GNSS接收机的伪距平滑技术研究

伪距测量是GNSS接收机的关键技术,对导航定位的精度具有重要影响。为了提高伪距测量的精度,主要从不同的角度详细研究了2种伪距平滑技术:载波相位平滑伪距算法、基于自适应卡尔曼滤波的伪距平滑算法,阐述了2种算法的原理和使用方法;并将其应用于工程实践,给出了试验数据和曲线。试验结果表明,该2种算法各有优点,均可以很好地提高伪距测量的精度,对GNSS接收机的精确定位和导航具有一定的现实意义。     

GNSS伪距单点定位及其实现──GNSS卫星导航定位方法之一

GNSS伪距单点定位,是一种较简易且非常实用的卫星导航定位方法,用户只需使用一台GNSS信号接收机,就能够全天候、全天时和全球性地测量运动载体的7维状态参数,本文简要地论述了GNSS伪距单点定位的基本原理及其实现。     

GNSS伪距差分定位及其特色──GNSS卫星导航定位方法之二

GNSS伪距差分定位是一种能够获取较高导航定位测量精度的卫星导航定位方法,但是,它的设备较复杂,用户不仅需要使用一台GNSS信号接收机,而且需要设置提供DGNSS改正数据的基准站及其一台GNSS信号接收机,以及与之匹配的DGNSS数据链,才能够实现全天候、全天时和全球性地测量运动载体的7维状态参数。本文简要地论述了GNSS差分定位的基本原理及其实现。     

Effect of broadcast and precise ephemerides on estimates of the frequency stability of GPS Navstar clocks

Frequency stability analysis of on-orbit Navstar clocks is performed by the Naval Research Laboratory using both the broadcast and the precise post-processed ephemerides. The phase offset between the Navstar clock and the reference clock is computed from pseudorange measurements obtained by dual-frequency GPS receivers at the five GPS monitor sites and at the U.S. Naval Observatory precise-time site. The broadcast ephemerides are generated at the GPS master control station by a Kalman filter using data collected from the five GPS monitor stations. The precise post-processed ephemerides are generated by the Defense Mapping Agency (DMA) using data collected from the GPS monitor sites and from five additional DMA monitor sites. In this paper the frequency stability is estimated for two Navstar caesium clocks–a Block I caesium clock (Navstar 9) and a Block II caesium clock (Navstar 23)–using both the broadcast and the precise ephemerides. A significant improvement in the estimate of the frequency stability of the Block II clocks has been achieved using the precise ephemeris.     

提高SINS/GNSS组合导航系统定位精度的方法研究

单纯依赖单一的导航手段难满足高精度的导航需求,因此,将捷联惯性导航系统(SINS)、全球卫星导航系统(GNSS)有效组合,实现优势互补。SINS/GNSS组合导航系统的数据处理一般采用卡尔曼滤波实现,当组合导航系统模型足够准确时,滤波性能较好,当导航系统模型存在误差或发生变化时,新的量测值对滤波估计值的修正作用下降,而旧的量测值的修正作用相对上升,从而导致滤波精度下降。针对上述问题,基于集中式卡尔曼滤波结构的SINS/GNSS组合导航系统,本文提出一种新方法,新方法在梯度方向上进行估计迭代,从而修正模型误差对滤波精度的影响,提高导航定位精度。实验结果表明,当导航系统模型和量测方程存在误差或发生变化时,新方法仍可以为导航系统提供有效的定位精度,满足高空长航时系统需求。     

一种基于插值和卡尔曼滤波的接收机钟差预测方法

针对多模多频接收机面临同时处理大量数据的压力,提出了一种基于插值和卡尔曼滤波的接收机钟差预测方法。插值方法分别用拉格朗日和三次样条,三次样条端点的一阶导数采用“差分法代替求导法”来确定。首先由插值方法得出每隔1s的卫星坐标、速度、钟差、频漂和伪距测量值,然后基于单星授时方法计算出静止接收机钟差,接着用卡尔曼滤波算法对接收机钟差和频漂进行预测,最后将预测的接收机钟差与加拿大空间参考系统( CSRS )提供的精密接收机钟差数据进行比较。结果表明,拉格朗日插值由于存在龙格效应,其接收机钟差的抖动幅度比三次样条略大,它们与CSRS钟差数据相比,均方根误差在3 ns之内。     

混合星座卫星导航系统定位精度分析方法

随着卫星导航技术的发展,无人机等运动载体上的卫星导航设备一般可以接收多个星座的卫星导航信号。在进行多星座卫星导航混合定位处理时,需要评估混合星座卫星导航系统的定位精度指标。卫星导航的定位精度与等效测距误差、空间几何分布等因素有关,不同星座的接收机使用的时钟不同,也会引入相应的误差影响。本文根据卫星导航定位原理,分析了混合星座卫星导航系统的定位误差方差,推导了混合星座定位的精度评估方法。最后,本文还分析了在混合星座定位时,引入测距精度较差的星座系统后,对整个导航系统性能的影响。实验结果表明, 本文分析的混合星座定位精度评估方法与实验结果相符合,为评估多星座导航系统信息融合后的定位性能提供了指导参考。     

卡尔曼滤波在原子钟驯服中的应用

利用授时型接收机的秒信号驯服原子钟,可以提高原子钟的长期稳定度。由于接收机受各种噪声的影响将导致得到的铷钟相对于星钟频差数据不精确。本文设计了一种应用于校频系统的卡尔曼滤波算法,卡尔曼并采用FPGA内嵌ARM处理器对算法进行了验证,多次采样的数据滤波处理得到了满足要求的频差数据,为校准铷原子钟创造了条件提供依据。     

遮挡环境下原子钟和气压测高仪辅助北斗定位方法研究

在城市峡谷等遮挡环境下,接收机无法连续进行定位解算;并且高程定位精度不能满足用户在立交桥或者盘山公路等环境下的定位需求。在接收机内使用原子钟,可以利用原子钟的高稳定性,对钟差进行高精度的预测。并通过与气压测高仪共同辅助北斗系统定位,可以有效提高接收机的定位精度和连续性;该文首先理论分析了原子钟和气压测高仪辅助定位算法;然后,提出一种气压测高仪初始化校正方法,并通过对钟差噪声类型的分析确定了钟差预测方法;最后,模拟遮挡环境,进行原子钟和气压测高仪辅助北斗卫星导航系统定位试验,并分析了定位结果。结果表明:仅跟踪两颗可见卫星,便可以进行定位解算,并且垂直方向上的定位误差从8.2 m (RMSE)下降到了5.2 m,定位结果的波动从4.6 m下降到了0.8 m。     

移动站GNSS外弹道测量的时钟模型

深入分析了对GNSS外弹道测量定位起关键作用的时钟模型。从GNSS伪距单点定位机理和被动式测距体制这2个层面引出了目标接收机重建时钟模型的必要性和主要原因——利用模型计算伪距采样时间,给出了GNSS时钟钟差模型计算公式和GPST到定位绝对时间显示的转换公式,详细剖析了导航电文对GPST的表示方法。阐述了GNSS利用导航电文修正时钟模型和计算采样时间的全部过程及缩短首次定位时间的经验方法。     

一种基于卡尔曼滤波定位解算方法的研究

GPS 利用卫星发射的无线电信号，通过计算卫星与GPS 接收机之间的相对位置，进而确定出用户接收机在地球上的位置，可以为用户接收机提供实时的定位、测速和授时等服务。传统接收机通过最小二乘法进行定位解算，接收机坐标容易发生较大的跳动。通过利用卡尔曼滤波原理，根据接收机的运动特点建立模型，利用每次导航解算结果之间的联系，对定位结果进行平滑，消除由于最小二乘算法结果相对独立而产生的定位抖动误差。通过定位试验结果表明，所设计的定位解算算法具有良好的定位效果。     

接收机参数对北斗三号卫星伪距偏差影响研究

伪距偏差是抑制北斗系统服务能力提升的重要误差源,影响用户实时定位性能和卫星精密定轨处理.目前对北斗三号伪距偏差的分析研究与测量较少,文章首先从理论上分析了接收机的前端滤波带宽和相关器间隔对伪距偏差的影响,并对理论分析结果进行了仿真.然后在此基础上利用7.5 m大口径天线对北斗三号在轨卫星信号进行采集,使用软件接收机对卫星实测数据的伪距偏差进行测试验证,全面分析了前端滤波带宽和相关器间隔对北斗三号卫星信号伪距偏差的影响.根据理论分析和实测验证的结果,得到了接收机的相关器间隔和前端滤波带宽对北斗三号卫星B1I、B3I和B1C信号的伪距偏差影响范围.研究表明,通过合理设置接收机相关器间隔和前端滤波带宽,可有效减小北斗三号卫星信号伪距偏差,提升用户定位精度.     

Revisiting the doppler filter of LEO satellite GNSS receivers for precise velocity estimation

The theoretical aspects of the precise velocity determination of Low Earth Orbit (LEO) satellites’on board Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers are derived. It shows that the receiver’s Phase Lock Loop (PLL) is required to feature extremely small group delay within its low frequency band, which is in contrast to existing work that proposed wide band linear phase filters. Following this theory, a Finite Impulse Response (FIR) filter is proposed. To corroborate, the proposed FIR filter and an Infinite Impulse Response (IIR) filter lately proposed in literals are implemented in a LEO satellite onboard GNSS receiver. Tests are conducted using a third party commercial GPS signal generator. The results show that the GNSS receiver with the proposed FIR achieves 11 mm/s R.M.S precision, while the GNSS receiver with the IIR filter has a filter-caused velocity error that can not be ignored for space borne GNSS receivers.     

基于北斗RDSS的GPS区域差分技术

本文提出了一种基于北斗RDSS的GPS区域差分技术的实现方案,该方案克服了差分GPS技术受到参考站和用户站之间距离的限制。本系统中基准型GPS接收机伪距修正数的计算、用户接收机导航解算所需的卫星星历数据、时间数据、伪距信息和伪距修正数的提取以及差分算法实现和接收机定位算法全部在DSP＋FPGA中实现。通过试验数据分析比较可见,采用基于北斗RDSS的GPS区域差分技术,对GPS导航定位精度有明显提高,该技术为未来实现高精度GPS导航定位有一定的参考价值。     

北斗卫星导航系统B1信号伪距偏差问题研究

目前各大卫星导航系统均存在伪距偏差问题,该现象不但不能通过差分的方式进行抵消,在进行双频电离层误差修正时还会被进一步放大,对卫星导航系统服务精度的提高已构成严重危害。然而目前国内对北斗系统伪距偏差产生机理研究甚少,为了最大程度降低伪距偏差对我国北斗卫星导航系统影响,该文首先深入并详细研究了伪距偏差产生机理及特点,在此基础上设计了试验验证方案,利用国内昊平观测站40 m大口径天线,准确测试并评估了所有北斗卫星导航系统(BDS)在轨可视卫星伪距偏差结果。最后根据试验测试结果,提出针对北斗卫星导航系统的接收机主要参数设置建议,从而能够最大程度上减小伪距偏差问题带来的测距误差和定位误差。该文的研究成果可为GNSS信号设计及实现、GNSS监测评估及用户终端参数设置提供有价值的参考依据。     

基于联邦卡尔曼滤波算法的水面无人作业船导航精度研究

为了实现无人作业船的自动导航,搭建了以Trimble BD982 GNSS系统为核心的差分定位系统。通过试验及分析得出了该系统的定位精度。为了进一步提高系统的导航精度,引入了联邦卡尔曼滤波算法,设计了基于航向姿态参考系统(AHRS)与GPS结合导航模式的卡尔曼滤波器。通过仿真试验表明该滤波器能明显提升系统的导航精度。     

基于转发体制的卫星导航定位性能仿真与分析

基于转发体制卫星导航定位是一种创新的卫星导航方法,有必要分析和验证其定位性能。本文基于虚拟原子钟伪距测量定位原理,提出了定位误差仿真的总体思路,并建立了电离层延迟、对流层延迟、伪距观测量和定位解算等数学模型,最后利用4颗在轨通信卫星对中国典型地区进行了定位误差仿真试验分析。仿真结果表明,部分地区可见星达不到4颗,系统定位误差约10m左右,但某些时段存在定位误差突然增大的现象。     

利用Kalman滤波修正卫星导航差分RTK定位坐标

卫星导航差分RTK(Real Time Kinematic)定位方法的定位精度极易受到载波相位整周模糊度固定算法的影响,在模糊度固定失败的情况下,差分RTK定位将出现大幅偏差.针对该问题,基于Jerk模型提出了一种利用Kalman滤波修正差分RTK定位坐标的方法.在传统Jerk模型基础上,将卫星导航系统输出的载体运动速度信息引入状态空间模型的观测方程.基于扩展状态空间模型,利用Kalman滤波器实时修正载体的位置坐标.半实物仿真表明,所提方法能大幅改善卫星导航差分RTK定位精度.     

Study on the algorithms to correct and compensate for GLONASS signal deviation based on GNSS receiver

At present, because of the construction of the navigation and positioning systems such as the China BeiDou, the research on complex receivers has become very urgent and active. This paper reports on the compatibility of the combined GPS and GLONASS data processing system. Because of the Frequency Division Multiple Access (FDMA) access technique applied in GLONASS satellites, while different signals of GLONASS satellites pass through different parts of the Radio Frequency (RF), the group delay effect can appear. Especially, if the hardware design of the base station and rover station are different, the problem is more severe. Aimed at these issues, the reasons and conditions are studied and then the comprehensive correction methods of deviation are proposed such as: effective real‐time pseudorange and carrier phase deviation correction compensation; tracking GLONASS L2 signal; establishing a eceiver name database; base station providing the receiver name; rover station correcting deviation according to different base stations, and so on. Through the use of schemes and algorithms, the objective existence GLONASS deviation can be reduced, and the capacity of the GPS+GLONASS complex system can be improved. It is also demonstrated that if the base station receiver and rover are from different manufactures, the deviation from GLONASS pseudorange and carrier phase can lead to the failure of achieving centimeter level. With the algorithms, in all the applications and in any base station or networked system, the GPS+GLONASS complex system can exhibit the advantages over just GPS applied system both in positioning accuracy and positioning speed and other real‐time kinematic (RTK) positioning performance. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

De-noising of GPS Receivers Positioning Data Using Wavelet Transform and Bilateral Filtering

The need for precise position and navigation aids in many areas of industry is becoming increasingly apparent. There are many errors associated with the navigation solution of the global positioning system (GPS), including satellite ephemeris error, satellite clock error, ionospheric delay, tropospheric delay, multipath, receiver measurement error and selective availability (SA). Noise can create an error between centimeters to several meters. In this paper, the proposed technique applied to smooth noise for GPS receiver positioning data is based upon the analysis of wavelet transform (WT), bilateral filter (BF) and diffusivity function. The WT is a powerful tool of signal processing for its multiresolutional possibilities. BF is a local, non-linear and non-iterative technique. It is applied to approximation subband. We decompose a GPS positioning data into low-frequency and high-frequency components and apply BF on the approximation coefficients and diffusivity function on the detail coefficients at each decomposition level for data smoothing. A single-frequency and low-cost commercial GPS receiver manufactured by Rockwell Company is used to test our method. The experimental results on measurement data demonstrate the effectiveness of the proposed method; so that the total root mean square (RMS) error reduces to less than 0.29 m with SA on and 0.15 m with SA off using Daubechie wavelet.