一种多卫星导航系统快速选星算法研究与仿真
北斗卫星导航定位系统解算算法的研究
哈尔滨理工大学工程硕士学位论文北斗卫星导航系统定位解算算法研究摘要卫星导航定位技术由于能够为用户提供全天候、高精度、实时的定位、导航和授时服务,现已被广泛的应用于军事和民用领域。
目前,我国北斗一代系统已应用多年并在过去发挥着巨大作用,北斗二代系统还处于发展阶段。
在此背景下,本文针对了该系统的定位解算算法进行了系统的研究和仿真分析。
本文对现有的四大全球导航定位系统的组成、特点、定位原理进行了分析的同时,对各系统运行中使用的时间系统和坐标系统进行了简单的介绍,该标准是为下文算法建模仿真提供了统一标准。
然后本文在推导和分析北斗系统使用的伪距定位方法基础上,同时给出了北斗一代和北斗二代的定位方法的数学模型。
之后本文针对卫星误差的产生的不同来源,分别对各个误差源产生的机理进行了分析并给出了相应的处理方法。
在以上的总结和分析的基础上,本文的最后给出北斗卫星定位解算算法详尽的推导过程,并针对相应算法进行仿真分析。
其中涉及到的算法有最小二乘解算算法和卡尔曼滤波法。
在对算法的推导过程中,本文系统的分析了代表卫星定位精度的精度因子,由分析可知其值越小定位越准确。
基于对精度因子的研究,本文提出了一种基于几何分布的快速选星的方法。
最后使用Matlab仿真工具对算法仿真分析,并证明其可行性。
关键词北斗卫星导航系统;最小二乘法;卡尔曼滤波;选星;GDOP- I -哈尔滨理工大学工程硕士学位论文Research of Positioning Solution Algorithm forCOMPASS Navigation SystemAbstractSatellite navigation and positioning technology is able to provide all-weather, high-precision, real-time positioning, navigation and timing sevices. It has been widely used in military and civilian fields.At present, our own BEIDOU generation system has been application for years and played a significant role in the past .COMPASS system is still in the development stage.In this context,this paper conducts the research to satellite positioning solution algorithm and simulation anlysis to the algorithm.In this paper,it analysis the composition,the charactersitics and the positioning principle of the existing four global navigation.At the same time,this paper introduces the time system and the coordinate system of the system with operation system.The standard provide a unified standard for modeling and simulation.Then this paper has the pseudo-distance positioning priciple to anlysis derivation for the Beidou system. Based on the principle of pseudo-range position principle, this paper has the mathematical derivation to positioning method to Beidou system and COMPASS. According to different sources of the satellite error, this paper analysis the feneration mechanis and povide the corresponding treatment. Based on the summary and anlysis, this paper has detailed derivation and simulation analysis to the algorithms of Beidou satellite posioning solution, including least square and the Kalman fiter.In this process, the paper has detailde the detailed derivation to GDOP. It is proved that the smaller GDOP value and the higher accuacy. Based on the derivation to GDOP, this paper provide the method for rapid satellite selection. And it analysis the result of the simulation and prove its feasibity.Keywords Compass Navigation System, Least Squares, Kalman filter, Satellite Selection, GDOP- II -哈尔滨理工大学工程硕士学位论文目录摘要......................................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................................... II 第1章绪论. (1)1.1 课题研究的背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状及分析 (2)1.3 主要研究内容 (5)第2章卫星导航系统概述 (6)2.1 GPS全球定位系统 (6)2.2 GLONASS全球导航卫星系统 (7)2.3 欧洲的Galileo系统 (7)2.4 中国的北斗系统 (8)2.4.1 北斗一代系统 (8)2.4.2 北斗二代系统 (9)2.4.3 北斗卫星的坐标系统 (10)2.4.4 北斗卫星的时间系统 (10)2.5 本章小结 (11)第3章北斗卫星定位原理及误差分析 (12)3.1 北斗卫星导航原理 (12)3.1.1 伪距的概念 (12)3.1.2 北斗一代的定位原理 (13)3.1.3 北斗二代的定位原理 (13)3.1.4 卫星轨道运动理论 (14)3.2 卫星误差来源及消除技术 (17)3.2.1 与卫星有关的误差 (17)3.2.2 与地面接收设备相关的误差 (19)3.2.3 与信号传播有关的误差 (20)3.3 本章小结 (23)第4章北斗导航卫星定位算法 (24)4.1 基于最小二乘的PVT解算 (24)4.1.1 最小二乘原理 (24)- III -哈尔滨理工大学工程硕士学位论文4.1.2 基于最小二乘的PVT解算 (25)4.2 精度因子的分析及选星方案的提出 (28)4.2.1 几何精度因子的定义 (28)4.2.2 精度因子计算的改进方法 (29)4.2.3 北斗卫星选星方法 (31)4.2.4 选星方法的提出 (33)4.3 卡尔曼滤波在PVT的应用 (35)4.3.1 递归最小二乘法 (35)4.3.2 基本的卡尔曼滤波器 (36)4.4 仿真结果及分析 (39)4.4.1 基于最小二乘的PVT解算仿真 (39)4.4.2 快速选星方法仿真 (42)4.4.3 卡尔曼滤波仿真 (42)4.5 本章小结 (44)结论 (45)参考文献 (46)攻读硕士学位期间发表的学术论文 (50)致谢............................................................................................... 错误!未定义书签。
北斗导航定位解算算法的研究与软件实现
北斗导航定位解算算法的研究与软件实现北斗导航系统是我国重要的空间基础设施,其建设对于维护我国的国家安全、促进我国的经济发展等都具有重大意义。
卫星导航定位最基本的功能就是为用户提供定位服务,相应的导航接收机定位解算模块的研究及其软件实现也一直是卫星导航领域的研究热点。
因此,本文选择对导航接收机中的定位解算模块进行研究,重点研究该模块中的解算算法对定位精度的影响以及该模块的软件实现。
本文首先对北斗导航系统进行了概述,介绍了该系统的构成、各构成模块的功能特点以及与导航定位密切相关的时间系统和坐标系统。
紧接着,论述了伪距定位的基本原理,并设计了完整的伪距定位实现流程。
之后,本文具体介绍了北斗卫星原始数据文件的存储格式,讨论了如何从北斗原始数据文件中解析出相应的轨道参数。
然后,本文详细讲解了如何利用轨道参数计算可见卫星的位置、提取并修正伪距的方法,通过仿真验证了伪距修正方法和卫星位置计算方法的正确性。
在上述研究的基础上,本文讲解了三种常用解算算法的原理,并通过仿真验证了三种算法的性能。
仿真结果表明,卡尔曼滤波算法的定位精度要高于另外两种算法。
之后,本文重点对卡尔曼滤波算法进行了研究,研究了状态初值对该算法的影响以及实际应用中滤波发散现象的产生原因。
通过分析滤波初值对卡尔曼滤波结果的作用,发现滤波初值越精确,卡尔曼滤波结果更能快速趋于稳定,因此本文提出采用阿尔法贝塔滤波的结果作为卡尔曼滤波的初值;通过讨论滤波发散的产生原因,提出一种抑制滤波发散的算法,即在多历元连续定位情况下,当检测发现某一时刻的扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)结果远远大于最小二乘法的定位误差时,系统认为出现了滤波发散,此时舍弃当前的EKF的滤波结果,采用当前时刻的最小二乘定位结果代替该滤波结果,并重置EKF滤波中的状态协方差矩阵。
仿真结果表明,该方法可以有效抑制EKF滤波中出现的发散问题。
同时,本文基于VS 2012平台和MFC开发框架,设计实现了一个北斗定位解算模块的软件。
关于组合卫星导航系统快速选星方法的研究
关于组合卫星导航系统快速选星方法的研究摘要在科学技术不断创新发展的时代背景下,关于卫星导航领域的研究逐渐向着组合卫星导航系统的快速选星这一方向发生转变。
本文通过对组合卫星导航系统快速选星方法研究现状的分析,从选星数目与选星后GDOP之间的关系和选星数目与卫星导航运算量的关系两个方面入手,对组合卫星导航系统选星问题中的数学关系展开研究,并在此基础上,针对组合卫星导航系统的快速选星方法做出思考。
关键词组合卫星导航系统;选星;遗传算法1 组合卫星导航系统快速选星方法的研究现状从组合卫星导航系统快速选星方法的研究现状来看,美国的全球定位系统(简称GPS)以及俄罗斯的全球导航卫星系统(简称GLONASS)已经逐渐发展成为第二代卫星导航定位系统。
在科学技术不断创新发展的背景下,我国的COMPASS系统以及欧盟的GALILEO系统也在积极的组建中。
在可见星数目不断增加的背景下,由于不同卫星导航系统的组合导航,在定位精准度、运行可靠性以及系统可用性等方面的均比单星座导航优秀的多,所以组合卫星导航系统逐渐成为今后发展的必然趋势。
与此同时,由于可见星数目远远多于单星座,所以组合卫星导航系统的定位解算运算量也大幅度增加,进而对组合卫星导航系统定位的实时性造成较大的影响。
为了更好地满足导航接收机在数据处理器负载以及处理速度等方面的实际需求,还需要对组合卫星导航系统的选星问题进行更深层次的研究。
2 组合卫星导航系统选星问题中的数学关系2.1 选星数目与选星后GDOP之间的关系一般情况下,组合卫星导航系统的定位精准度,可以利用几何精度因子以及用户等效距离误差的乘积进行表示,具体如下:公式中的p代表组合卫星导航系统定位精准度的标准偏差,GDOP则主要代表几个精度因子,UERE主要代表用户等效距离误差的标准误差数值。
从公式(1)中可以看出,GDOP反映了组合卫星导航系统中定位卫星星座的拓扑结构对于用户等效距离误差的标准误差数值的实际放大程度。
GPS北斗定位解算算法的研究
GPS北斗定位解算算法的研究一、本文概述随着全球定位系统的快速发展,GPS和北斗卫星导航系统已成为人们日常生活中不可或缺的定位技术。
它们通过接收来自多个卫星的信号,计算出接收器在地球上的位置,为导航、测量、军事等领域提供了强大的支持。
然而,GPS和北斗定位解算算法的研究,作为定位技术的核心,其复杂性和精度要求使得这一领域的研究具有重要的理论价值和实践意义。
本文旨在深入研究GPS和北斗定位解算算法,分析其原理、特点和优化方法,旨在提高定位精度和效率。
文章首先简要介绍了GPS和北斗卫星导航系统的基本原理和发展现状,然后重点阐述了定位解算算法的基本理论和关键技术,包括信号接收、信号处理、定位解算等过程。
在此基础上,文章对现有的定位解算算法进行了分析和比较,指出了各自的优缺点和适用范围。
为了进一步提高定位精度和效率,文章还探讨了定位解算算法的优化方法。
通过引入先进的信号处理技术和优化算法,对传统的定位解算算法进行了改进和创新。
这些优化方法包括滤波技术、最小二乘法、神经网络等,它们可以有效地提高定位精度、减少定位时间和降低误差。
文章对GPS和北斗定位解算算法的未来发展趋势进行了展望。
随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展,定位解算算法将面临着更多的挑战和机遇。
未来,我们将继续深入研究定位解算算法,推动其在导航、测量、军事等领域的应用和发展。
本文的研究将为GPS和北斗定位解算算法的优化和应用提供理论支持和实践指导,有助于推动我国卫星导航事业的发展和创新。
二、GPS和北斗卫星导航系统概述全球定位系统(GPS)是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统,能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、车行速度及精确的时间信息。
该系统由空间部分——GPS卫星、地面控制部分-地面监控系统、用户部分-GPS 信号接收器三大部分组成。
GPS系统最初是为了军事目的设计的,但现在已经广泛应用于商业和民用领域,包括航空、航海、车辆导航、测量和地理信息系统等。
u-center 使用手册
u-center 使用手册u-center是一种高度人工集成导航解决方案,用于管理和控制全球卫星导航系统(GNSS)接收器。
这个软件是由瑞士的Swiss company u-blox开发的,它被广泛应用于自动驾驶、航空航天、汽车导航、无人机和移动设备等领域。
首先,u-center提供了一个直观易用的用户界面。
它的主要功能包括接收器的配置、实时数据显示、数据记录和导航解决方案的评估。
通过图形化界面,用户可以轻松地进行各种设置和操作。
这使得即使对于没有技术背景的用户来说,也能够快速上手和使用这个软件。
其次,u-center支持多种卫星导航系统,包括GPS、GLONASS、Galileo和BeiDou等。
用户可以选择合适的导航系统来获取位置、速度和时间等信息。
同时,u-center还提供了对导航消息的解码和显示功能,使用户能够实时监控和分析卫星导航数据。
此外,u-center内置了一套强大的调试工具和仿真器。
用户可以模拟不同的接收器配置和环境条件,以便对导航解决方案进行测试和验证。
这个功能对于开发和调试导航应用程序非常有帮助,可以提高应用程序的准确性和性能。
另外,u-center还提供了数据记录和回放功能。
用户可以将接收器的原始数据记录下来,以便离线分析和验证导航算法。
同时,用户还可以通过回放功能重现真实的导航场景,以便进行虚拟测试和性能评估。
在使用过程中,u-center还提供了丰富的帮助文档和培训资料。
用户可以通过在线文档、视频教程和示例代码来学习和使用这个软件。
此外,u-center的开发者社区也提供了大量的技术博客和讨论区,用户可以在这里分享和获取相关的经验和知识。
总结起来,u-center是一款强大的导航解决方案管理软件。
它具有直观易用的用户界面、多样化的导航系统支持以及强大的调试和测试功能。
无论是专业的导航工程师还是普通用户,都可以通过u-center的帮助,更好地管理和控制GNSS接收器,并提高导航解决方案的准确性和性能。
高精度北斗导航定位系统设计与实现
高精度北斗导航定位系统设计与实现导语:随着卫星导航技术的快速发展,全球定位系统(GPS)在生活中的应用越来越广泛。
而作为我国自主研发的全球卫星导航系统,北斗导航系统在提供导航定位服务方面具备独特的优势。
为了满足用户对于高精度定位需求,高精度北斗导航定位系统的设计与实现成为一个重要的研究方向。
本文将介绍高精度北斗导航定位系统的设计原理与实现方法。
一、设计原理高精度北斗导航定位系统主要包括信号接收与处理、数据计算与校正、定位算法与精度优化等模块。
下面将详细介绍这些模块的设计原理。
1. 信号接收与处理高精度北斗导航定位系统首先需要接收卫星发射的导航信号。
一般情况下,系统会选择多颗卫星进行信号接收,以提高定位精度。
接收到的信号需要进行预处理,包括频率同步、码相对齐等操作,以便后续的数据计算与校正。
2. 数据计算与校正接收到的导航信号中包含了多种参数,如卫星位置、钟差等。
系统需要对这些参数进行计算和校正,以获得更精确的定位结果。
数据计算与校正主要涉及导航星历解算、钟差修正等算法,采用高精度的数学模型来提高定位精度。
3. 定位算法与精度优化根据接收到的导航信号和经过计算与校正的参数,系统可以通过定位算法来估计用户的位置。
定位算法有多种,常用的包括最小二乘法(LS)、卡尔曼滤波(KF)等。
为了提高定位精度,系统还可以采用精度优化的方法,如差分定位、多智能体定位等技术。
二、实现方法高精度北斗导航定位系统的实现需要考虑多个方面的因素,包括硬件设备、软件算法以及系统架构等。
下面将介绍高精度北斗导航定位系统的实现方法。
1. 硬件设备高精度北斗导航定位系统的硬件设备包括天线、接收机、信号处理器等。
天线用于接收导航信号,接收机负责信号的放大和处理,信号处理器用于对信号进行解调和解码。
为了提高定位精度,硬件设备要具备高灵敏度和低噪声的特点。
2. 软件算法高精度北斗导航定位系统的软件算法是实现高精度定位的关键。
根据设计原理中提到的信号接收与处理、数据计算与校正、定位算法与精度优化等模块,可以选择合适的算法来实现系统功能。
北斗导航系统定位算法仿真研究的开题报告
北斗导航系统定位算法仿真研究的开题报告一、研究背景与意义:北斗卫星导航系统是我国自主研制的全球卫星导航系统,其在国家经济建设、社会发展、国防安全等方面都具有重要的战略意义。
因此,对于北斗卫星导航系统的定位算法进行研究,不仅对我国卫星导航领域的发展具有重要意义,而且对于推进国家高新技术的发展、提升我国综合国力和国际竞争力都是有益作用的。
本研究从北斗导航系统的整体架构出发,重点研究北斗导航系统的定位算法。
研究旨在通过模拟实验的方式,探索并验证北斗导航系统定位算法的优化方案,为我国卫星导航领域的发展提供理论依据。
二、研究内容:(1)北斗导航系统概述本部分将介绍北斗卫星导航系统的整体架构以及其组成部分的功能,并从理论层面上探讨北斗导航系统的优势及应用范围。
(2)北斗导航系统定位算法本部分将系统地介绍北斗导航系统的定位算法,包括单点定位算法、差分定位算法、动态定位等,同时简要比较和分析不同算法的优劣,选择最优算法进行仿真研究。
(3)北斗导航系统定位算法仿真本部分将利用Matlab/Simulink等工具对所选的北斗导航系统定位算法进行仿真,建立仿真模型,并对模型实施各种场景下的测试和分析。
(4)结果分析和总结本部分将对仿真结果进行分析和总结,并提出对北斗导航系统定位算法的优化方案,为我国卫星导航领域的发展贡献自己的力量。
三、研究方法:本研究将采用文献研究、理论分析和仿真研究相结合的方法,分析和评估北斗导航系统的定位算法,并通过模拟实验探索并验证其优化方案。
四、预期结果:通过本研究的实施,旨在建立北斗导航系统定位算法仿真模型,探索并验证其优化方案,进一步完善北斗导航系统的定位算法,在一定程度上提升北斗卫星导航系统的性能和精度,为我国卫星导航领域的发展做出新的贡献。
面向效能优化的复杂多卫星系统综合建模与仿真方法研究
面向效能优化的复杂多卫星系统综合建模与仿真方法研究一、本文概述随着航天技术的飞速发展,多卫星系统的复杂性日益增加,其效能优化问题已成为航天领域研究的热点。
本文旨在探讨面向效能优化的复杂多卫星系统综合建模与仿真方法,为实际的多卫星系统设计、运行和优化提供理论支持和技术指导。
本文首先介绍了多卫星系统的基本构成和特点,分析了当前多卫星系统建模与仿真研究的现状和发展趋势。
在此基础上,本文提出了一种面向效能优化的复杂多卫星系统综合建模方法,包括系统模型的构建、仿真环境的搭建、仿真数据的处理和分析等方面。
该方法综合考虑了多卫星系统的复杂性、动态性和不确定性,能够有效地模拟多卫星系统的实际运行过程,为效能优化提供有力支持。
本文还深入研究了多卫星系统效能评估的关键技术,包括效能指标体系的构建、效能评估方法的选择和实现等。
通过对多卫星系统效能的全面评估,可以及时发现系统中的瓶颈和问题,为系统的优化和改进提供重要依据。
本文通过实例分析,验证了所提建模与仿真方法的有效性和实用性。
实验结果表明,该方法能够准确地模拟多卫星系统的运行过程,为效能优化提供有力支持,具有重要的理论意义和应用价值。
本文的研究不仅对多卫星系统建模与仿真技术的发展具有重要的推动作用,同时也为航天领域的科技创新和实际应用提供了有力的支撑和保障。
二、多卫星系统概述多卫星系统,也称为卫星星座或卫星编队,是由多个卫星组成的协同工作的空间系统。
这些卫星通常被设计用于执行复杂的空间任务,包括但不限于全球导航定位、地球观测、通信中继、天气预报、气候变化监测以及深空探测等。
多卫星系统的核心优势在于其能够通过多颗卫星的协同工作,实现对地观测、通信覆盖等任务的冗余性和增强性,从而提高系统的可靠性和效能。
在多卫星系统中,卫星之间的协同和调度是至关重要的问题。
由于卫星在空间中的位置和姿态不断变化,因此需要有效的调度算法来确保各个卫星能够按照预定计划执行任务。
多卫星系统还需要考虑能源管理、数据传输、轨道维持等多个方面的问题,以确保整个系统的稳定运行。
一种新的BDS-BSAR多星融合目标监测算法
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀空间电子技术SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2021年第2期一种新的BDS-BSAR多星融合目标监测算法①韩㊀冲,牛新亮,雷博持,万㊀贝,井㊀成(中国空间技术研究院西安分院,西安㊀710000)㊀㊀摘㊀要:近年来,基于卫星导航信号(GNSS)的双基地合成孔径雷达(GNSS-BSAR)以其低成本㊁实时的全球覆盖能力在遥感应用中发挥着越来越重要的作用㊂北斗导航卫星(BDS)作为GNSS系统的重要组成部分,以其更高的信号带宽为特点,理论上能够为SAR系统提供更高的分辨率㊂一种新的基于北斗GEO卫星导航信号的双基地合成孔径雷达(GEO-BDS-BSAR)卫星的多星融合目标监测算法,通过结合北斗GEO的信号特性以及相对稳定及几何构型,能够有效提高目标监测的分辨率,同时有效避免了传统基于全球导航信号的双基地合成孔径雷达(GNSS-BSAR)系统的距离单元偏移误差校正处理,降低了传统反投影算法(BPA)的运算复杂度㊂通过仿真结果验证了该方法的可行性与有效性㊂关键词:双基地合成孔径雷达(BSAR);北斗导航系统(BDS);后向投影算法那(BPA);多星融合中图分类号:TN911.4㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1674-7135(2021)02-0060-06D O I:10.3969/j.issn.1674-7135.2021.02.010A novel target detection algorithm with multi-satellitesfusion based on BDS-BSARHAN Chong,NIU Xinliang,LEI Bochi,WAN Bei,JING Cheng(China Academy of Space Technology(Xi an),Xi an㊀710000,China)Abstract:In recent years,Bistatic Synthetic Aperture Radar(GNSS-BSAR)based on Satellite Navigation Satellite Sys-tem(GNSS)plays an increasingly important role in remote sensing applications with its low cost and real-time global cover-age.Beidou Navigation System(BDS),as an important part of GNSS system,can theoretically provide higher resolution for SAR system because of its higher signal bandwidth.In this paper,a novel target detection algorithm with multi-satellites fu-sion based on Beidou GEO(BDS-BSAR)is proposed,which effectively avoids the range cell migration error correction pro-cessing,reduces the complexity of interpolation processing in the traditional back projection algorithm(BPA)based on the traditional GNSS-BSAR system,and with the signal characteristics of Beidou GEO,the utilize of the proposed method can ef-fectively improve the resolution of target.The simulation results show that the method has good performance.Key words:bistatic synthetic aperture radar(BSAR);beidou navigation system(BDS);back projection algorithm (BPA);multi-satellites fusion0㊀引言基于GNSS卫星照射的双基SAR(GNSS-BSAR),顾名思义就是一种新的利用双基SAR体制,以全球导航卫星美国全球定位系统(GPS),俄罗斯导航定位系统(GLONASS)㊁欧洲伽利略导航定位系统(Galileo)和中国北斗导航定位系统(BDS)作为发射平台,属于一种被动的双基地SAR系统㊂GNSS-BSAR的优势包括以下几个方面:①GNSS-06①收稿日期:2020-08-15;修回日期:2021-03-21㊂作者简介:韩冲(1983 ),博士㊂主要研究方向为双基雷达成像与目标探测,卫星导航与遥感㊂E-mail:hanc_504@BSAR 系统隐蔽性更好㊂②GNSS-BSAR 信号源丰富㊂③GNSS-BSAR 同步性能好㊂④GNSS-BSAR 探测更有效㊂⑤GNSS-BSAR 成本更低㊁更环保㊂因此,开展基于GNSS-BSAR 系统的研究,不仅可以在民用领域提供更加经济有效的观测手段和探测成像与定位功能,还可以在军事领域大大提高雷达的战时适用性,具有深远的研究意义㊂近年来,世界各国的研究小组对GNSS-BSAR 的成像能力进行了深入的研究㊂伯明翰大学的研究人员首先提出了基于全球导航信号的双基地合成孔径雷达(GNSS-BSAR)系统的概念,并利用全球导航卫星系统(GLONASS)进行了实验,以获得遥感成像结果[1]㊂他们还研究了通过联合伽利略E5信号[2]㊁多站采集和特征提取[3-6]提高距离分辨率的可行性,并讨论了基于GNSS-SAR 相干变化检测中的空间去相关问题[7]并进行了相干变化检测实验㊂湖北大学研究团队研究得出了长停留时间下二维分辨率的解析公式[6]并且证明了GNSS-BSAR 的高质量空间相关性[8-11],同时,利用北斗星座在不同的照明视角观测目标区域提高了GNSS-BSAR 图像的空间分辨率㊂北京理工大学的研究团队利用北斗中地轨道(MEO)卫星进行了成像实验,以检测具有强散射系数的角反射器和转发器,同时提出了用于图像增强的重复通相干融合[12,13]㊂他们还提出基于导航信号的干涉SAR 系统(GNSS-INSAR)的3D 干涉测量算法并对中国铁路高速(CRH)铁路桥梁成像进行了实验,取得了非常理想的结果㊂北京航空航天大学㊁地理空间技术协同创新中心㊁谢菲尔德大学和新南威尔士大学等研究团队也在GNSS-BSAR 的成像算法,同步技术㊁抗干扰算法等方面做出了大量的研究[14-18]㊂本文提出了一种新的基于北斗GEO (BDS-BSAR)的多星融合目标监测算法,由于北斗系统中的五颗地球同步卫星(命名为DBDS C01-C05)具有长时间稳定轨迹特性,因此能够长时间相对地静止在观测地球表面,而无需考虑运动补偿,有效避免了传统基于GNSS-BSAR 系统的距离单元偏移误差校正处理,降低了传统反投影算法(BPA)中插值处理的复杂度㊂于此同时,由于北斗GEO 具有B3频点(20.46MHz)具备更宽的信号带宽,且成像系统的几何模型相对稳定,使得利用多星融合的目标监测思想,保证了距离分辨率的进一步提高㊂1㊀BDS-BSAR 系统几何构型与回波信号模型基于BDS-BSAR 的系统几何构型如图1所示,该系统分为三部分:北斗GEO 卫星(GEO-1/2/3)作为发射机㊁接收机(R)处于地面固定站点和观测区内的点目标(P)㊂接收机是具有直达通道(采集右旋圆极化直达波信号)和反射通道(采集左旋圆极化导航信号经观测区域的反射回波信号)的雷达接收机㊂CEO 1-Rt1P系统几何构型Fig.1㊀Topology of BDS-BSAR system162021年第2期韩冲,等:一种新的BDS-BSAR 多星融合目标监测算法㊀㊀系统的空间坐标系为观测区域所在的大地坐标,其中X㊁Y㊁Z 为ENU 坐标系的坐标轴㊂北斗导航卫星的直达信号从GEO 卫星分别经过(Rb1㊁Rb2㊁Rb3)路径到达到接收机(R);反射信号则是由GEO 卫星首先经过(Rt1㊁Rt2㊁Rt3)路径到点目标P (x Ta ,y Ta ,z Ta ),然后以RCS(雷达散射截面积)为σ经过Rr 路径到达接收机㊂假定发射机1的坐标表示为(x T (u ),y T (u ),z T(u )),则此时的发射-接收的基线如式(1)所示:R B (u )=[x T (u )]2+y T (u )]2+z T (u )]2(1)考虑到图像场景中点目标的坐标为(x Ta ,y Ta ,z Ta ),我们得到瞬时发射-目标的距离R T (u )和接收-目标的距离R R 为:R T (u )=[x T (u )-x Ta ]2+[y T (u )-y Ta ]2+[z T (u )-z Ta ]2(2)R R =[x Ta ]2+[y Ta ]2+[z Ta ]2(3)由于GNSS 信号的一般形式是:Y (t )=P (t )M P (t )cos(ωc t +φ)+D (t )M D (t )sin(ωc t +φ)(4)㊀㊀接收机的直达信道(HC)记录直达信号与其时延和相位,反射信道(RC)记录目标回波信号与从发射到目标到接收的时延㊂HC 和RC 经过正交解调得到:s HC =p {t -[R H (u )c +t e kx +t e atm ]}ˑexp {-j [2πλR B (u )+φe kx +φe atm ]}(6)s RC =p t -R T (u )+R R c +t e kx +t e atm éëêêùûúú{}ˑexp {-j [2πλ(R T (u )+R R )+φe kx +φe atm ]}(7)㊀㊀其中,pO 是发射信号主码,c 是光速,λ是信号波长㊂从(6)和(7)可以看出,HC 和RC 的误差相同㊂这是因为它们在同一个接收器上是相同的信道,并且两个信道的振荡器是共同的㊂因此,由于R T (u )+R R 和R B (u )之间的距离差相对较小,它们具有相同的接收误差和近似相等的大气误差㊂因此,可以使用HC 同步期间跟踪的误差来补偿RC 中的误差㊂2㊀基于(BDS-BSAR )的多星融合目标监测算法对于固定接收机和固定方位和仰角的北斗GEO 卫星,在观测区域内一定数量的网格具有相同的路径延迟㊂由于GEO 卫星在给定的路径延迟RD0的网格将在成像区域形成一条弧,此弧称为距离等延迟弧㊂因此,本文将利用三颗北斗GEO 卫星,首先考虑到卫星C01直接天线和反射天线分别接收直接和反射信号㊂信号跟踪模块用于提取直接信号中的码相㊁载波相位和导航信息㊂然后利用码相位和载波相位等参数对反射信号进行距离压缩,得到相关曲线,并利用导航信息对反射信号进行解调,从而延长了相关曲线的相干积累时间㊂然后将相关曲线反投影到成像区域,得到距离相等的延迟弧㊂对于C02/C03,执行相同的程序㊂通过多星等延迟弧的交点可以得到一个尖峰,从而可以确定目标㊂基于(BDS-BSAR)的多星融合目标监测算法的系统处理流程框图如图2所示:__Fig.2㊀Flowchart of BDS-BSAR algorithm26空间电子技术2021年第2期㊀㊀由图2可知,分别对三颗卫星首先进行直达信号的捕获跟踪,并生成本地参考信号作为反射信号处理的预处理过程,然后利用反射信号与本地生成信号进行二维接收数据的距离压缩,从而得到单颗卫星的距离成像结果㊂通过对三幅距离成像数据结果叠加从而可以最终得到点目标的多星干涉后的图像结果㊂根据公式(6)和(7)可以观察到,所有的接收和大气误差都是随时间缓慢而变化的,但它们不是t 的直接函数㊂由此可将直达信号跟踪结果直接反馈到反射信号通道,并根据直达信号相位和多普勒信息重构本地参考信号,然后将两路信号经过距离压缩,由于多星融合干涉此时无需进行插值处理就可以得到相关结果㊂由广义模糊度函数(GAF)的定义在距离和方位维度上的3dB宽度分别为距离分辨率和方位分辨率㊂考虑到地面静止接收机接收来自GNSS发射机的信号并由一个静止点目标反射,该系统的二维双站分辨单元可以从GAF中推导出来㊂在窄带信号和窄合成孔径假设中,GAF,X(A,B)由两个归一化函数p(㊃)和m A(㊃)的乘积给出㊂p(㊃)是测距信号的匹配滤波器输出,m A(㊃)是归一化接收信号幅度图的逆变换㊂因此,信号的模糊度函数可以写成:|X(A,B)|=p2cos β2()ΘT(r) c()㊃2ωΘT(r)λ()(8) A是要评估的所需点反射器的矢量位置,矢量B是另一个反射器在A和r=B-A附近的任意位置;β是双基地角,Θ是双基地角平分线方向上的单位矢量;ωE=ωTң+ωRң2和ΘT称为等效角速度和运动方向,由于在角速度为ω和Θ的方向上运动的单站SAR具有相似的多普勒分辨特性,c是光速,λ是雷达波长㊂上标 T 表示矩阵转置㊂特别地针对BDS-多星融合的广义模糊度函数可以写为:X|A,B|=ᵑiɪ1~5Λ(R d(x,y)/c)exp{j2πR d(x,y/λ)}(9)㊀㊀其中R d(x,y)是发射-目标-接收的距离,Λ()为BP成像区域㊂3㊀算法仿真分析与结果为了验证算法的有效性,利用MATLAB进行数值仿真㊂设定仿真参数为:北斗GEO卫星作为发射机,观测区域选择1000ˑ1000m2,接收机为观测区域坐标系中心点高度为1000m,其坐标为(0,0,1 000);点目标的坐标为(500,500,0,),成像网格选择1ˑ1m的单元对成像区域进行划分㊂^02004006008001000ym/x m/45.435.325.215.105.×104图3㊀单颗GEO卫星成像结果Fig.3㊀The image of simple BDS-GEO-SAT如图3所示,为单颗GEO卫星的成像效果图,通过图示可以看到单星等距离弧的效果㊂由于单星的距离向分辨率是由双站角和信号带宽决定的,北斗B3频点信号得到的距离向分辨率是30m,符合双基SAR分辨率的预期㊂图4(a)给出了基于三颗GEO卫星的融合图像结果,通过仿真结果可以清楚看到目标点处具有更高的能量㊂图4(b)给出了局部放大的效果,可以看出该算法的目标分辨率约在40ˑ100m2㊂362021年第2期韩冲,等:一种新的BDS-BSAR多星融合目标监测算法2004006008001000987654321×10987654321×10450500550600600580560540520500480460440420400y m/x m/x m/(a)BDS-GEO-BSAR 成像结果㊀㊀㊀㊀㊀(b)局部放大效果图4㊀三颗GEO 卫星融合成像结果Fig.4㊀The image of three BDS-GEO-SAT4㊀结论与展望本文介绍了一种新的基于北斗GEO (BDS-BSAR)的多星融合目标监测算法,由于北斗系统中的五颗地球同步卫星(命名为DBDS C01-C05)具有长时间稳定轨迹特性,因此能够长时间相对地静止在观测地球表面,而无需考虑运动补偿,有效避免了传统基于GNSS-BSAR 系统的距离单元偏移误差校正处理,降低了传统反投影算法(BPA)中插值处理的复杂度㊂于此同时,由于北斗GEO 具有B3频点(20.46MHz)具备更宽的信号带宽,且成像系统的几何模型相对稳定,使得利用多星融合的目标监测思想,保证了距离分辨率的进一步提高㊂通过仿真结果验证了算法在目标检测的可行性与有效性㊂后续研究将集中在成像分辨率提升和实际场景试验以及对虚假目标的识别研究上㊂参考文献:[1]㊀ANTONIOU M,CHERNIAKOV M.Experimental demon-stration of passive GNSS-based SAR imaging modes[C]//IET International Radar Conference,2013.[2]㊀ANTONIOU M,ZENG Z,LIU F,et al.Experimental dem-onstration of passive BSAR imaging using navigation satel-lites and a fixed receiver[J].IEEE Geoscience &Remote Sensing Letters,2012,9(3):477-481.[3]㊀MA H,ANTONIOU M,CHERNIAKOV M.Passive GNSS-based SAR resolution improvement using joint Galileo E5signals[J].IEEE Geoscience &Remote Sensing Letters,2015,12(8):1640-1644.[4]㊀SANTI F,BUCCIARELLI M,PASTINA D,et al.Spatialresolution improvement in GNSS-based SAR using multi-static acquisitions and feature extraction[J].IEEE Trans-actions on Geoscience &Remote Sensing,2016,54(10):6217-6231.[5]㊀SANTI R,ZUO R,CHERNIAKOV M.Problem of signalsynchronisation in space-surface bistatic synthetic aper-ture radar based on global navigation satellite emissions -Experimental results [J].IET Radar Sonar and Naviga-tion,2010,4(1):110-125.[6]㊀SANTI F,ANTONIOU M,PASTINA D.Point spread func-tion analysis for GNSS-based multistatic SAR [J].IEEEGeoscience &Remote Sensing Letters,2015,12(2):304-308.[7]㊀ZHANG Q,ANTONIOU M,CHANG W,et al.Spatialdecorrelation in GNSS-based SAR coherent change de-tection[J].IEEE Transactions on Geoscience &RemoteSensing,2014,53(1):219-228.[8]㊀TZAGKAS D,ANTONIOU M,CHERNIAKOV M.Coher-ent change detection experiments with GNSS-based pas-sive SAR[C]Radar Conference.IEEE,2017.[9]㊀ZENG H C,WANG P B,JIE C,et al.A Novel GeneralImaging Formation Algorithm for GNSS-Based Bistatic SAR[J].Sensors,2016,16(3):294.[10]㊀TIAN W,TIAN Z,TAO Z,et al.Space-surface BiSARbased on GNSS signal:Synchronization,imaging and ex-periment result [C ]2014IEEE Radar Conference.IEEE,2014.[11]㊀TIAN W,ZHANG T,HU C,et al.Space-surface bistaticSAR using Beidou-2as illuminator[C]2014IEEE Inter-national Conference on Computer and Information Tech-nology,2014.[12]㊀ZENG Z,ANOTOIOU M,LIU F,et al.First Space Sur-face Bistatic fixed receiver SAR images with a navigationsatellite[C]//201112th International Radar Symposi-um (IRS).IEEE,2011:373-378.46空间电子技术2021年第2期[13]㊀TAO Z,TIAN Z,TIAN W,et al.Bistatic SAR imagingprocessing and experiment results using BeiDou-2/Com-pass-2as illuminator of opportunity and a fixed receiver[C]//Synthetic Aperture Radar.IEEE,2015:302-305.[14]㊀SHI Z,ZENG Z,ZHOU Y,et al.Point spread functiongeneration method of Geo-stationary GNSS based bistaticforward looking SAR[J].Optik,2019,179(1):89-94.[15]㊀万贝,段崇棣,牛新亮.星载GNSS-R海洋遥感载荷高灵敏度信号处理方法[J]空间电子技术,2017,14(4):91-96.[16]㊀LIU F,FAN X,ZHANG L,et al.GNSS-based SAR forurban area imaging:topology optimization and experi-mental confirmation[J].International Journal of Re-mote Sensing,2019,40(11-12):4668-4682. [17]㊀侯若涵,尚社,宋大伟.基于循环谱理论的GNSS-R信号监测方法[J]空间电子技术,2017,14(4):87-90+96.[18]㊀PASTINA D,SANTI F,PIERALICE F,et al.Maritimemoving target long time integration for GNSS-based pas-sive bistatic radar[J].IEEE Transactions on Aerospaceand Electronic Systems,2018,54(6):3060-3083.562021年第2期韩冲,等:一种新的BDS-BSAR多星融合目标监测算法。
BD/GPS/GLONASS三模软件模拟器的设计与实现
BD/GPS/GLONASS三模软件模拟器的设计与实现随着卫星导航技术的不断发展,BD(北斗)、GPS和GLONASS(格洛纳斯)这三种系统已经成为目前世界上最主要的卫星导航系统。
为了更好地研究和开发卫星导航相关应用程序,提高导航系统的性能和稳定性,设计并实现一个能够模拟BD、GPS和GLONASS三种卫星导航系统的软件模拟器非常必要。
本文将介绍这个软件模拟器的设计与实现过程。
软件模拟器的设计主要包括以下几个方面:1.系统架构设计:软件模拟器的系统架构主要由模拟器核心模块、信号生成模块、信号接收模块、导航解算模块、用户界面模块等组成。
其中,模拟器核心模块负责管理和调度整个系统的运行,信号生成模块负责生成BD、GPS和GLONASS三种卫星导航系统的信号,信号接收模块负责接收和处理卫星信号,导航解算模块负责解算出卫星定位信息,用户界面模块负责与用户进行交互。
2.数据模型设计:软件模拟器需要基于BD、GPS和GLONASS三种卫星导航系统的数据模型进行设计。
数据模型包括卫星轨道数据、卫星信号数据、卫星时钟数据等,这些数据对于模拟器的精确性和准确性至关重要。
3.算法设计:软件模拟器需要设计和实现一系列算法,包括信号生成算法、信号接收算法、导航解算算法等。
这些算法的设计将直接影响模拟器的性能和效能。
4.用户界面设计:软件模拟器需要设计一个直观、友好的用户界面,使用户能够方便地操作和使用模拟器。
在软件模拟器的实现过程中,需要注意以下几点:1. 选择合适的编程语言和开发工具:根据软件模拟器的需求和功能,选择合适的编程语言和开发工具进行开发。
常见的编程语言包括C、C++、Java等,开发工具包括Visual Studio、Eclipse等。
2.编写模拟器核心代码:根据系统架构设计,编写模拟器核心代码,实现模拟器的基本功能和模块之间的交互。
3.实现信号生成模块:根据BD、GPS和GLONASS三种卫星系统的信号特性,实现信号生成模块,生成模拟的卫星导航信号。
导航卫星系统精确定位算法优化方法归纳
导航卫星系统精确定位算法优化方法归纳导航卫星系统是现代社会不可或缺的重要工具。
为了实现精确定位,需要优化导航卫星系统的算法。
本文将归纳几种优化方法,包括差分定位、多路径效应抑制、卫星选择与权重分配、同步与非同步定位方法。
一、差分定位差分定位是一种常用的导航卫星系统精确定位算法优化方法。
它利用多个接收器接收同一组卫星信号,并通过相对测量的方式消除接收器之间的误差。
差分定位算法包括两种方式:实时差分定位和后差分定位。
实时差分定位通常用于实时导航和车辆自动驾驶等应用,而后差分定位则用于后处理数据,提高定位精度。
二、多路径效应抑制多路径效应是导航卫星系统中常见的问题,它由于信号的反射、绕射或干扰而引起,导致接收器接收到多个信号。
为了抑制多路径效应,可以使用反射和绕射信号的时间延迟差异、功率差异等信息进行滤波和校正。
此外,也可以利用天线设计和信号处理算法来降低多路径效应的影响。
三、卫星选择与权重分配卫星选择与权重分配是导航卫星系统精确定位算法中的一种重要方法。
在进行定位时,系统可以选择最佳的卫星组合来提高定位精度。
这需要考虑卫星的空间分布、信号强度、信号质量等因素,并使用合适的权重分配方法对卫星信号进行组合处理。
常用的卫星选择与权重分配方法包括最小二乘法、迭代加权法等。
四、同步与非同步定位方法同步与非同步定位方法是导航卫星系统精确定位算法中的两种不同的定位模式。
同步定位是指接收器和卫星之间的时间同步,通过精确的时间信息来计算定位结果。
而非同步定位则不需要时间同步,可以通过接收器和卫星之间的相对距离以及接收时间信息来计算定位结果。
同步定位精度较高,但需要更复杂的硬件和算法支持,非同步定位则更为简单。
综上所述,导航卫星系统精确定位算法的优化方法包括差分定位、多路径效应抑制、卫星选择与权重分配、同步与非同步定位方法等。
这些方法可以提高导航卫星系统的定位精度,并广泛应用于车辆自动驾驶、航空航天、海洋导航等领域。
未来的研究可以进一步探索和优化这些方法,以满足不断发展的导航需求。
导航卫星系统的算法设计与性能分析
导航卫星系统的算法设计与性能分析导航卫星系统(Navigation Satellite System, NSS)是一种利用卫星进行导航定位的系统,广泛应用于航空、航海、汽车导航等领域。
该系统的核心是算法设计与性能分析,本文将讨论如何设计导航卫星系统的算法,并对其性能进行分析。
一、导航卫星系统的算法设计1.1 信号接收与处理算法在导航卫星系统中,首先需要接收来自卫星的导航信号,并进行处理以获得位置信息。
信号接收与处理算法主要包括信号捕获、载波跟踪、码跟踪等步骤。
其中,信号捕获算法通过对接收的信号进行频偏估计和码相位估计,找到对应卫星的信号。
载波跟踪算法用于跟踪信号的载波频率,以保证接收信号的频率稳定性。
码跟踪算法则用于跟踪码片序列,以获得码相位信息。
这些算法需要具备高精度和高鲁棒性,以应对复杂的导航环境。
1.2 导航定位算法导航定位算法是导航卫星系统的核心,用于确定设备的位置和速度信息。
常见的导航定位算法包括最小二乘定位法、扩展卡尔曼滤波算法和粒子滤波算法等。
最小二乘定位法适用于基于测距的位置估计,通过最小化实际测距与预测测距之间的残差,得到最佳位置估计。
扩展卡尔曼滤波算法则是一种递归滤波方法,通过将测距值与卫星位置的不确定性进行融合,提高位置估计的精度和稳定性。
粒子滤波算法基于蒙特卡洛方法,通过生成一组粒子来近似位置的后验概率分布,进而估计设备的位置。
不同的导航定位算法适用于不同的导航场景,需要根据具体需求进行选择和设计。
1.3 路径规划算法路径规划算法用于根据设备的当前位置和目标位置,确定最优的路径。
常见的路径规划算法包括迪杰斯特拉算法和A*算法等。
迪杰斯特拉算法通过构建一个带权有向图,以最小化起点到各个节点的距离来确定最短路径。
A*算法则是一种启发式搜索算法,通过评估各个节点的代价函数,找到最优路径。
路径规划算法需要综合考虑路径长度、时间、交通状况等因素,以提供用户最佳的导航体验。
二、导航卫星系统的性能分析2.1 精度分析导航卫星系统的精度是衡量其性能的重要指标之一。
兰州大学毕业论文样本
毕业论文(本科生)中文标题多卫星导航系统的组合导航技术研究英文标题The Study of Technology in The Combined Satellite学生姓名张三指导教师梅中磊学院信息科学与工程学院专业基地班(电信方向)年级2005级兰州大学教务处诚信责任书本人郑重声明:本人所呈交的毕业论文(设计),是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
毕业论文(设计)中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。
除文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文。
特此声明。
论文作者签名:日期:目录第一章绪论 (1)1.1课题来源及意义 (1)1.2各卫星导航系统的发展现状及展望 ..................................................................... 错误!未定义书签。
1.3论文的研究内容及结构安排 (2)第二章组合导航系统仿真平台 (3)2.1导航空间常用坐标系及其转换............................................................................. 错误!未定义书签。
2.2星座模型仿真......................................................................................................... 错误!未定义书签。
2.3伪距误差修正模型................................................................................................. 错误!未定义书签。
2.4 本章小结........................................................................................................... 错误!未定义书签。
GNSS卫星导航信号模拟器仿真研究
的方 式 ,完成对 卫星信号 捕捉 的 。
二 、GN S S卫星导 航信 号模 拟器 仿真研究
( 一) 信号 模拟 器实现 ( 1 )硬件 开 发板 。仍 然 以 G P S为例 。G P S 卫 星 导航 信
号模 拟器 ,主要包 括接 口部 分 、数字 上变频 以及 计算 机 与基
结束语
的载 波 ,且 会 通过 码分 多址 技术 对卫 星进行 识别 ,主要是 因
术人 员会 按照 硬件 板型 号与 实际特 点 ,对 芯片 型号 与相应 资
源进 行确认 ,并运用相 应 的工 具完成对 硬件仿 真环境 的建立 。
其 中在进 行集成 发 开环境 建立 过程 中 ,技 术人员 会对 仿真 测
在 系 统 研 究 模 式 与技 术 不 断 发 展 的 今 天 , 我 国对 于 G N S S 系统 的研究 也 在不 断 优化 与 完善 之 中。所 以国 内专业
人士 还应 加大 对该 系统 的研究 力度 ,要按 照系统 信号 生成特 点 ,对 信 号模 拟器展 开更 加专 业 、科 学 的仿真 实验 ,以便 为 相关 行业 提供更 加权 威 、精准 的数据 ,保证 该 系统在 我 国的
能 验证试 验 ,对 F P G A设 计 与算 法准 确性 进行 验证 。在进 行 测试 时 ,首先会 在接 收板 中同时对 G P S接 收机与模 拟器进 行
换字 开 始实 施 的 ,里 面包含 大量 信息 数据 ;而 测距码 就 是通 过卫 星进 行传 输 的加 密军用 码 ,需要 运用 C / A码对其 展 开分
量 向量生 成工具 以及 设计 输入 编辑器 进行 科学运 用 ,并会 通 过对 I S E的运 用 ,对 F P G A整体 设计 流程 进行 覆 盖 ,以便 后 续 的灵 活操作 。同时技 术人员还 需对仿 真工具进 行科学选 择 ,
GPS/Galileo组合导航定位系统中的选星算法
座 系 统 与单 星 座 系 统 的 区别 , 出 了 常 用 的 几 种 选 取 s颗 星 的方 法 。 分 别 进 行 仿 真 分 析 , 结 出各 自的 优 缺 提 并 总
点 。 同 时根 据 观 测 矩 阵 与 G 0P值 的 关 系 提 出选 取 大 于 5颗 可 见 星 的 最 大 行 列 式 绝 对 值 法 , 分 别 对 选 取 D 并 6 7颗 可 见 星 进 行 仿 真 分 析 , 仿 真 结 果 可 见 此法 的 实 用 性 。 、 由 关 键 词 : P / le ; D0 G s Ga l G P值 ; 星 算 法 ; i0 选 组合 星 座
t e i e c n t l t n s s e a d c mb n d c n tU t n s s e ,5 v r l y ff e s t l ts we e p o o e we n s n 0 s e l i y t m n o i e o s e a j y t m ao 0 e e a wa s0 j a el e r r p s d,a d V i n t e rc a a t rs is we e a a y e h o g i lt n B sd s t 0 ft e lr e ta s l t a u sp o o e 0 h i h r c e i t r n l z d t r u h smu a i . e i e .a me h d o h a g s b o u e v l e wa r p s d f r c o s lc i g mo e t a ie s t U t s b s d o h e a i n h p b t e t i n I P,a d t e smu a i n r s 1 o i ee tn r h n f a e ie a e n t e r l t s i e we n ma x a d GC( v o r ) n h i lt e u t fs x o a d s v n v sb e s t li s p o e e sb l y o h t o . n e e ii l a e I e r v s f a iii ft e me h d t t
GPS与DTMB组合定位系统的改进选星算法研究
【 A b s t r a c t 】 D u e t o o v e r c o m e t h e d e f e c t o f l o c a t i o n f a i l u r e c a u s e d b y l a c k o f G P S s a t e l l i t e s i n d e n s e u r b a n a r e a s a n d i n d o o r e n v i r o n m e n t s , t h e i n t e g r a t e d
ra g t e d n a v i g a t i o n.S i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t c o mp a r e d t o t r a di t i o n l a mi n i mu m GDOP me t h o d,t h e i mp r o v e d s a t e l l i t e s e l e c t i o n lg a o r i t h m h a s t h e a d — v a n t a g e s o f l o we r c o mp u t a t i o n l o a d,l o we r c o mp u t a t i o n t i me . Al s o ,c o mp a r e a n d a n ly a z e t h e d e v i a t i o n b e t we e n t h e i mp r o v e d a l g o it r h m a n d t r a d i t i o n l a mi n i mu m GDOP me t h o d,i n t he c o mb i n a t i o n o f d i f f e r e n t s a t e l l i t e n u mb e r,a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e d e v i a t i o n i s l e s s t h a n 0. 1 p e r c e nt a g e i s
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图 2 用户可见星方位/仰角图
图 2 中,对各个系统的卫星进行编号为, GPS: 1-24 , GLONASS : 25-48 , GALILEO : 49-75 , COMPASS:76-87。用正方形标出的卫星是采用最 小 GDOP 法[3]所排除的 20%可见星。由图 2 的排除 星在整体中的分布情况及遍历设置的任意时刻、任 意 用 户 位 置的 仿 真 结 果均 表 明 : 排除 星 均 处 于 且有一个或多个方位角邻近 30 ~ 60 仰角范围内, 的其它星.由最大体积法原理知, 所选择的定位卫星 到用户的单位矢量组成的体积 V 应尽可能接近所有 卫星和用户的单位矢量组成的多面体体积,因此对 处于仰角 30 ~ 60 范围内的可见星而言, 如果其中 某两颗卫星的方位角较接近,再结合整体可见星仰 角分布信息,排除其中的一颗,对所有卫星和用户 所组成的多面体体积影响会很小,因而可以保证获
ELi = tan 2 2 xL + yL i i
z Li
(5)
′ = (eix H Si
eiy
eiz ) cos ELi cos Ai sin Ei )
= (cos ELi sin Ai
(4)
xL Ai = tan −1 i yP = trace( H comb H comb ) −1
1 多卫星导航系统 GDOP 的分析
卫星导航在一定的测距误差下,GDOP 值表征 了定位精度的大小,它反映了由于卫星几何关系的 影响造成的伪距测量误差与用户位置误差间的比 例系数,是对用户测距误差的放大程度,因此本文 建立了多卫星导航系统的几何精度因子(GDOP) 分析模型。 ′ H GPS H′ Galileo = H GLONASS ′ ′ H COMPASS 1GPS 0Galileo 0GLONASS 0COMPASS 0GPS 1Galileo
Key words:Multi-Satellite Navigation System; GDOP; Fast Satellite Selection Algorithm
最大体积法[1],及它们的一些简化算法[2,3]。
0 引言
在 GPS 单系统中, 一般通过最佳几何精度因子 法或最大体积法选取 4 至 5 颗最优星进行定位。目 前传统的选星算法主要有最佳几何精度因子法和
排序,计算出前后两颗卫星的方位角之差,再对方 位角的差值进行从小到大排序,选择出方位角差值 最小的前 K − m 组卫星,每组中有两颗卫星。 (4)最后若为单频接收机,各系统按等权处
GDOP
2.5
2
理,则依据 k1 、 k 2 的比例关系,排除中仰角区中方 位角邻近的两颗卫星中的一颗。根据本文的先验实 验统计,遮蔽角设为 5 时,高仰角区卫星和低仰角 (假设卫星分布 区卫星的平均数目比 k1 ∶ k 2 ≈ 1∶3 均匀,该结论是和高仰角区球冠的侧面积与低仰角 区球台的侧面积比是一致的) 。 若 某 时 刻 k1 ∶ k 2 < 1∶3,则选择每组中偏高仰角卫星,排除偏低 仰角卫星,补充高度方向信息;反之,选择偏低仰 角卫星,补充水平方向信息。 若为双频接收机,各系统按加权处理[7],此时 各系统误差中差异较大的是接收机噪声误差和星 钟误差,而接收机误差主要取决于测距码长,码长 周期越小,测距精度越高,可根据码片周期及星钟 误差排除中仰角区方位角邻近的两颗卫星中的一 颗。 (5)最终得出被排除卫星的编号,并以此得 出选取的次优星编号,实现间接选星。
第3期
刘宁 等:一种多卫星导航系统快速选星算法研究与仿真
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2 快速选星算法
2.1 所选卫星的分布规律 为了达到对多卫星导航系统的性能要求,所需 选出的可见星数目仍然较多。若按照传统的思维方 式,通过找出所选星的分布规律以实现选星,会加
10 北
大选星算法的复杂度。因此本文采用逆向思维方 式,通过分析数目相对较少的被排除卫星的仰角和 方位角的分布规律,确定对冗余卫星的排除方法, 保留分布次优星,从而实现间接选星。四星座多卫 星导航系统,遮蔽角设为 5 ,本地时间 t =12h 时 得出的北京地区某用户的可见星方位角/仰角图, 见 图 2。
2013 年 6 月第 3 期
现代导航
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一种多卫星导航系统快速选星算法研究与仿真
刘宁,李斌,路阳
(中国电子科技集团公司第二十研究所,西安 710068)
摘
要:多卫星系统导航时,可见星数目大幅度增加,导致导航解算运算量成几十倍增长,
加重了用户接收机尤其高动态接收机的负担。针对传统选星算法在卫星数目较多时耗时太长,无 法满足导航实时性要求的问题,提出了一种适用于多卫星导航系统选取多颗次优星的快速选星算 法,通过建立多卫星导航系统的几何精度因子(GDOP)分析模型,基于可见星仰角及方位角的 分区、筛选,给出了被排除卫星的分布规律。仿真结果表明,在损失较少定位精度的情况下,可 大大减少导航定位解算的运算量。 关键词:多卫星导航系统;几何精度因子;快速选星算法 中图分类号:P228.4 文献标识码:A 文章编号:1674-7976-(2013)03-181-05
Research on and Simulation of Fast Satellite selection Algorithm for Multi-Satellite Navigation System
LIU Ning, LI Bin, LU Yang
Abstract: When Multi-satellite navigation system works, the increase in visible satellites leads to grow the computation of
收稿日期:2013-03-27。资助信息:国家科技支撑计划课题 -GNSS 地基增强系统,课题编号 2011BAH24B03。
最佳几何精度因子法又称最佳选星法[1,4], 在 所 有仰角大于遮蔽角的 N 颗可观测卫星中, 选取 m 颗 分布最好的卫星,即遍历计算各种可能组合的几何 精度因子(GDOP),并选择 GDOP 值最小的一组作
navigation solution by several dozens times, imposing heavy burden on user’s receiver, especially on high dynamic receiver. Comparing with traditional satellite selection algorithm, which can’t meet real time navigation requirement due to spending too long time in satellites selection, a fast satellite selection algorithm is proposed for multiple satellites navigation system to select several suboptimal stars. Through the establishment of the GDOP analysis model of multi-satellite navigation system, in combination with the partition and selection of the elevation and azimuth of visible satellites, a distributed rule of the excluded satellites is presented. The simulation shows that with less loss of positioning accuracy, it can substantially reduce the computation of the navigation positioning solution.
0 ~ 30 、 30 ~ 60 、 60 ~ 90 ,分别称为低仰角
区、中仰角区和高仰角区,并计算出高仰角区和低 仰角区的卫星数目 k1 、k 2 及其比例,得到整体可见 星仰角的分布信息。 (3)在中仰角区可见星中,对其方位角进行
·184·
现代导航
3
2013 年
选星前 G DO P值 选星后 G DO P值 选星前后 G DO P差值
8
.28 .5
6 .20 4
.59 .58 .30
.29 .26 .31 .13 西0 .62 .86 .57 .23
.60 .32 .24
2
30°
60°
90°
60°
30°
东 .55
.2 .54 -2 .76 -4 .14 .77.34 .1 .65 .87 .78 .81 .79
.27
.80
.17 -6 .68 .48
m 40
在 GNSS 系统中,精度可表示为几何精度因子 和用户测距误差的乘积[6],即:
[5]
σ A = GDOP ⋅ σ UERE
(1)
式中, σ UERE 为用户测距误差。本论文采用两种处 理方式,一种方式是针对单频 GNSS 接收机,取消 SA 后,电离层误差是卫星导航系统中对定位精度 影响最大的误差因素,电离层误差的大小跟卫星到 用户的仰角和方位角密切相关,与系统无关,所以 各个系统的单频测距误差的差异较小,采用和文献 7 中的相同分析方法,假设各个系统的等效测距误 差近似一致,各系统间采用等权处理。另一种方式 是针对双频 GNSS 接收机,消除了电离层误差后, 不考虑多径误差的情况下,主要误差便为星历星钟 误差和接收机噪声误差,我们筛选卫星时对几何分 布和系统误差的差异进行综合考虑(加权处理)[7]。 考虑到几何精度因子是卫星 / 用户几何布局的 函数,多卫星导航系统的几何精度因子为: