地球静止轨道粗定位的北斗系统接收机快速定位方法

传统全球导航卫星系统信号发射时间的整毫秒恢复算法,在接收机概略位置未知时存在计算量剧增而无法应用的问题。利用北斗系统混合星座中GEO卫星电文速率高的这一特点,提出一种基于GEO粗定位的北斗接收机快速定位的方法。在接收机概略位置完全未知的情况下,使用已获取完整信号发射时刻的纯GEO星座进行粗定位,根据解算获得的概略位置对非GEO卫星发射时刻毫秒整数时间进行恢复,利用所有可见卫星进行精确定位。使用国际全球连续监测评估系统测站观测伪距对算法进行验证,国内测站可100%实现伪距恢复,完成快速定位。仿真遍历中国区域用户,在仿真伪距增加均值为0,标准差为6m噪声,截止仰角为0°时,中国附近区域实现快速定位概率均大于98.68%,其中约80%的中国附近区域可以100%实现卫星信号传输时间恢复并完成快速定位。     

伪卫星辅助北斗定位精度改进方法

由于北斗二号一期系统卫星集中分布在赤道附近,导致国土范围内接收机南北方向定位精度偏低,且由于可视卫星均为正仰角,导致接收机垂直方向定位精度也偏低的问题,提出了利用地面伪卫星改善用户观测几何结构的方法来提高一定区域范围内北斗接收机的定位精度。推导了伪卫星与真实卫星组合的最小二乘定位算法模型,并给出了用于定位精度评估的南北和垂直方向的精度衰减因子值。仿真结果表明:在用户使用范围的北部地区布设伪卫星可有效降低用户南北方向以及垂直方向的精度衰减因子值,从而有效改善定位精度。     

两种伪距单点定位模型最小二乘解的等价性证明

针对伪距单点定位解算中存在的两种定位模型的最小二乘解,给出了它们关于位置估计和定位精度等价性的推证过程。描述了伪距单点定位所采用的基本定位模型和单差定位模型,依据伪距观测值精度和单差基准分三种情况分别证明了两种模型的位置最小二乘解和定位精度是等价的,通过实测数据的定位解算验证了两种模型的等价性,并比较了两种模型的最小二乘算法的效率。     

基于接收机钟差约束的地基伪卫星导航改进方法

采用地基伪卫星对飞行器进行导航时,由于布站场地有限不可避免地会出现定位构型差的情况,当仅用伪距和伪距变率进行定位定速时,若采用典型的单历元卫星定位定速算法,那么对飞行器的定位定速精度就会比较差。通过分析发现,地基伪卫星导航系统用户接收机钟差和钟差变率的求取不准确很大程度上影响了定位定速精度。针对这种情况,提出了通过提高地基伪卫星接收机钟差和钟差变率的求解精度来提高定位定速精度的方法。首先根据接收机钟差和钟差变率的模型得到它们的观测方程,然后将其加入到单历元定位定速方程组中参与定位定速解算,仿真结果表明了该方法的可行性和有效性。     

双伪卫星辅助的惯导误差校正新方法

针对某些条件下GPS和北斗可能会由于受干扰而不可用的问题,提出一种双伪卫星辅助的惯导误差校正新方法。在伪卫星数目只有两颗时,该方法仍可利用伪卫星的伪距测量序列将惯导的位置误差和接收机钟差估计出来。仿真结果表明,在两颗伪卫星处于载体异侧的条件下,如果惯导的初始位置误差为280m,则对钟差的估计精度优于110ns(1σ),对惯导位置误差的估计精度优于70m(1σ)。     

应急辅助定位及精度评估方法研究

在可视导航卫星数少于四颗、无法进行传统导航解算的恶劣环境下,导航接收机可利用外部高程气压计提供的高程或者内部守时模块的钟差等信息进行应急辅助定位。在该应急辅助定位工作模式的误差分析中,传统导航定位误差传递模型无法适用。针对此问题,本文在研究三星结合高程、三星结合钟差、双星结合高程钟差等几种应急辅助定位原理的基础上,给出了新的应急辅助定位误差传递的分析模型,利用仿真算例验证了该模型的正确性。通过对定位精度的分析,说明根据卫星分布特点可以按照本文方法量化得到伪距测量与辅助信息的精度的最优数量级关系,可以用最小代价实现定位精度的提升。该结论可指导接收机外部辅助器件的选择。     

GNSS应急辅助定位及精度评估方法研究

在可视卫星数少于4颗、无法进行传统导航解算的恶劣环境下,导航接收机可利用外部高程气压计提供的高程或者内部守时模块的钟差等信息进行应急辅助定位。在该应急辅助定位工作模式的误差分析中,传统导航定位误差传递模型无法适用。针对此问题,本文在研究三星结合高程、三星结合钟差、双星结合高程钟差等几种应急辅助定位原理的基础上,给出了新的应急辅助定位误差传递的分析模型,利用仿真算例验证了该模型的正确性。最后通过对定位精度的分析,说明根据卫星分布特点可以按照本文方法量化得到伪距测量与辅助信息的精度的最优数量级关系,可以用最小代价实现定位精度的提升。该结论可指导接收机外部辅助器件的选择。     

无缝GPS／INS组合导航系统的设计与实现

针对GPS卫星信号失锁条件下GPS/INS组合导航性能大幅度下降的缺点,设计了一种基于ANFIS的无缝组合导航方法,当卫星数目不低于4颗时采用伪距,伪距率的卡尔曼滤波算法,一旦卫星数目少于4颗时采用ANFIS系统估计导航误差,抑制INS的误差积累,从而实现无缝导航.动态车载实验表明,该方法切实可行,相对于传统的紧组合方法,有效地提高了组合导航系统的定位精度和抗干扰能力.     

基于伪卫星的北斗系统定位精度改进方法研究

针对北斗二号一期系统卫星集中分布在赤道附近,导致国土范围内接收机南北方向定位精度偏低,且由于可视卫星均为正仰角,导致接收机垂直方向定位精度也偏低的问题,提出了利用地面伪卫星改善用户观测几何结构的方法来提高国土范围内北斗接收机的定位精度。仿真结果表明,在用户使用范围的北部地区布设伪卫星可有效降低用户南北方向以及垂直方向的DOP值,从而有效改善定位精度。     

用于消除缓变伪距偏差的抗差扩展卡尔曼滤波方法

针对卫星导航系统中伪距观测量存在缓变伪距偏差,导致定位精度下降的问题,提出了一种基于滑动积累的抗差扩展卡尔曼滤波方法。该方法在抗差扩展卡尔曼滤波算法的基础上,通过滑动窗口内多个历元残差矢量的累积,增大标准化残差矢量的伪距偏差,来提高对缓变伪距偏差故障的抗差能力。仿真表明,该方法能有效消除或者减弱微小伪距偏差和缓慢增长伪距偏差造成的位置误差,与传统抗差扩展卡尔曼滤波算法比较,定位精度得到明显改善。     

适用于北斗混合星座的相对定位随机模型建模策略

为提高模糊度解算成功率和基线解精度,提出适用于北斗的相对定位随机模型建模策略,即混合随机建模策略。采用最小二乘方差分量估计方法对北斗单差观测量方差进行估计。对处于不同高度的三轨道卫星观测量方差分别建模:对地球静止轨道卫星观测量方差采用载噪比模型建模,对倾斜地球同步轨道卫星和中地球轨道卫星观测量方差均采用仰角模型建模。根据不同模型实时组建观测量的随机模型。试验结果表明:相比于采用传统简化模型和单一的仰角或载噪比模型,混合随机模型能更加真实地反映不同卫星观测量的随机噪声特性,模糊度解算成功率和相对定位精度均有提高,总体性能最优,因而能更好地适用于北斗系统。     

多系统组合精密单点定位性能分析

文章提出在数据预处理之前进行钟跳探测与修复以避免周跳探测误判,而后对非差无电离层组合载波相位观测值进行星间单差,避免接收机钟差解算,有效降低了对伪距观测值随机模型建模精度的要求,最后给出了抗差Kalman滤波PPP解算模型。利用GPS、GLONASS、BDS数据,对单、双、三系统PPP定位精度和收敛时间进行了分析,得出了以下结论：三系统PPP技术无论定位精度还是收敛速度均是最优的,加强多系统组合导航定位有利于提高导航定位精度。     

利用几何约束快速求解整周模糊度

以GPS载波相位测量来确定载体姿态为背景 ,针对其中的关键技术问题———载波相位整周模糊度的快速解算 ,提出了一种充分利用卫星与基线之间几何约束来压缩搜索空间 ,快速得到正确的双差模糊度组合的方法 ,并通过对ADUⅡ接收机采集的原始数据进行处理 ,其结果证明这是一种行之有效的模糊度搜索方法。     

对GPS接收机的欺骗式干扰试验研究

GPS欺骗式干扰具有发射功率小,抗干扰难度大的特点,分为转发式干扰与产生式干扰。利用卫星信号模拟器产生包含错误导航信息的GPS民用C/A码欺骗信号,通过直接侵入和压制式干扰辅助两种方式进入接收机的捕获跟踪环路,对已定位的某款GPS接收机实施欺骗干扰。试验结果表明,直接侵入方式下,通过合理控制欺骗信号功率,接收机定位被扰乱,但定位结果并未被成功欺骗至预设位置;压制式干扰辅助方式下,接收机成功误定位于预设位置,验证了对GPS接收机进行欺骗式干扰的可行性。     

北斗系统新民用导航电文历书参数算法与性能分析

研究新公布的北斗民用导航电文中的两类历书与北斗二号导航电文历书的差异，对比分析各类历书对接收机首次定位时间的影响。利用实际的历书数据，比较不同历书类型的用户算法，分析不同龄期数据对接收机首次定位性能的影响。结果表明，高精度历书在1周的数据龄期内性能较为稳定，中等精度历书精度稍逊于高精度历书，但由于简化了电文空间，能接近高精度历书性能。简约历书进一步简化了参数数目和电文空间，尽管位置误差达到了数百千米，但却能在数月之后保持相应精度，有利于缩短接收机首次定位时间。     

BDS/INS紧组合三频动对动模糊度解算方法

针对伪距观测噪声较大导致动对动条件下三频整周模糊度解法(Three Carrier Ambiguity Resolution, TCAR)模糊度解算不可靠的问题,提出了一种BDS/INS紧组合三频动对动整周模糊度解算方法。通过紧组合系统输出的高精度位置坐标,估算出双差几何距离值,并用其分别代替无几何和几何模式下的双差伪距观测值,显著降低了伪距双差观测噪声水平,有效提高了三频整周模糊度解算成功率。仿真实验结果表明,BDS/INS紧组合输出的高精度位置坐标使得伪距观测精度提高了60%以上,在短基线条件下,当伪距观测噪声达到2 m时,无几何模式下的TCAR算法模糊度解算成功率为0.73%,几何模式下的TCAR算法模糊度解算成功率为31.25%,而BDS/INS紧组合的TCAR算法在两种模式下的模糊度解算成功率达到99%以上,并且获得了厘米级的相对定位精度。     

BDS在低轨卫星编队高精度相对轨道确定上的应用分析

分析基于北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation System, BDS)的低轨卫星编队相对轨道确定问题,但由于缺乏实测数据,通过仿真实验展开研究。结果表明,500 km空域平均可视BDS卫星数约为9.7,由于地球静止轨道(GeoStationary earth Orbit,GEO)卫星和倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous earth Orbit,IGSO)卫星的存在,亚太地区的可视BDS卫星数明显偏多。仅考虑观测噪声的影响时,基于BDS的相对定轨精度可达0.74 mm,加入星历误差的影响,对近距离编队系统的相对定轨而言,GEO卫星数米的星历误差可以忽略,但当星间距离增大到约200 km时,GEO卫星单差后的星历误差可达厘米量级,GEO+IGSO+中圆地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)卫星和IGSO+MEO卫星求解的相对轨道精度分别为1.09 mm和0.96 mm,GEO卫星的加入使得精度下降了13.54%。在其余误差得到有效处理后,BDS的相对定轨精度可达亚毫米量级,且无明显区域差异,GEO卫星和IGSO卫星能提高近距离编队系统的全球相对定轨精度,未来BDS将广泛应用于低轨卫星编队相对轨道确定。     

基于Powell法的GNSS卫星轨道拟合算法

针对GNSS导航信号模拟源中卫星轨道计算的高精度实时性要求,提出了一种基于Powell最优化理论的卫星轨道拟合算法。该算法将有限点卫星位置拟合问题转化为无约束极小值问题,使用最优化理论求解卫星轨道模型参数,从而可以方便计算任意时刻的卫星速度、加速度等高阶量。算例结果表明计算卫星星历时,位置误差小于1×10-4m,速度误差小于1×10-6m/s,计算量为广播星历直接计算的1/3;计算精密星历时,位置精度在2cm左右,拟合精度较拉格朗日插值算法提高了大约1倍。通过实际应用,充分验证了算法的有效性。     

基于优选RFID观测值的GPS/RFID组合定位方法

在典型的城市环境中,单一GPS定位模式已很难满足连续定位的要求,采用GPS和其他非LOS(Line of Sight,视线矢量)定位方法(如RFID定位方法)进行组合可实现弱信号或无导航信号环境下的定位.针对GPS/RFID组合定位系统中全选RFID观测值所带来的较高的计算复杂度的问题,提出了一种在加权观测值条件下使组合定位误差最小的RFID观测值优选方法.实测实验结果表明,采用这种优选RFID观测值的GPS/RFID组合定位系统可改善在GPS信号受遮挡条件下的GDOP值,有效提高单一卫星导航定位系统的定位可用性和定位精度,并大大降低了系统的计算复杂度.