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辅助型GPS定位系统关键技术研究

作　者: 宋成
导　师: 庄钊文；王飞雪
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: GPS A-GPS定位系统微弱卫星信号伪码相位载波频偏不确定度捕获平均捕获时间差分检波定位算法模糊度定位精度因子
分类号: P228.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 900次
引　用: 3次
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内容摘要

随着基于位置服务需求的日益增长,特别在城市、室内等微弱卫星信号环境中应用需求的扩展,一种更高性能卫星定位技术――辅助型GPS(A-GPS: Assisted-GPS)定位技术成为了导航领域研究的热点。A-GPS定位技术保留了传统GPS定位技术的大范围、全天候、连续、高精度的特点,而且与无线通信网络相结合,兼容了无线通信网络中各种优势,并将应用领域拓展到了传统GPS定位技术无法涉及的微弱信号环境中。论文从实际应用需求出发,考虑A-GPS接收机能够获取辅助信息(如接收机概略位置、卫星星历、星钟修正参数等)的特点,深入研究了制约A-GPS定位系统性能提升的一些关键技术,包括伪码相位及其不确定度估计、载波频偏及其不确定度估计、GPS接收机捕获算法、微弱信号环境下A-GPS定位算法等。伪码相位及载波频偏不确定度是制约微弱信号环境下信号捕获性能的重要因素。受历书数据有效龄期影响,建立在历书数据推算基础上的传统方法只能粗略给出伪码相位和载波频偏不确定范围。本文全面分析了影响伪码相位和载波频偏的因素,针对A-GPS接收机能从辅助数据中获取有效星历的特点,提出了基于泰勒级数展开的伪码相位和载波频偏不确定度估计方法。实验及仿真结果表明,当接收机概略位置误差为100km时,充分压缩捕获信号搜索空间后,其搜索单元数目与未压缩搜索空间时相比缩小了25倍,有效的减少了信号捕获时间。捕获算法设计是接收机中的一个重要环节,其优化目标是在保证性能的前提下尽可能减少平均捕获时间。论文分析了基于平方律检波的FFT频域相关捕获模型,建立了以平均捕获时间最小为准则的优化目标函数,对虚警概率给定与未给定两种情况下捕获系统参数进行了优化设计。首次解析推导了载波频偏下基于降采样实差分检波和标准实差分检波的捕获算法统计性能公式,以平均捕获时间最小为准则分析了检波器性能;经比较表明,标准实差分检波器和平方律检波器性能均优于降采样实差分检波器;而标准实差分检波器在频率不确定度较小时性能略优于平方律检波器。当接收卫星信号极为微弱时,接收机仅能测量其伪码相位,而无法获取完整伪距。论文针对全部或部分接收信号极为微弱的情况,分别提出了基于伪码相位测量的A-GPS定位算法和基于伪码相位/伪距组合的A-GPS定位算法,突破了典型算法(Lambda定位算法)要求用户初始位置误差在150km以内的限制,仿真结果表明,提出的A-GPS定位算法解算的位置精度与传统GPS定位算法(能获取四颗以上观测卫星伪距值)相当。本文的研究成果可直接应用或借鉴到我国的北斗卫星导航系统中。

全文目录

摘要  13-15
ABSTRACT  15-17
第一章绪论  17-39
  1.1 研究背景与意义  17-19
  1.2 A-GPS 定位系统  19-29
    1.2.1 A-GPS 定位技术发展概述  19-21
    1.2.2 辅助信息的必要性  21-22
    1.2.3 A-GPS 系统结构  22-24
    1.2.4 A-GPS 接收机  24-28
    1.2.5 A-GPS 接收机与传统GPS 接收机的比较  28-29
  1.3 研究现状综述  29-35
    1.3.1 伪码相位及载波频偏不确定度估计方法  29-31
    1.3.2 GPS 接收机捕获算法研究  31-33
    1.3.3 微弱信号环境下A-GPS 定位算法  33-35
  1.4 研究主体与内容安排  35-39
第二章伪码相位及其不确定度估计方法  39-58
  2.1 引言  39-43
    2.1.1 卫星信号二维搜索空间  39-41
    2.1.2 伪码相位与信号发射时刻的关系  41-42
    2.1.3 信号发射时刻方程  42-43
  2.2 CPE-I 算法原理与性能分析  43-52
    2.2.1 信号发射时刻及其不确定度估计方程  43-45
    2.2.2 初值及其误差的选取  45-48
    2.2.3 估计算法流程  48-49
    2.2.4 仿真及实验结果分析  49-52
  2.3 CPE-II 算法原理与性能分析  52-57
    2.3.1 估计算法原理  52-54
    2.3.2 初值及其误差的选取  54
    2.3.3 仿真及实验结果分析  54-57
  2.4 本章小结  57-58
第三章载波频偏及其不确定度估计方法  58-79
  3.1 载波频偏建模  58-64
    3.1.1 星地相对运动对载波频偏的影响  58-59
    3.1.2 接收机频标漂移对载波频偏的影响  59-62
    3.1.3 卫星钟差变化率对载波频偏的影响  62
    3.1.4 相对论效应对载波频偏的影响  62-63
    3.1.5 对流层和电离层延时变化率对载波频偏的影响  63
    3.1.6 接收信号载波频偏方程  63-64
  3.2 CFSE-I 算法原理与性能分析  64-71
    3.2.1 载波频偏及其不确定度估计方程  64-66
    3.2.2 初值及其误差的选取  66-67
    3.2.3 估计算法流程  67
    3.2.4 仿真及实验结果分析  67-70
    3.2.5 实际应用探讨  70-71
  3.3 CFSE-II 算法原理与性能分析  71-76
    3.3.1 估计算法原理  71-73
    3.3.2 仿真及实验结果分析  73-76
  3.4 伪码相位和载波频偏不确定度估计对捕获性能的影响  76-77
  3.5 本章小结  77-79
第四章 GPS 接收机捕获算法研究  79-101
  4.1 引言  79-80
  4.2 GPS 捕获算法优化设计  80-89
    4.2.1 理论分析  80-84
    4.2.2 优化设计  84-89
  4.3 基于实差分检波的GPS 捕获算法研究  89-99
    4.3.1 降采样实差分检波性能分析  89-94
    4.3.2 标准实差分检波性能分析  94-97
    4.3.3 仿真及实验结果分析  97-99
  4.4 本章小结  99-101
第五章微弱信号环境下A-GPS 定位算法  101-130
  5.1 引言  101-102
  5.2 基于伪码相位测量的A-GPS 定位算法研究  102-114
    5.2.1 定位算法原理描述  102-106
    5.2.2 测量误差分析  106-107
    5.2.3 定位算法流程  107-109
    5.2.4 遍历次数分析  109-110
    5.2.5 与Lambda 定位算法比较  110-112
    5.2.6 仿真及实验结果分析  112-114
  5.3 基于伪码相位/伪距组合的A-GPS 定位算法研究  114-120
    5.3.1 定位算法原理描述  115-117
    5.3.2 遍历次数分析  117-118
    5.3.3 仿真及实验结果分析  118-120
  5.4 定位精度因子分析  120-129
    5.4.1 DOP 因子的定义  121-126
    5.4.2 DOP 因子的坐标变换特性  126-128
    5.4.3 卫星数目对GDOP 的影响  128-129
  5.5 本章小结  129-130
第六章结束语  130-134
  6.1 全文总结  130-132
  6.2 下一步工作展望  132-134
致谢  134-135
参考文献  135-145
作者在学期间取得的学术成果  145-146
附录A 伪距测量误差修正  146-150
附录B CPE-I 算法中拉格朗日余项  150-151
附录C CFSE-I 算法中非线性方程的偏导数求解  151-153
附录D 卫星的位置、速度和加速度计算  153-156

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