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伪卫星增强GPS技术及应用研究

王晖辉  
【摘要】: 全球导航卫星系统是一种空间无线电定位系统。自从美国建立GPS、俄罗斯建立GLONASS之后,欧盟从2003年起计划修建新一代的卫星导航系统“GALILEO系统”。中国在成功研制北斗一代双星区域定位系统的基础上,正在筹建北斗二代全球卫星导航系统。对于空间无线电导航系统来说,信号衰减是限制其使用的一个先天性问题,由于通常导航卫星的轨道在20,000km高度,当信号传到地面上的接收站时会有相当大程度地衰减,因此很容易被建筑物、树木、墙和地形所遮挡。特别地对于城市内的“高楼峡谷”、隧道、室内或者较深的开挖矿区等地区导航卫星信号几乎完全消失,这就一定程度上限制了卫星导航技术的应用范围;而更为严重的是由于接收机高度角的制约,使得导航卫星都保持在接收机天线较高的上方,造成GPS的垂向定位误差通常为水平方向的2~3倍。在一些对高程测量精度要求非常严格的场合,如飞机精密进出场、堤坝形变观测等,就必须采取一定的措施对其进行增强。 伪卫星定位技术成为解决这一问题的有效途径之一,通过伪卫星增强手段能够增加可见卫星的数目,改善观测卫星星座的定位图形结构,从而提高卫星导航系统的定位精度,扩大其应用覆盖范围。国外对于伪卫星技术的研究最早可以追溯到20世纪70年代,经过近三十年的发展,其硬件技术和理论水平都已日趋成熟,而在国内对伪卫星技术的研究目前尚处于起步阶段。 本论文以上海市科技攻关重大项目“GNSS综合测试与认证环境及用户终端产业化”(编号05dz15006)为依托,旨在对测试环境中的核心技术——伪卫星技术,进行理论分析与应用研究。首先从伪卫星的硬件设计入手,进而对伪卫星增强GPS定位技术中的关键技术进行分析研究,建立伪卫星/GPS组合定位模型,最后构建了室外伪卫星增强GPS定位实验。实验的最终结果证明了伪卫星技术作为GPS系统的有益补充是一种有效的辅助手段。本文的主要研究内容和结果如下: 1.分析和研究了伪卫星的信号结构,以及它和GPS信号的异同,这是进行伪卫星硬件设计的前提。详细地介绍了伪卫星信号中C/A码和D码的生成和结构,及信号的功率电平,其结果对于伪卫星发射器的基带/中频模块和射频模块的设计都有着重要的意义。 2.开发了一款实用的伪卫星发射器,系统地分析了该发射器的整体架构和技术参数,针对逐个模块和子模块进行设计,完成了从基带/中频到上变频的一系列工作。并且利用设计实现的伪卫星发射器进行了实地实验,在导航电文方面使用软件接收机实时接收真实卫星的导航电文,然后利用Matlab将其修改为伪卫星导航电文,通过主控站注入到伪卫星信号发生器中,使得商用接收机可以同时锁定真实GPS卫星和伪卫星,构成共视卫星星座。 3.由精度因子入手,研究了伪卫星的加入对GPS系统观测图形结构的改善,从而提高GPS定位精度。利用矩阵理论推导了精度因子的递推特性和极值性。由于精度因子的计算包含了一个多维矩阵转置、相乘及求逆的复杂过程,本文利用在站心坐标系中方向余弦分量的三角函数性,建立优化坐标系以简化其运算复杂度。并对它们各自的计算结果进行仿真作图分析,以卫星的水平方位角和仰角为变化参数,研究各个精度因子的变化趋势。 4.伪卫星的加入可以改善精度因子提高定位精度,另一方面也可以逆向利用精度因子作为标准,来对伪卫星的选址进行优化配置。本文以项目为依托,以精度因子为理论判据,设计了一款用户交互性和灵活性都较高的选址软件。利用用户选定伪卫星发射塔的初始信息值作为系统输入,对电子地图进行全局搜索与分析,进而判断此区域是否可以作为测试区域,仿真的结果表明了此软件的有效性和可用性,这对于未来建设地面测试环境时关于伪卫星发射塔的选址问题给出了一定的解决策略。 5.对伪卫星增强GPS定位技术中存在的关键问题进行分析和研究,具体的有远近效应、时钟同步和多路径效应,并给出了相应的解决方法。由于GPS导航定位方程通用的线性化方法并不很适合伪卫星导航方程,本文考虑到泰勒级数展开时的二阶残余量,分析了由于线性化误差对伪卫星定位结果的影响。提出了顾及泰勒级数展开后的二次项、二次交叉项的平差方法来改善由伪卫星导航方程的线性化所带来的误差。 6.建立了GPS与伪卫星组合相位平滑伪距差分定位算法模型,首次提出了对相位平滑中经典Hatch滤波器进行改进,考虑到伪卫星位置的独特性,对伪卫星的相位平滑窗宽度的设定应该在实测中具体进行分析。实地实验的结果表明,该组合定位算法能够显著提高独立GPS系统的定位精度。


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