提高导航精度的载波相位平滑伪距方法研究

本文推导了基于载波相位平滑伪距技术的SINS/BD组合导航公式并进行误差分析.结合北斗卫星伪距的无模糊度和载波相位的高精度的特点,在组合导航系统中采用北斗载波相位平滑伪距的方法提高导航的精度,最终对处理效果进行实验验证.验证了此方法提高组合导航精度的有效性.     

北斗三频周跳探测与修复算法研究

载波相位观测值已越来越多地应用到增强系统中,由于观测环境影响,载波相位测量不可避免地会产生周跳,周跳的成功探测与修复是提高导航定位精度的一个重要因素。针对北斗卫星导航系统三频观测数据,分析其不同线性组合观测值的特性,选取合适的组合系数,形成一个伪距相位组合和两个无几何相位组合,采用历元间差分的方法探测和修复组合观测值的周跳,然后还原求解出原始信号的周跳,最后通过实验验证了该方法的可行性。     

北斗三频载波相位组合与相对定位研究

通过分析北斗二代一期三频载波相位观测量间误差的相关性,提出基于解算不定方程求解特定波长和电离层延迟下噪声最优的线性组合系数;分析了不同类型组合观测量的误差特性,鉴于由不同原始载波相位观测量组成的各种线性组合在模糊度解算、电离层延迟修正等方面的优势,选择了三组宽巷组合作为中长基线模糊度解算的推荐方案。在此基础上,利用北斗三频接收机进行了4次40km范围内的静态基线相对定位试验,分析了北斗三频组合观测在中长基线情况下模糊度固定的效率和相对定位的精度。结果表明,推荐的三组宽巷组合方案至多需要5次测量即可准确固定模糊度;在10km范围内采用北斗单频测量的相对定位精度与采用三频组合测量的精度相当;超过20km之后采用北斗多频消电离层组合的相对定位精度明显高于单频测量,最多能够提高71.4%。     

双频双星座地基增强系统精度和完好性算法

针对单频单星座地基增强系统（GBAS）无法满足飞机III类精密进近与着陆导航性能需求的问题，提出了将北斗导航卫星系统（BDS）与全球定位系统（GPS）进行融合，构建一种新型的基于GPS/BDS的双频双星座GBAS。首先，分析了GBAS的工作原理，并对Hatch滤波器的误差进行了分析，给出了一种适用于双频GBAS的无码载偏离载波相位平滑伪距算法；然后，对机载完好性算法进行了研究，给出了H0和H1假设下的机载保护级计算方法；最后，进行了系统验证实验，实验结果表明，单星座GBAS不能满足飞机III类精密进近与着陆导航的性能需求，GPS和BDS融合后可见卫星个数得到提升，优化了卫星几何分布，进而使得系统的可用性由80.6081%提升到大于99.9999%。     

GNSS最优载波相位平滑伪距研究

平滑常数是影响载波相位平滑伪距精度的关键参数,实际数据处理时主要依据经验设定平滑常数。这种主观设定过程缺乏理论依据,无法达到最优平滑效果。针对此问题,以适用于实时GNSS载波相位平滑伪距的经典Hatch递推滤波算法为基础,在连续时间域上分析了载波相位平滑伪距误差的主要构成,给出了总误差估算公式,分析了平滑常数对平滑精度的影响传导机制。进一步,采用令平滑总误差最小为目标的极值法推导给出了最优载波相位平滑常数的计算公式,给出了最优载波相位平滑伪距的完整处理步骤。最优平滑常数算法在数学意义上最优,大幅压缩了伪距测量误差,又不会引入过大的电离层发散误差。通过两个实际算例,证明了算法有效性。     

导航星座的自主导航技术--卫星自主时间同步

基于星载原子时钟频率稳定性的Allan方差表达,建立系统状态方程,并以星间双向测量伪距差作为基本观测量,组成系统测量方程,从而可以设计适用于导航星座卫星时间同步的Kalman滤波算法。系统仿真结果表明：通过对星间双向测量数据的滤波处理,能够实现星座卫星时间精密同步。     

载波相位平滑伪距在GPS/SINS紧组合导航系统中的应用

针对GPS/SINS紧组合导航系统中伪距噪声大从而引起组合导航系统精度低的问题,提出了将载波相位平滑伪距方法引入到组合导航系统中,利用具有较高精度的载波相位对低精度伪距进行平滑滤波,在建立观测方程的同时,为了减小Kalman滤波器计算量,选用最佳4颗卫星的伪距与伪距率作为观测值,并提出了一种四面体选星法,该方法不需要进行矩阵求逆运算,减小了运算量。利用光纤陀螺捷联惯导系统与GPS接收机搭建了实验验证系统,通过车载实验对所提出的方法进行了验证,实验结果表明,经过载波相位平滑后的伪距噪声得到了降低,从而能够进一步提高GPS/SINS组合导航系统的定位精度,其位置误差均方根值相比无载波相位平滑减小近40%。     

基于惯性辅助的GPS相对定位算法

针对GPS信号易受干扰遮挡以及利用载波相位差分进行相对定位时整周模糊度浮点解精度差、搜索空间大的不足,提出INS辅助的GPS相对定位算法.首先采用INS/GPS深组合方式,实现伪距、伪距率的滤波平滑;然后利用校正后的惯性信息、伪距、载波相位集中滤波得到高精度的浮点解和协方差阵;最后利用LAMBDA算法得到模糊度固定解和相对位置信息.文中使用GPS实测数据和仿真惯导数据进行相对定位试验,结果表明在GPS信号受到短时遮挡时,有惯性辅助和没有惯性辅助相比,东北天3个方向的平均误差分别下降66.45％、82.32％、85.66％;且该算法可改善模糊度指标,压缩整周模糊度搜索空间,提升整周模糊度求解效率.     

利用卡尔曼滤波器将伪距和载波连续相位相结合的GPS导航

GPS伪距信息加载波相位测量值辅助的想法由来已久。这两种互补形式数据相结合可实现高精密定位,而高频误差很小,特别有利于高动态场合应用。本文给出了两种基于卡尔曼滤波的方法,能有效地将GPS伪距和载波测量值结合起来。其中一种是两种测量值的常用组合方式,这里载体的运动描写成随机过程。另一种,则由连续载波相位测量值给出一条精确反映动态的基准轨迹,与惯性系统的方式非常相似,再借助卡尔曼滤波器利用伪距数据来更新这一基准轨迹。这种综合法看起来特别有吸引力,因其动态响应好,同时又可保留伪距数据滤波的好处。     

基于北斗卫星导航系统的空间站姿态测量可行性分析

为了探索北斗全球卫星导航系统应用于中国空间站姿态测量的技术可行性,调研了中国未来空间站运营时北斗全球系统导航星座情况,给出了北斗系统对空间站的服务能力;基于载波相位高精度测量原理,对载人空间站利用北斗全球系统完成姿态测量所需的技术条件进行了分析,首次提出了在空间站三舱分别配置北斗天线,使用基于北斗导航信号载波相位的高精度测量算法进行组合体姿态测量的技术思路,初步给出并分析了相应的设备配置和工作方案,并对其在轨运行时的姿态角测量精度进行了仿真分析。在配置三天线组成两条10 m量级基线条件下,仿真的姿态角测量均方根误差约为0.05°。在具备相应信息处理和通信能力的条件下,利用北斗全球系统接收机可以完成空间站姿态测量功能,具有技术可行性。     

多系统混频非差非组合精密单点定位方法研究

多系统多频精密单点定位(PPP)因具有增加观测冗余信息、提高系统性能可靠性和提升导航性能指标等优势而被广泛研究.非差非组合PPP模型直接使用原始伪距和载波相位观测值,不做任何线性组合,适合多系统多频率的PPP数据解算.目前,各个系统虽已提供3个或更多频率,但除北斗系统外,其余系统无法保证全星座都提供三频信号,使得多系统多频PPP的性能分析多采用多系统双频或单系统三频模型,没有充分利用多系统多频的观测信息.因此,采用多系统混频模型进行非差非组合PPP,该模型的具体表述为北斗三频+GPS双频+GLONASS双频PPP模型,充分利用可用的观测信息,提升了冗余度.利用CUT0、JFNG、NNOR、SIN1这4个测站的观测数据以及MGEX的精密轨道和钟差产品进行仿真实验,实验结果表明,多系统混频非差非组合PPP相较多系统双频非差非组合PPP的平均静态解RMS在东向提高了9.6％,北向相当,天向提高了11％;平均动态解RMS在东向提高了7.3％,北向相当,天向提高了5.7％.     

基于自适应扩展卡尔曼滤波的载波跟踪算法

精确的载波相位测量是精密测距中一个很重要的研究点。针对传统扩展卡尔曼滤波(EKF)的固定设计在先验信息不充分和动态变化环境中存在的不足,提出了一种基于自适应扩展卡尔曼滤波(AEKF)的载波跟踪算法。该算法通过实时监测滤波器新息或残差的动态变化,以修正状态噪声方差和观测噪声方差,进而调整滤波器增益,控制状态预测值和观测值在滤波结果中的权重。理论分析和仿真结果表明,本算法充分利用了观测信号的统计特性,克服了传统扩展卡尔曼滤波算法的不足,能够获得更好的载波跟踪性能。     

基于极大似然估计器的GNSS矢量跟踪算法

矢量跟踪是一种将全球导航卫星系统(GNSS)接收机的信号跟踪与导航解算融为一体的跟踪算法。传统的基于矢量延迟/频率锁定环(VDFLL)的跟踪算法普遍采用延迟锁定环(DLL)和锁频环(FLL)鉴别器计算伪距和伪距率偏差观测量,由于锁频环鉴别器存在近似误差和一步延迟效应,在高动态环境下容易造成环路失锁。从直接估计卫星信号特征参数的角度出发,基于中频信号模型构建码相位和载波多普勒的极大似然代价函数,采用非迭代估计算法得到各通道码相位和多普勒频移的估计偏差,转换为卡尔曼滤波器的观测矢量,提出一种基于极大似然估计器(MLE)的矢量跟踪算法。理论分析和仿真结果表明:新算法结合了极大似然估计和矢量跟踪的优点,克服了FLL的延迟效应,与基于VDFLL的矢量环路相比,高动态环境下的跟踪稳定性更好,可以对被遮挡的卫星保持持续的跟踪。     

GPS 双基线载体姿态测量研究

研究了采用双基线方案测量载体的姿态,利用GPS双差相位测量基线矢量,双差伪距观测值辅助解相位整周模糊,双频时引入空间变换缩小置信空间搜索次数,通过实例分析得出了正确解算相位模糊与观测次数、伪距测量精度的关系,并利用误差传播定律对姿态测量精度进行分析,结合卫星星历数据计算表明,在卫星运行周期内航向角和俯仰角平均测量精度在一定条件下优于2mrad.     

基于B1c/B2a/B3I北斗三频实时高采样率动态PPP分析

为了分析北斗三号新信号的三频实时动态PPP定位性能,首先推导了三频两两组合无电离层模型和三频非差非组合模型的观测方程。基于山东建筑大学CORS站观测得到的北斗三号B1c/B2a/B3I三频信号1s采样率数据,使用iGMAS提供的超快速精密星历预报部分,制定了基于B1cB3I-B2aB3I三频无电离层两两组合、B1cB2aB3I三频非差非组合以及用于对比分析的B1cB2a、B1IB3I两种双频无电离层共四种定位方案。然后利用Net_Diff软件进行实时动态PPP实验,对超快速精密轨道和钟差预报部分的精度和稳定度以及实验解算结果进行分析,对比不同定位方案的定位性能。实验分析表明,两种三频定位方案定位性能均优于B1cB2a双频定位方案,定位精度能达到0.462m和0.479m,收敛至分米所需时间能达到45.8min和62.8min;B1IB3I方案定位性能优于两种三频定位方案,定位精度和收敛速度能达到0.228m和6.6min。     

基于B1c/B2a/B3I北斗三频实时 高采样率动态PPP分析

为了分析北斗三号新信号的三频实时动态PPP定位性能，首先推导了三频两两组合无电离层模型和三频非差非组合模型的观测方程。基于山东建筑大学CORS站观测得到的北斗三号B1c/B2a/B3I三频信号1s采样率数据，使用iGMAS提供的超快速精密星历预报部分，制定了基于B1cB3I-B2aB3I三频无电离层两两组合、B1cB2aB3I三频非差非组合以及用于对比分析的B1cB2a、B1IB3I两种双频无电离层共四种定位方案。然后利用Net_Diff软件进行实时动态PPP实验，对超快速精密轨道和钟差预报部分的精度和稳定度以及实验解算结果进行分析，对比不同定位方案的定位性能。实验分析表明，两种三频定位方案定位性能均优于B1cB2a双频定位方案，定位精度能达到0.462m和0.479m，收敛至分米所需时间能达到45.8min和62.8min；B1IB3I方案定位性能优于两种三频定位方案，定位精度和收敛速度能达到0.228m和6.6min。     

GPS多径信号的自适应滤波估计方法

 研究全球定位系统(GPS)多径信号估计的问题。通过分析自适应滤波器的原理,建立了数字中频信号处理的数学模型,提出一种用自适应滤波实现GPS多径幅度、码相位和载波相位估计的方法。该方法采用不同延迟的伪随机序列对信号进行解扩、解调和累加,得到了作为期望信号的系列自适应滤波相关值。对该方法与其他3种方法进行了理论上的分析比较,得出本方法具有信噪比高、自适应滤波性能好、带有码相位信息和不存在载波模糊度问题等优点。根据各种滤波器算法的特点和本应用的需求,给出了选用递归最小二乘算法实现的方法。通过计算机仿真,验证了提出的方法能够在14 dB的信噪比下,以1个采样间隔的时间延迟分辨率和0.005周的载波相位估计精度估计出GPS L1的多径信号。     

空空导弹SINS飞行中对准技术

针对空空导弹捷联惯导系统传递对准的精度和快速性之间的矛盾,设计一种利用弹载北斗卫星导航信息的捷联惯导系统飞行中对准算法,详细推导了惯性系下基于北斗卫星伪距/伪距率的飞行中对准模型,优化了飞行中对准的量测方程,对北斗卫星接收机的钟差和钟漂进行了降维处理.相应的数学仿真试验结果表明,所提算法能够在飞行过程中实现捷联惯导系统的初始对准,在10s内对准精度优于6',同时该算法通过在线标定惯性传感器随机启动误差,能够提高捷联惯导系统导航精度和导弹系统抗干扰能力.     

基于融合处理多系统接收机钟差的伪距单点定位算法研究

多模导航定位较高的定位条件(需可见卫星总数大于5颗)限制了其在城市等卫星遮挡较严重的地区充分发挥多系统的优势。基于Kalman滤波,提出一种将多系统接收机钟差融合为一个系统接收机钟差的多模伪距单点定位数据处理算法,解决了多模导航定位在可见卫星数少于6颗大于3颗时无法定位的情况。分析了GPS、北斗和GLONASS三系统一天的观测数据,结果表明,多系统接收机钟差融合后只需可见卫星总数大于3颗即可进行多模伪距单点定位。     

一种鲁棒GNSS矢量跟踪环

复杂环境下导航接收机的连续可用性一直是卫星导航领域的研究重点。针对矢量跟踪环动态适应性不够和误差在通道间传播的问题,提出一种鲁棒全球导航卫星系统(GNSS)矢量跟踪环。基于各通道的伪距、伪距率和伪距加速度状态量构建扩展卡尔曼滤波器(EKF),通过灵活设置过程噪声方差阵,实现跟踪通道的耦合与解耦;采用基于极大似然估计器(MLE)的鉴别器生成码延迟和载波频率偏差观测量;利用滤波值修正并预测伪距率来控制本地数控振荡器(NCO),实现环路的闭合。仿真结果表明,本文设计的矢量跟踪环在保证环路相互辅助的基础上,避免了衰减通道误差在通道间的传播,可以对被遮挡信号保持稳定跟踪,鲁棒性优于传统矢量延迟频率锁定环。