伪卫星组网定位技术研究

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是一种空间无线电定位系统。在地球上的任何时间、任何地点和任何天气下,只要接收机能接收到良好的GNSS卫星信号,就能确定它自身的准确位置。但是当卫星信号受到建筑物、树木、墙和地形的遮挡,或者是在城市内的“高楼峡谷”、隧道、室内或者较深的开挖矿区等地区其导航卫星信号几乎完全消失的情况下,接收机无法实现定位功能,这就一定程度上限制了卫星导航技术的应用范围,这个问题可以由一种新型的定位导航技术——伪卫星技术来解决。 伪卫星具有抗干扰能力强、灵活组网和经济性好等特点,利用伪卫星技术可有效增强卫星导航系统,增加可见卫星的数目,改善其观测星座的定位图形结构,从而提高卫星导航系统的精确度、完好性和可靠性。同时伪卫星独立组网定位提供了在GNSS无法正常工作区域的导航定位服务,扩大GNSS应用覆盖范围,因此伪卫星技术具有十分重要的应用价值。 受2009年上海航天技术研究院科研基金的资助,开展了基于伪卫星技术的高精度导航定位系统的研究。在课题研究内容的基础上,本文深入研究了伪卫星组网定位技术,并分析了伪卫星在实际应用时的关键问题,建立了室内载波定位差分定位模型,使伪卫星独立定位系统能够实现高精度的导航定位要求。本文的主要研究内容和结果体现在五个方面: (1)研究了伪卫星信号设计中遇到的关键问题,分析了伪卫星的信号结构和信号功率。为了能使普通商用GPS接收机正确接收伪卫星信号并输出观测值,研究了伪卫星的导航电文构成与改进,实现了其设计方案。同时设计了一款实用的伪卫星发射器,分析了该发射器的整体架构,针对重要的模块进行方案设计,完成了从信号的产生到通过天线发射的一系列研究工作。 (2)分析研究了伪卫星系统中线性化误差的问题。与GPS系统一样,伪卫星定位系统观测模型是非线性的,线性化对于大部分定位算法是一个必不可少的过程。由于伪卫星距离用户较近,在某些情况下模型线性化时的产生的误差不能被忽略。本文基于微分几何原理,分析在不同环境下了由于线性化误差对伪卫星定位结果的影响,精确给出了线性化误差的边界值。提出了判别线性化误差对定位精度影响简化方法。然后本文研究了线性化误差对常用的非线性最小二乘算法与扩展卡尔曼滤波算法的影响,并在考虑到泰勒级数展开时的二阶项影响的基础上,提出了一种改进的EKF算法,最后通过仿真进了验证。 (3)由于伪卫星在系统构成、信号及布设地点上都有其与GPS不同的特性,使我们在伪卫星组网定位的过程遇到的问题与GPS有所不同。本文中依次对伪卫星组网定位中的时钟同步、远近效应、多路径效应和精度因子等关键技术进行分析和研究,并根据具体的应用环境或者要求,给出了相应的解决方法。 (4)结合伪卫星独立定位系统的技术需求,研究了双差载波相位定位算法,提出了在伪卫星系统中利用在航解算整周模糊的方法,并设计其中关键的浮点解滤波器,通过仿真验证其有效性。 (5)对伪卫星组网配置方案进行了研究和设计,研究了伪卫星天线相位中心的反向标定技术,提出了基于室内定位的伪卫星组网应用设计方案,开发了相应的主控站控制软件。