高精度实时卫星导航仿真系统关键技术研究

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1、 分类号 V249.3 学号 05039009 密级 公 开 工学博士学位论文 高精度实时卫星导航仿真系统关键技术研究高精度实时卫星导航仿真系统关键技术研究 博士生姓名 范国清 学 科 专 业 控制科学与工程 研 究 方 向 导航、制导与控制 指 导 教 师 李泽湘教授 王威教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年五月 国防科学技术大学研究生院 二一一年五月 论文书脊 论文书脊 高精度实时卫星导航仿真系统关键技术研究 国防科学技术大学研究生院 Study on Key Technologys of High Precision and Real-time Simulation of Satel

2、lite Navigation System Candidate：Fan Guoqing Supervisor：Prof. Li Zexiang Prof. Wang Wei A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering in Control Science and Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha

3、，Hunan，P.R.China May，2011 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 高精度实时卫星导航仿真系统关键技术研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论

4、文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密学位论文在解密后适用本授权书。 ） 学位论文题目： 高精度实时卫星导航仿真系统关键技术研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 作者指导教师签名： 日期： 年 月 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 . i Abstractiii 缩略语表 i 第一章 绪论 1 1.1 卫星导航系统及其仿真系统发展概况 1 1.1.1

5、美国的 GPS . 2 1.1.2 俄罗斯的 GLONASS 3 1.1.3 欧盟的 Galileo. 3 1.1.4 我国的北斗卫星导航系统 4 1.2 高精度实时卫星导航仿真系统关键技术研究现状 5 1.2.1 区域电离层 VTEC 建模. 8 1.2.2 区域电离层 VTEC 短期预报. 10 1.2.3 区域对流层延迟建模.11 1.2.4 本论文解决的问题 12 1.3 本论文的创新点和贡献 13 1.4 本论文的主要研究内容及章节安排 14 第二章 卫星导航仿真系统的区域电离层 VTEC 建模 16 2.1 电离层单层模型及 VTEC 观测方程 16 2.2 电离层 VTEC 函数

6、模型精度分析 18 2.2.1 三种函数模型 19 2.2.2 模型精度分析 20 2.3 以 GIM 数据为背景场的区域电离层 VTEC 建模 24 2.3.1 模型的观测方程 24 2.3.2 数据的权重分析 25 2.3.3 模型连续性讨论 26 2.3.4 算例和模型精度分析 27 2.4 基于广义回归神经网络的区域电离层 VTEC 建模 34 2.4.1 广义回归神经网络 34 2.4.2 基于广义回归神经网络的区域电离层 VTEC 模型. 36 2.4.3 算例和模型精度分析 37 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 II 页 2.4.4 模型的空间外推能力分析 40 2.5

7、 本章小结 42 第三章 卫星导航仿真系统的区域电离层 VTEC 短期预报初探 44 3.1 电离层短期预报方法 44 3.2 区域电离层 VTEC 多项式模型系数特性分析 . 46 3.3 基于时间序列分析理论的区域电离层 VTEC 短期预报 47 3.3.1 多项式模型系数序列的统计检验和预处理 48 3.3.2 模型形式和模型阶次确定 50 3.3.3 最小二乘方法解算模型参数 53 3.4 算例和模型精度分析 55 3.4.1 多项式模型零阶系数的预报精度分析 57 3.4.2 中国区域 VTEC 的预报精度分析. 59 3.5 本章小结 67 第四章 卫星导航仿真系统的区域对流层延迟

8、建模. 68 4.1 对流层对无线电波传播的影响 68 4.2 对流层延迟模型 70 4.2.1 对流层天顶延迟模型分析 70 4.2.2 对流层映射函数分析 73 4.3 气象参数对对流层天顶延迟的影响研究 76 4.3.1 气象参数及其随高程变化模型 76 4.3.2 中国区域内气象参数对天顶延迟量的影响分析 77 4.4 气象数据柵格处理 80 4.5 本章小结 85 第五章 高精度电离层延迟和对流层延迟模型的实时仿真算法研究 87 5.1 多实时层的分布式实时仿真体系结构设计 87 5.2 高精度电离层延迟和对流层延迟模型的实时仿真算法 89 5.3 算例和系统实时性分析 93 5.4

9、 本章小结 97 第六章 结论与展望. 98 6.1 研究结论 98 6.2 研究展望 99 致 谢 101 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 III 页 参考文献. 102 作者在学期间取得的学术成果111 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 IV 页 表 目 录 表 2.1 多项式模型的偏差统计 21 表 2.2 三角级数模型的偏差统计 21 表 2.3 球函数模型的偏差统计 21 表 2.4 VTEC 曲线跳变量级和解算均方差. 33 表 2.5 网络模型的拟合偏差和泛化偏差统计 39 表 2.6 网络模型在不同空白区域范围内的偏差统计 42 表 3.1 多项式模型系数结构

10、 56 表 3.2 用于 VTEC 短期预报的第一组多项式模型系数序列 56 表 3.3 用于 VTEC 短期预报的多项式模型系数序列 56 表 3.4 预报得到的部分多项式模型系数 59 表 3.5 预报模型在 121 天内的偏差统计 67 表 4.1 Niell 干延迟映射函数的格网系数. 75 表 4.2 Niell 湿延迟映射函数的格网系数. 76 表 4.3 三种典型气象环境及气象参数变化范围 79 表 4.4 天顶折射量对各气象参数的敏感度 80 表 4.5 用于柵格化的部分气象站经纬度和高程 82 表 4.6 用于柵格化的部分实测的气象数据 83 表 4.7 柵格化气象参数偏差统

11、计 85 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 V 页 图 目 录 图 1.1 Galileo 系统发展进程 . 4 图 1.2 卫星导航仿真系统组成 7 图 1.3 论文组织结构 15 图 2.1 单层电离层模型与导航卫星观测的几何关系 16 图 2.2 电离层 VTEC 随地方时的周日变化曲线 18 图 2.3 多项式模型、三角级数模型和球函数模型的偏差分布 22 图 2.4 多项式模型、三角级数模型和球函数模型的偏差统计 23 图 2.5 时间加权方法的平滑系数曲线示意图 27 图 2.6 中国区域的电离层穿刺点的分布 28 图 2.7 联合模型在观测数据密集区域内的 VTEC 偏差

12、 29 图 2.8 实测数据解算的模型在观测数据密集区域内的 VTEC 偏差 30 图 2.9 联合模型在测试点上的 VTEC. 31 图 2.10 实测数据解算的模型在测试点上的 VTEC. 31 图 2.11 联合模型在观测数据空白区域内的 VTEC 偏差 32 图 2.12 实测数据解算的模型在观测数据空白区域内的 VTEC 偏差 32 图 2.13 时段间无平滑的原始 VTEC 曲线 33 图 2.14 时段间时空约束平滑的 VTEC 曲线 33 图 2.15 时段间时间加权平滑的 VTEC 曲线 33 图 2.16 基于 GRNN 的 VTEC 模型结构 37 图 2.17 网络模型

13、的拟合偏差和泛化偏差 39 图 2.18 空白区域为北纬 10deg 至 20deg 时网络模型和多项式模型的偏差. 41 图 2.19 网络模型在不同空白区域范围内的偏差 42 图 3.1 GIM 模型和多项式模型的零阶次系数变化曲线 . 47 图 3.2 零均值化前后的多项式模型零阶系数 57 图 3.3 半个月的零均值化后的多项式模型零阶系数 57 图 3.4 周期差分后的多项式模型零阶系数 58 图 3.5 基于 AR 模型的零阶系数预报值与原始值比较. 58 图 3.6 中国区域的 VTEC 原始值和预报值 61 图 3.7 VTEC 在 121 天内的预报值与原始值的比较. 66

14、图 4.1 路径弯曲延迟量与传播速度延迟量对比 69 图 4.2 气象参数对对流层天顶折射量的影响 79 图 4.3 我国气象站的高程分布 83 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 VI 页 图 4.4 各气象参数的插值偏差 84 图 4.5 各气象参数的整体偏差 85 图 5.1 数学仿真分系统的多实时层分布式实时仿真结构 88 图 5.2 以 GIM 数据为背景场的区域电离层 VTEC 模型计算流程 89 图 5.3 基于广义回归神经网络的 VTEC 模型计算流程 90 图 5.4 基于时间序列分析理论的区域电离层 VTEC 短期预报模型计算流程 91 图 5.5 气象栅格模型的计算

15、流程 92 图 5.6 电离层延迟和对流层延迟模型实时仿真算法 93 图 5.7 伪距观测数据的串行仿真方式计算流程 94 图 5.8 伪距观测数据的并行仿真方式计算流程 95 图 5.9 并行仿真和串行仿真的计算耗时 96 图 5.10 武汉站观测 GPS 的 P 码伪距仿真值与实测值的偏差绝对值. 97 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 i 页 摘 要 在卫星导航系统的建设初期，由于导航星座组网尚未全部完成，系统不能或 者只能有限地提供卫星导航信息，需要利用卫星导航仿真系统生成信号层面上的 导航数据，用于完成导航系统的体制验证、地面信息处理及接收机的功能和性能 测试。这种卫星导航仿

16、真系统有别于一般的卫星导航仿真系统，具有如下特点和 要求： （1）高精度要求，与一般的卫星导航信号模拟器不同，该仿真系统产生的 数据首先转换为射频信号，供监测接收机接收后回传给地面信息处理中心，用于 定轨和星历预报，因此对仿真数据的精度提出了很高的要求； （2）强实时性要求， 仿真系统需要与外部硬件设备进行实时数据交互，要求仿真系统与外部时钟严格 同步，对系统的实时性提出了很高的要求； （3）数据预报功能，仿真系统除了能 进行观测数据的事后仿真外，还可能与实际的卫星导航系统并行运算。为了保证 仿真观测数据能够与卫星导航系统的实测数据保持高度一致性，要求仿真系统具 备数据预报能力。目前，虽然已有不少学者在进行卫星导航仿真系统研究，但大 多没有同时考虑到高精度和强实时性的需求，因此本论文针对此类卫星导航仿真