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高精度实时卫星导航仿真系统关键技术研究

范国清  
【摘要】:在卫星导航系统的建设初期,由于导航星座组网尚未全部完成,系统不能或者只能有限地提供卫星导航信息,需要利用卫星导航仿真系统生成信号层面上的导航数据,用于完成导航系统的体制验证、地面信息处理及接收机的功能和性能测试。这种卫星导航仿真系统有别于一般的卫星导航仿真系统,具有如下特点和要求:(1)高精度要求,与一般的卫星导航信号模拟器不同,该仿真系统产生的数据首先转换为射频信号,供监测接收机接收后回传给地面信息处理中心,用于定轨和星历预报,因此对仿真数据的精度提出了很高的要求;(2)强实时性要求,仿真系统需要与外部硬件设备进行实时数据交互,要求仿真系统与外部时钟严格同步,对系统的实时性提出了很高的要求;(3)数据预报功能,仿真系统除了能进行观测数据的事后仿真外,还可能与实际的卫星导航系统并行运算。为了保证仿真观测数据能够与卫星导航系统的实测数据保持高度一致性,要求仿真系统具备数据预报能力。目前,虽然已有不少学者在进行卫星导航仿真系统研究,但大多没有同时考虑到高精度和强实时性的需求,因此本论文针对此类卫星导航仿真系统的特点,开展了区域电离层延迟建模、电离层短期预报建模和区域对流层延迟建模等高精度实时卫星导航仿真系统的部分关键技术研究。主要研究内容如下: (一)研究了区域电离层垂直电子总量的建模方法。利用中国区域的实测数据,对比分析了多项式模型、球函数模型和三角级数模型的阶次和基函数对模型精度的影响;针对多项式模型空间外推能力不足的问题,采用了以全球电离层模型的数据为背景场,联合实测数据确定区域电离层垂直电子总量的方法,建立了中国区域的电离层多项式模型。算例分析表明:该方法可有效解决实测数据较少区域精度较差的问题;尝试了将广义回归神经网络应用于区域电离层垂直电子总量的建模方法研究。算例分析表明:基于广义回归神经网络的电离层垂直电子总量模型具有较好的空间外推能力。 (二)初步研究了基于时间序列分析理论的中国区域电离层短期预报。采用多项式模型作为电离延迟的原始模型,对比分析了区域电离层延迟模型系数和全球电离层模型系数的不同特性。在此基础上,利用时间序列分析理论对多项式模型的系数序列建模并预报,再以预报得到的模型系数建立电离层延迟的预报模型。算例分析表明:预报模型在原始模型有效范围的边缘区域误差较大,通过扩大原始模型有效范围的方法,可使得预报模型在整个中国区域都具有较高的精度和较好的稳定性。 (三)研究了区域对流层延迟的建模。基于我国的实测气象数据,分析了在不同气象环境下气象参数对对流层延迟的影响。研究表明:对流层天顶延迟量是各气象参数的增函数。在相同气象环境下,对各气象参数的敏感度各不相同。当气象环境改变时,敏感度的变化也不相同:气温的敏感度变化幅度最大,相对湿度次之,而大气压的敏感度基本保持不变。在此基础上,利用距离平方反比插值方法进行全国范围的气象资料栅格处理,气压、气温和相对湿度的偏差绝对值的均值分别为0.96mbar、1.60 C和7.72%。栅格数据的应用可将由气象参数的不准确而导致的天顶延迟量误差从分米级减小至厘米级。 (四)研究了高精度电离层延迟和对流层延迟模型的实时仿真算法。针对卫星导航仿真系统强实时性需求,设计了非实时层、弱实时层和强实时层相结合的多实时层的分布式仿真体系结构。按照模型预处理阶段、模型数据准备阶段和模型实时计算阶段将区域电离层延迟模型、电离层延迟短期预报模型和对流层延迟模型的计算流程划分为三个阶段,并分别在非实时层、弱实时层和强实时层中完成三个阶段的计算,实现了高精度模型的实时仿真计算。仿真算例表明,卫星导航仿真系统观测数据仿真的单步计算耗时小于20毫秒,验证了多实时层分布式仿真体系结构的有效性。


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