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《武汉大学》 2018年
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软件接收机在伪卫星高精度室内定位中的关键技术研究

孙福余  
【摘要】:基于位置的服务己融入人们生活,而室内高精度位置服务是目前重点发展方向之一。室内环境无法接收到GNSS信号,限制了 GNSS定位的应用,定位手段如蓝牙、WIFI、RFID、光源定位、磁场定位、惯性导航等方式单一手段均有明显的优缺点,目前常采用多种手段组合的方式来进行综合定位,精度为米级,难以满足用户的高精度需求。伪卫星室内定位可提供载波相位观测量,通过载波相位差分定位的方式可达到厘米级定位精度。目前许多应用和终端都集成了 GNSS定位功能,伪卫星接收机由于与GNSS接收机结构一致,在硬件普及和室内外无缝定位方面具有较大优势。但目前伪卫星室内定位在应用中面临着时间同步、远近效应、多径复杂、信号易被遮挡、环路易失锁等问题,发展受到一定限制。1)利用基于通用硬件的软件接收机平台,来研究上述伪卫星实现高精度定位的难题。本文详细介绍了载波相位观测值的提取与伪卫星环境下的观测值整秒输出,在室内环境下通过载波相位差分实现了伪卫星高精度定位。2)室内环境具有以下特点:室内反射物多、多径信号多为近程反射信号、反射信号MDR(反射信号与直射信号能量比值)较大,形成了更为复杂的室内多径场景和现象:a)当反射信号MDR较大且与直射信号相位相差180度时会造成接收机天线接收到的合成信号能量大幅度下降,引起接收机环路失锁,使得载波相位观测值中的整周计数发生中断。b)由于反射信号的相位与直射信号不同,造成合成信号的载波与实际相位值有一定偏差。当接收机保持直射信号跟踪时,若反射信号与直射信号相位相差90度时,合成信号载波相位会产生最大45度的误差。为了减少现象a)的发生,基于软件接收机平台设计了双天线接收机。双天线距离为载波波长的一半,以避免两个天线相位差都相差180度,并可结合电子罗盘或其他定向手段来实现环路和观测值的组合。通过室内环境实测证明该方法降低了接收机在运动时信号失锁和发生周跳的几率,保证了载波相位观测值的稳定输出。3)设计了一种双天线干涉测量接收机,该接收机利用双天线的相位差来实现干涉定位。该方法具有无需基准站的架设、无需伪卫星之间时钟同步、无需求解整周模糊度等优点,在小范围标定后能够实现亚米级定位精度,优于伪距定位精度,可单独定位或作为载波相位观测的辅助,可辅助接收机缩小整周模糊度搜索的范围。通过仿真与实测证明了该方法的可行性,可作为现有室内定位技术的有效补充。4)多径合成信号模型主要由三个参数组成:能量比、时间延迟和相位差。有研究利用GNSS信号的极化特性和双极性天线来探测直射信号和反射信号的载噪比(CNO),根据载噪比之差来反映能量比,以评估直射信号受反射信号的影响程度。对现有采用商用接收机双极性天线进行多路径探测的不足进行了分析,设计了辅助环路的双极性天线接收机:1)利用辅助环路实现对反射信号的实时监测,避免接收机对反射信号跟踪不及时、无法持续输出载噪比信息。2)改良了载噪比之差探测多路径的模型,对反射信号的能量进行分解,只提取环路中对直射信号造成影响的反射信号能量,使得该方法更加可靠。3)利用辅助环路来估算合成信号的时间延迟与相位差,利用能量比、时间延迟、相位差三个参数综合对多径合成信号建模,在多径信号的探测的基础上,为实现载波相位观测值的恢复提供参数。伪卫星高精度定位具有接收机与GNSS接收机结构一致的优势,可提供高精度观测量和位置信息,虽然目前单独进行商业化使用还有很多难点和缺点,但在多传感器融合定位中,可起到提高整个系统精度的作用。所以,本文对上述问题的研究,可以改善伪卫星高精度定位的使用环境和效果,提高其整体可用性,一方面可在特定的使用场景中单独实现高精度室内定位,另一方面可在复杂使用场景中为多种手段的融合定位提供高精度的时间、位置和速度基准。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN967.1

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【参考文献】
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