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原子钟辅助GPS用于CGTR-OTE移动定位技术研究

作　者: 杨川
导　师: 王永生
学　校: 西北工业大学
专　业: 电路与系统
关键词: Galileo系统 GPS 原子钟 CGTR OTE 组合导航
分类号: P228.4
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章绪论  8-18
  1.1 GALILEO系统  8-12
    1.Galileo计划概述  8-9
    2.Galileo计划的实施  9-10
    3.中国参与Galileo计划的情况  10-12
  1.2 GATE和CGTR  12-15
    1.GATE简介  12-13
    2.CGTR简介  13-15
  1.3 研究成果和论文内容  15-18
第二章时钟偏移误差与位置误差之间的关系  18-29
  2.1 相关系数的分析  18-25
  2.2 几何位置和相关系数  25-29
    1.静态试验描述  25-26
    2.结果分析  26-29
第三章铷钟的特性  29-45
  3.1 振荡器模型  29-30
  3.2 时域测量  30-31
    1.真实变化量  30-31
    2.阿伦变量  31
  3.3 GPS时间标准  31-33
  3.4 利用外部铷钟的GPS接收机  33-43
  3.5 使用事后信息评估铷钟  43-45
第四章铷钟辅助GPS  45-61
  4.1 用于单模GPS的铷钟模型  45-48
  4.2 用于差分GPS(DGPS)的铷钟模型  48-54
    1.差分GPS(DGPS)过程  48-49
    2.用户站时钟偏差估计  49-52
    3.对基准站时钟的考虑  52-54
  4.3 铷钟辅助GPS的导航算法设计  54-61
    1.铷钟增强的GPS  54-57
    2.单点定位解算举例  57-59
    3.DGPS结果举例  59-61
第五章铷钟辅助GPS/气压计/罗经组合导航系统  61-80
  5.1 系统硬件简介  61-62
  5.2 系统算法设计  62-63
  5.3 气压计卡尔曼滤波器设计  63-70
    1.气压计高度  63-64
    2.气压计高度误差  64-65
    3.GPS高度误差  65-66
    4.高度模型的估计参数  66-67
    5.高度估计模型  67-68
    6.气压计的卡尔曼滤波器模型  68-70
  5.4 罗经的卡尔曼滤波器  70-74
    1.罗经指向  70
    2.罗经指向误差  70-71
    3.GPS指向误差  71-72
    4.指向误差模型的参数估计  72-73
    5.罗经的卡尔曼滤波器模型  73-74
  5.5 主卡尔曼滤波器设计  74-78
  5.6 软件设计  78-80
第六章试验结果及分析  80-97
  6.1 试验描述  80-82
  6.2 铷钟辅助GPS  82-88
    1.利用广播信息的标准单点定位模式  82-85
    2.利用事后信息的标准单点定位模式  85-86
    3.差分定位模式  86-88
  6.3 铷钟辅助GPS/气压计组合  88-97
第七章结束语  97-99
参考文献  99-105
附录作者在博士生期间的研究成果  105-106
  1.作者在博士生期间完成的论文和著作  105
  2.作者在博士生期间参加的科研工作  105-106
致谢  106-107

原子钟辅助GPS用于CGTR-OTE移动定位技术研究

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