伪卫星网络定位算法研究

作     者：刘源 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓平

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：伪卫星定位 布局优化 遗传算法 扩展卡尔曼滤波 无迹卡尔曼滤波 

摘      要：北斗卫星导航系统（BDS）是我国研制的全天候的区域卫星导航系统。北斗系统和其他类似的GNSS不论是在陆地、海洋还是在天空中都已经是获取定位导航信息的最佳途径,而且发挥着越来越重要的作用。然而,由于BDS/GNSS信号本身的限制和人们对位置信息越来越多样化的需求,其在室内定位、山谷、隧道等信号被遮挡的区域便无法满足定位需求。伪卫星系统,作为一个GNSS的增强系统便可以解决这个问题,不仅可以提供额外的类GNSS信号,还可以在完全没有GNSS信号的区域进行独立组网定位。而且,伪卫星的加入使得利用载波相位测量量进行精密定位成为了可能,使系统定位精度可以达到厘米级。为了跟踪并研究国内外在伪卫星领域先进的研究成果,本文的研究内容主要有以下几个方面。首先,本文通过对国内外伪卫星技术研究现状的总结,并结合对北斗系统的分析,详细阐述了北斗伪卫星系统的工作原理并对设计了其中的信号体制和导航电文。另外还重点分析了北斗伪卫星系统中时间同步、整周模糊度解算、非线性滤波、组网布局等关键技术。其次,分析了伪卫星几何结构对其定位性能的影响,并详细论证了精度因子这一评价其几何结构优劣的指标。从理论上分析了伪卫星对北斗的增强原理,并结合北斗星历数据进行了精度因子的仿真分析。再次,讨论了远近效应、多径效应对伪卫星布局选址的影响,并在考虑这些影响因素的情况下,以精度因子为指标,提出了一种结合惩罚因子的自适应遗传算法在伪卫星布局优化中的应用。结果表明,该方法完全可以完成在多个限制条件下的伪卫星布局优化工作,其中自适应的遗传算法在收敛速度上更具优势。最后,对比分析了定位算法中线性化误差对北斗系统、伪卫星系统的影响。结合对线性化误差来源的分析,分别在北斗系统、北斗伪卫星系统场景下利用扩展卡尔曼滤波、二阶扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波进行了仿真分析,并对比了三者的定位精度。结果表明,在伪卫星距接收机距离较近且伪卫星布局不好的情况下,系统的非线性程度更大,此时,UKF能够提供更好的定位精度。但是当定位星座距离接收机较远时,EKF、EKF-2、UKF拥有近似的定位精度。