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GPS-Galileo组合导航卫星系统研究

作　者: 邵炳军
导　师: 徐波
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: GPS Galileo 组合导航数学模型性能分析选星算法导航解算算法 RAIM
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)己经成为全球发展最快的信息产业之一。因为可以在全球性、全天候、连续性和实时性的特点下提供定位、导航和授时服务,导航卫星系统在民用和军事应用方面都发挥了重要作用。目前世界上存在两个全球导航卫星系统:GPS和GLONASS,正在建设的有欧洲Galileo系统。其中GLONASS由于俄罗斯全球战略的变化及经济问题,当前处于恢复阶段,只有20颗在轨卫星,无法提供全球导航定位服务。由于各GNSS单系统的卫星星座规模有限,提供导航定位服务的精确性、可用性、连续性、可靠性以及完好性无法得到保障,因此产生了很多导航卫星系统的辅助导航方法,如惯导辅助、气压高度计辅助和静止轨道卫星(GEO)辅助等方法。但上述方法都需要在用户端附加惯导、气压高度计等辅助设备,因此增加了用户接收机的成本和体积,且相应的融合算法复杂。同时,近年来随着各个全球导航卫星系统的发展和兴建,多种导航卫星系统的组合使用逐渐成为卫星导航领域的一个研究热点。因此,本文提出由GPS和Galileo构成GPS-Galileo组合导航卫星系统的设计思想。重点研究了GPS-Galileo组合导航卫星系统的以下几个方面:第一,GPS-Galileo组合导航卫星系统的观测量及其测量误差分析和观测数学模型推导。研究分析了GPS-Galileo组合导航卫星系统的码伪距和载波相位伪距观测量以及观测量的测量误差;审查、测试、评估和执行GNSS单系统的观测数学模型,在此基础上推导出GPS-Galileo组合导航卫星系统的观测数学模型。第二,GPS-Galileo组合导航卫星系统的性能分析。GPS-Galileo组合导航卫星系统使用时,可以利用其星座结构变化大、可见卫星数增多、可获得两个或多个频率的导航信号等优点。因此需要分析组合系统的精确性、可用性、连续性和可靠性给导航定位服务带来的影响,以及与单系统相比的性能优势。第三,GPS-Galileo组合导航卫星系统的导航解算算法研究。为了提高导航卫星系统的定位精度,在研究传统卫星导航解算的最小二乘算法、加权最小二乘算法和卡尔曼滤波算法的理论基础上,利用GPS和Galileo组合使用的特点,提出了适用于组合系统的改进选星算法和改进导航解算算法,并通过仿真给出了改进选星算法的改善情况。第四,GPS-Galileo组合导航卫星系统的多故障完好性算法研究。由于两系统的组合使用,使组合星座可提供的冗余观测量增多。本文在研究多频多模组合导航软件接收机自主完好性监测(RAIM)算法的前提下,分析各传统RAIM算法,提出了GPS-Galileo组合导航卫星系统的多故障完好性监测方法,仿真给出了组合系统完好性故障检测可用性分析的结果。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-29
  1.1 引言  13-15
  1.2 研究现状分析  15-27
    1.2.1 GPS  15-18
    1.2.2 Galileo  18-23
    1.2.3 GPS 和Galileo 组合使用的优势  23-25
    1.2.4 导航解算算法与RAIM 算法研究  25-27
  1.3 课题来源与研究的目的与意义  27
  1.4 学位论文的主要研究内容  27-28
  1.5 论文的组成结构  28-29
第二章 GPS-Galileo 组合导航卫星系统  29-41
  2.1 引言  29
  2.2 系统间异同点分析  29-31
    2.2.1 GPS 和Galileo 的相同点  30-31
    2.2.2 GPS 和Galileo 的不同点  31
  2.3 GPS 与Galileo 的兼容性和互操作性  31-34
    2.3.1 空间信号  31-32
    2.3.2 坐标系统  32
    2.3.3 时间系统  32-33
    2.3.4 干扰分析  33-34
  2.4 GPS-Galileo 组合导航卫星系统星座与信号  34-37
  2.5 多频多模GPS-Galileo 组合导航软件接收机工作原理  37-40
  2.6 本章小结  40-41
第三章 GPS-Galileo 组合导航卫星系统观测量与数学模型  41-55
  3.1 引言  41
  3.2 观测量  41-44
    3.2.1 码伪距观测量  41-42
    3.2.2 载波相位伪距观测量  42-44
  3.3 测量误差  44-51
    3.3.1 基于卫星的误差  44-46
    3.3.2 信号传播误差  46-49
    3.3.3 基于接收机的误差  49-50
    3.3.4 GPS-Galileo 时间系统差异引起的误差  50
    3.3.5 GPS-Galileo 坐标系统差异引起的误差  50-51
  3.4 GNSS 观测数学模型  51-54
    3.4.1 GNSS 测量模型  51-52
    3.4.2 GNSS 随机模型  52-53
    3.4.3 GPS-Galileo 组合系统观测数学模型  53-54
  3.5 本章小结  54-55
第四章 GPS-Galileo 组合导航卫星系统性能分析  55-70
  4.1 引言  55
  4.2 卫星位置仿真计算  55-59
  4.3 性能参数概述  59-63
  4.4 性能参数仿真分析  63-69
  4.5 本章小结  69-70
第五章 GPS-Galileo 组合导航卫星系统导航解算算法研究  70-84
  5.1 引言  70
  5.2 选星算法  70-79
    5.2.1 传统的最小GDOP 选星算法  71-73
    5.2.2 改进的WGDOP 最优选星算法  73-77
    5.2.3 WGDOP 最优选星算法与最小GDOP 选星算法性能仿真比较  77-79
  5.3 用户位置解算算法  79-83
    5.3.1 最小二乘算法  79-80
    5.3.2 卡尔曼滤波算法  80-83
  5.4 本章小结  83-84
第六章 GPS-Galileo 组合导航卫星系统多故障RAIM 算法研究  84-106
  6.1 引言  84-85
  6.2 GNSS 完好性检测  85-87
    6.2.1 GNSS 导航性能需求  85-86
    6.2.2 GNSS 故障模型  86-87
  6.3 传统 RAIM 算法  87-90
    6.3.1 最小二乘残差法  88-89
    6.3.2 奇偶空间法  89
    6.3.3 距离比较法  89-90
    6.3.4 解的最大间隔法  90
  6.4 组合系统多故障RAIM 算法  90-105
    6.4.1 多故障RAIM 算法  91-97
    6.4.2 RAIM 算法可用性  97-102
    6.4.3 RAIM 故障检测可用性仿真分析  102-105
  6.5 本章小结  105-106
第七章总结和展望  106-109
  7.1 课题总结  106-107
  7.2 后期工作展望  107-109
参考文献  109-114
致谢  114-115
在学期间的研究成果及发表的学术论文  115-116
附录  116

GPS-Galileo组合导航卫星系统研究

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