城区复杂场景中的GNSS性能建模预测及评估研究

发布时间：2017-05-19 07:08

  本文关键词：城区复杂场景中的GNSS性能建模预测及评估研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)在军用、民用领域具有不可替代的作用。在民用领域,GNSS在城区应用最为广泛。各大城市中心通常高楼林立,GNSS信号极可能被高楼阻挡,使可见卫星数量减少。同时,GNSS信号遭受各种建筑物表面反射的概率很大,多径现象的发生会相当频繁和严重。评估城区环境中GNSS的性能和研究提升GNSS在城区环境中性能的方法,不仅可以推动GNSS在城区环境下的发展与应用,而且也为我国北斗系统在民用方面的建设提供参考。本文首先简要介绍了GNSS的系统组成及定位原理。从信号源、信道、接收机三个方面详细分析了GNSS的误差来源,为分析城区环境下GNSS性能特点奠定了理论基础。在分析和总结经典的GNSS性能指标基础上,本文基于平行递推模型,提出了一种针对城区复杂环境下GNSS性能的指标,即“城区GNSS平行递推模型”。基于城区民用用户对GNSS的需求,分析实时性、鲁棒性、实用性三个指标和航空导航性能指标(Required Navigation Performance,RNP)的关系。建立了导航信号相关性能的评估指标模型,研究信号性能影响机制以及评估方法。对三个典型导航系统在B1频点的GNSS信号,针对精度、抗多径性能、抗干扰性能以及兼容性能四个点进行详细分析。基于电磁波传播理论,通过对一个真实的城区复杂环境建立其对应的电磁波传播模型,详细分析了该典型城区复杂环境下GNSS的性能特点。针对城区复杂环境提出了一种新的选星方法。该方法通过3D地图辅助首先剔除被遮挡的卫星,再通过仰角方位角选星法选星,一定程度上抑制了多径效应。通过建立一个典型的城区峡谷模型,对几种选星方法进行仿真。仿真结果表明,该方法DOP计算结果和传统仰角方位角选星法最为接近,且计算量比前者小大约25%。本文深入研究了提升城市峡谷中GNSS性能的算法:阴影匹配。利用采集的GPS+GLONASS星历,建立了一个理想的阴影匹配模型,研究了大楼高度、街道宽度与可见卫星数量的关系。本文实现了阴影匹配算法,验证了该算法的有效性。针对该算法的一维搜索法在选取参考点时的局限性,本文并提出了一种螺旋二维搜索法。利用实际采集到的NEMA数据以及星历数据,结合百度地图、E都市三维地图对阴影匹配的效果进行实际测试。实际验证了阴影匹配在城区街道环境中对定位精度的提升,并获取了一个计算实测GNSS直视信号强度阈值的典型值。鉴于阴影匹配对GNSS定位具有辅助作用,首次提出了阴影匹配与当下流行的辅助全球卫星定位系统(Assisted Global Positioning System,A-GPS)融合的概念,分析了融合的原因、可能性、不足。综合考虑阴影匹配的计算量、存储量、网络传输速率等方面提出了基于MS-Based方式的融合设计。针对当下流行的MS-Assisted方式,结合安卓系统自身特点,提出了阴影匹配算法的软件构架设计。最后,对全文的研究工作进行总结,并指出今后工作中进一步研究的方向。
【关键词】：全球卫星导航系统 城区复杂环境 性能评估 阴影匹配 A-GPS
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P228.4;TN967.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 缩略词表15-16
• 第一章 绪论16-21
• 1.1 引言16-17
• 1.2 选题的目的和意义17-18
• 1.3 国内外研究现状及发展动态18-19
• 1.4 本文主要工作及内容安排19-21
• 第二章 GNSS系统组成及误差分析21-30
• 2.1 GPS系统组成及定位原理简介21-26
• 2.1.1 GPS系统组成简介21-22
• 2.1.2 GPS信号及导航电文格式22-25
• 2.1.3 伪距定位原理25-26
• 2.2 GNSS误差分析26-29
• 2.2.1 与卫星相关的误差26-27
• 2.2.2 与传播途径相关的误差27-29
• 2.2.3 与接收机相关的误差29
• 2.3 本章小结29-30
• 第三章 城区环境下GNSS性能指标与评估方法30-53
• 3.1 GNSS系统性能建模30-36
• 3.1.1 GNSS系统性能指标分析30-31
• 3.1.2 GNSS性能评估模型31-33
• 3.1.3 城区复杂环境下GNSS性能评估模型33-34
• 3.1.4 实时性、鲁棒性、实用性指标分析及评估方法34-36
• 3.2 GNSS信号性能评估方法研究36-52
• 3.2.1 GNSS信号性能分析36-37
• 3.2.2 GNSS信号性能指标评价37-47
• 3.2.3 GNSS信号性能评估47-52
• 3.3 本章小结52-53
• 第四章 城区环境下GNSS性能特性与选星研究53-67
• 4.1 城区复杂环境下无线电场景建模53-56
• 4.1.1 无线通信的特点53-54
• 4.1.2 无线通信的影响因素54-55
• 4.1.3 城区GNSS无线信道分析55-56
• 4.2 城区环境下选星算法研究与仿真56-66
• 4.2.1 精度因子DOP的推导56-58
• 4.2.2 传统选星方法原理58-59
• 4.2.3 一种应用于城区环境的选星法59-62
• 4.2.4 计算与仿真分析62-66
• 4.3 本章小结66-67
• 第五章 阴影匹配在城市峡谷中的应用研究67-91
• 5.1 阴影匹配建模与验证67-83
• 5.1.1 卫星可见度建模与仿真68-70
• 5.1.2 阴影匹配算法验证70-76
• 5.1.3 阴影匹配算法改进76-77
• 5.1.4 阴影匹配实测77-83
• 5.2 阴影匹配与AGPS融合设计83-90
• 5.2.1 阴影匹配与A-GPS融合需求分析84-85
• 5.2.2 阴影匹配与两种方式A-GPS融合设计85-90
• 5.3 本章小结90-91
• 第六章 总结与展望91-93
• 6.1 研究成果总结91
• 6.2 研究工作展望91-93
• 致谢93-94
• 参考文献94-98
• 攻硕期间取得的与学位论文相关的研究成果98-99

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本文编号：378015