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原子钟辅助GPS用于CGTR-OTE移动定位技术研究

杨川  
【摘要】:欧洲正在建设Galileo系统是目前世界上唯一的为民用目的而建立的卫星导航系统,该系统计划于2008年建设完成。中国是第一个加入Galileo计划的非欧盟国家,为推动Galileo系统在中国的应用,中欧双方共同合作,在中国建立一个旨在服务于Galileo系统用户接收机和应用系统开发、演示的平台——CGTR。CGTR由三部分组成:室内测试认证环境(ITE)、外场测试试验系统(OTE)和应用演示与推广中心(ADC)。针对CGTR中OTE需要移动定位的需求,本文研究了原子钟辅助GPS接收机对OTE平台进行定位的性能,并以改善定位精度为主线,提炼出使用铷钟辅助增强GPS的优点。 在GPS接收机中使用一个原子钟的出发点是其授时精度和稳定度足够高,可以假定接收机时钟与GPS时间之间的偏差为已知量,从而避免了对其进行估计。因此,GPS导航解算就可以仅对位置坐标(x、y、z)的估计来进行,也就是说,仅需要接收到三颗卫星的信号就可以完成定位解算。如果接收机时钟偏差是精确已知的,那么接下来的问题就是在什么样的环境中会以什么样的程度提高定位精度。通过分析时钟误差与位置误差的联系,并且调查了在它们的联系中卫星几何位置所起的作用,从而回答了上面提出的问题。 以GPS观测数据为基础,若使用一个二次函数来建立估计时钟偏差的有效模型,那么就需要以前的独立观测量来估计这个函数的参数。可用的独立观测量的数目依赖于这些测量值的相关时间。为达到实时应用的效果,本文利用了差分定位方式,对应的观测时间就可减少到1分钟以内。为满足需要,本文提到了一种更有效、更符合实际情况的铷钟模型。在简要回顾了振荡器模型和其观测值的基础上,然后使用事后处理得到精确的卫星轨道和时钟校正评估铷钟特性。以这些特性为基础,提出单模GPS和差分GPS使用的铷种模型。并给出了一个使用顺序处理估计时钟偏差的具有实用意义的算法。 为了进一步改善GPS导航的精度和可用性,研究和建立了一个由铷钟辅助GPS和气压计、罗经组成的组合导航系统。这种由精密时钟辅助GPS和气压计等组成的组合导航系统是一个理想系统。当卫星几何位置好的情况下,铷钟用于改善垂直精度,顺便还较正气压计的精度。当可见星的数目降为2个时,稳定的铷钟和精确校正过的气压计可提供令人满意的时钟偏差和高度信息的测量值,从而保证了导航定位的质量。只有一颗可见卫星时,组合上罗经也是非常有用的。 在受控环境下进行的外场试验对铷钟辅助GPS和气压计、罗经组成的组合导航系统进行了评估。最后,描述了试验并对结果进行分析。


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