
  6.4 集总式定位系统  120-123
  6.5 本章小结  123-125
第七章全文总结  125-127
  7.1 主要工作总结  125-126
  7.2 后续研究展望  126-127
参考文献  127-135
攻读博士学位期间已发表或录用的论文  135-137
攻读博士学位期间参与的科研项目  137-139
致谢  139-140

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