GPS/GLONASS组合单点定位中选星算法的研究

通过分析影响定位精度的因素,给出了一种基于高度角和GDOP的组合选星算法,研究了其算法在GPS/GLONASS组合单点定位中的应用,在提高定位效率的同时提高了定位精度。结果表明,在动态定位中能快速选出较少的卫星组合用于定位解算,能满足动态用户对实时性的需求。     

基于STK的典型机场BDS性能分析

为分析北斗卫星导航系统(BDS)在我国机场的导航性能,通过卫星仿真工具包(STK)建立了BDS星座,仿真并分析了11个典型机场的卫星可见星数和几何精度衰减因子(GDOP)的值．仿真结果表明,BDS在多数典型机场拥有较多的可见星数目与较低的GDOP值,通过对比GDOP值对应的定位精度分级表,得出BDS在国内大部分典型机场能够提供优级的导航服务,为利用BDS实施进近提供了良好的技术支撑.      

一种多系统组合导航快速选星方法

采用多卫星导航系统组合导航,定位精度和系统可靠性会大幅提升,但导航定位运算量也会成倍增长。为解决多系统组合导航定位精度与实时性之间的矛盾,提出一种新的选星方法。新方法不追求最小GDOP值,而是以满足导航定位精度的GDOP值为前提,结合模糊理论中隶属函数的思想,按卫星在星座中均匀分布为原则进行选星。推导伪距测量的误差模型,分析了GDOP与测量误差之间的关系。北斗、GPS和GLONASS三系统组合导航选星实验结果表明,在不超过3次求解GDOP值的情况下,新方法能以不小于98%的概率得到GDOP≤4。     

北斗/GPS组合定位方法

随着北斗卫星导航系统的逐渐完善,有关北斗系统定位的研究越来越深入,为了对比分析北斗系统和全球定位导航系统(GPS)定位的差异性,充分利用北斗地球静止轨道卫星(GEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)高轨道卫星的特殊性,本文提出一种新的组合选星方法,选取卫星数较少且Position Dilution of Precision(PDOP)最小的北斗/GPS组合,分别对比分析北斗系统、GPS系统及其组合系统在楼顶开放环境和楼间恶劣环境下的定位效果。实验结果表明:北斗比GPS有更加稳定的定位效果,依据本文组合选星方法,利用少量卫星即可获得较好的定位精度。     

BDS-3/GPS在遮挡环境下定位性能分析

针对在全球卫星导航系统(GNSS)信号易遮挡地区,单一系统可见卫星数较少,定位性能不理想甚至难以满足定位需求的问题,分析北斗三号(BDS-3)在不同区域遮挡环境下对定位性能的改善. 通过全球不同区域MGEX(Multi-GNSS Experiment)监测站的观测数据,采用GPS、BDS-3、BDS-3/GPS组合定位三种模式,在不同模拟遮挡环境下进行伪距单点定位,分析了各模式下可见卫星颗数、历元利用率、几何精度衰减因子(GDOP)值和定位精度. 结果表明:在北半球区域,相较于其他方向遮挡,GPS模式在低纬度地区南面遮挡的定位稳定性和精度最高,在中高纬度地区北面遮挡的定位稳定性和精度最高,BDS-3和BDS-3/GPS组合模式在低纬度地区各方向遮挡定位精度相当,在中纬度和中高纬度地区,北面遮挡的精度明显优于其他方向遮挡的定位精度. BDS-3/GPS组合定位模式,大大增加了可见卫星颗数,历元利用率提高,卫星空间几何结构改善,GDOP值降低,稳定性和定位精度明显优于单系统.      

城市峡谷中GPS/BeiDou伪距单点定位性能分析

随着中国BeiDou卫星导航系统的正式投入使用,多卫星系统数据融合是未来定位的发展趋势。本文介绍了GPS/BeiDou组合伪距单点定位数学模型与方法,利用GPS和BeiDou全星座仿真数据,初步研究并分析了城市峡谷中多种典型遮挡环境下单卫星导航系统和组合导航系统的单点定位性能,包括可见星数量、PDOP值、单点定位精度等。结果表明,城市峡谷中建筑物的遮挡使得单卫星导航系统可见星数量不足,导致无法连续定位,几何结构分布不够理想,而GPS/BeiDou组合系统能够显著增加可见卫星数,提高系统可用性,减小PDOP值,有效改善SPP定位精度。     

地基伪卫星区域导航系统快速布设算法

现有的几种地基导航伪卫星布局优化算法时间复杂度过高,无法满足应急场景下的伪卫星导航系统布设需求,为此提出了基于最大凸多面体准则的快速优化算法。该算法利用最大凸多面体准则,对所有可能布设伪卫星的位置进行评估,评估依据为能否对降低多用户几何精度因子加权均值产生较大贡献,评估结果将可布设伪卫星位置分为高贡献度顶星位置、高贡献度底星位置和低贡献度可剔除位置3类。评估后穷举高贡献度的顶星、底星组合,找到最优伪卫星布局。将该算法应用于常见不规则地形的伪卫星布设问题中,仿真结果表明,该算法能够得到全局最优解,且解算耗时较现有算法大幅减少,能够满足应急场景下伪卫星导航系统布设的实际应用需求。     

基于GDOP贡献值递推的自动天文选星算法

传统天文测量依赖人工选星,自动化程度不高,难以快速选出具有最优几何分布的恒星观测组合,因而存在测量效率低、定位精度易受作业员影响等突出问题.为此,提出一种基于GDOP贡献值递推的自动天文选星算法.首先,构建GDOP贡献值的数学模型,确定递推选星策略,实现自动化选星;其次,利用GDOP值定量评估恒星观测组合的几何分布特性,经可测性分析后编制出具有最优几何分布的观测星表.相比于人工选星,恒星观测组合的GDOP值减小0.025,优化了恒星观测组合的几何分布;每个观测时段测量耗时由29 min减少到12 min,测量效率提高58.6％.所设计的算法性能良好,且可实现自动化,具有较好的应用前景.     

GNSS多系统融合相对定位选星方案设计及精度分析

针对全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)多系统融合定位精度及解算效率的平衡问题,提出一种基于相对定位模型下的分区域快速选星算法.该方法首先基于相对定位原理,构建伪距双差观测模型,其次利用卫星的方位角进行区域划分,在不同系统和高度角的条件下选取空间分布均匀的卫星,最后利用所选卫星进行待定点的定位解算.算例分析表明:当高度角为5°,三系统组合定位为最优选星方案,该方案对应的平均相对定位精度衰减因子(RDOP)值为1.54,待定点位置误差控制在2.5 m之内.     

GPS/BDS/GLONASS/Galileo多系统融合在中国区域的仿真分析

通过STK软件对GPS、BDS、GLONASS、Galileo四个系统的星座结构进行仿真,并选择单系统与多系统组合定位的方式对中国区域内的可见卫星数、GDOP值和定位精度进行覆盖分析。结果表明,GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合定位在我国的GDOP值可达0.7~0.8,定位精度可达3~4m,优于其他方式的组合定位;同时四系统组合定位下的GDOP值降低,定位精度更好,GDOP值与定位精度的波动异常得到了抑制,导航定位的性能与稳定性也得到了相应的提升。     

北斗／GPS双模定位中快速选星算法研究

采用双系统组合定位模式,导航接收机能在同一时刻接收到超过20颗可见星,大大增加了可见星的数量,能提供十分精准的定位。但可见星数量大幅度增加带来定位精度提升的同时也带来了大量的计算量,加上实际作业中的一些问题,都大大增加了选星时间。本文从GDOP与星座几何布局的关系出发,结合实际应用场景,提出了基于仰角和方位角排序的选星算法。该方法以满足定位要求为前提,根据可见星仰角排序初筛卫星,对不同仰角卫星进行合理的顶星选择,以卫星均匀分布为原则,将在理想情况和实际情况下寻找有效定位平衡点,以规避无效选星并减少计算量,从而大大减少选星时间,有效实现了在北斗和GPS双模定位中的快速选星。      

多星座实时导航中一种快速次优的选星方法

随着各国卫星导航系统的建设与完善,同一历元的可见卫星数目逐渐增加,如何对众多卫星进行选择以优化利用现有资源便显得迫切而重要。本文以获得满足设计要求的GDOP为前提,根据各时刻可见卫星数量的大小,选择适合的遮蔽仰角,以卫星空间构型的体积与GDOP关系为依据,引入计算几何学中解决三维点集的凸壳问题的增量算法,并结合导航卫星星座的自身特点,提出了对卫星位置坐标直接进行选择的一种快速次优的选星算法。实验结果表明,在GDOP满足要求且选星数较少的情况下,相对传统GDOP选星法大大减小了计算量,该方法简洁快速,能有效满足选星求解的实时性和精度要求。     

基于组合卫星导航系统的编队卫星分析

针对编队飞行中星间相对定位的任务需求,分析了卫星导航系统对编队卫星的动态观测几何问题,引入了相对定位精度衰减因子(RDOP)描述,并讨论了其性质。在对编队中单颗低轨卫星进行导航卫星GDOP分析的基础上,研究了不同编队宽度下编队集合的共视卫星和共视时段,仿真了一定场景下的编队卫星RDOP,并比较了与PDOP的大小关系。接收机的截止高度角对于导航卫星GDOP影响较大;编队宽度会影响到共视卫星的选择;而与采用单个GPS系统相比,采用GPS-Galileo组合卫星导航系统对编队卫星进行相对定位,RDOP数值明显减小,从而有利于高精度的星间位置确定。     

一种GPS/GLONASS/INS数据融合算法

针对卫星导航系统和惯性导航系统(INS)的不同特性,提出了一种GPS/GLONASS/INS数据融合算法。采用差分自适应检测算法、改进码平均相位算法以及位置联合解算方法实现了GPS/GLONASS数据融合,借助于改进的粒子滤波器、INS误差模型建立系统状态方程和观测方程,完成GPS/GLONASS系统速度值和INS系统速度值数据融合,提高组合导航系统精度和可靠性。使用真实数据对数据融合算法性能进行仿真分析,结果表明所设计算法是有效的,能够处理非线性非高斯条件下的滤波估计,提高滤波精度和系统可靠性。     

多传感器与道路网数据用于汽车导航的研究

对车载导航系统中GPS接收机，车论计数器和电子罗盘传感器数据与导航电子地图所提供的道路网络数据进行了综合处理，建立了道路网络数据的网络拓扑关系，在此基础上提出了基于道路网络拓扑关系，利用GPS接收机，车轮计数器和电子罗盘传感器对汽车进行实时定位的算法。最后，对导航中汽车的定位误差进行了分析。实验证明，GPS接收机，车轮计数器和电子罗盘传感器与道路网络数据综合，在导航过程中能够补偿GPS信号技失，实时、高精度、高可靠性地确定汽车的位置。     

Cascade optimization design of inter-satellite link enhanced with adaptability in future GNSS satellite networks

Inter-satellite communication and inter-satellite ranging are the foundation of autonomous navigation for satellite navigation systems. Due to cost limitations, it has been proposed in recent years to equip each satellite with one spot beam antenna, which points to different satellites according to a polling mechanism, resulting in an intermittently connected satellite network. This poses the problem of how to design the inter-satellite link (ISL) contact plan, which determines the evolution of network topology and has important effects on system performance. We propose a new framework for the ISL contact plan design in satellite navigation systems. Considering contact plan design as a multi-parameter and multi-objective optimization problem, the cascade optimization design (COD) is proposed as a method simple to implement and optimize the parameters of the contact plan. COD considers network load and geometry of satellites and has a good adaptability. In the proposed framework, both communication and measurement requirements are taken into account while the contact sequence and the slot length are optimized in two steps. Simulation results show that COD guarantees zero packet drops and achieves the least average delay with a selected network load. When the packet arrival rate is 0.45 packets/s, the packet drop ratio of COD is zero, while that of the traditional simulated annealing design (SAD) is 2.58%. The delay of COD is 22.97 s, which is only two-fifth of the SAD value of 58.77 s. At the same time, using COD the average autonomous navigation weighted dilution of precision decreases from 1.4408 to 0.9671. COD also has strong robustness and performance regardless of the onboard buffer size.     

New characteristics of weighted GDOP in multi-GNSS positioning

In positioning, navigation and timing applications of multi-GNSS (global navigation satellite system) constellations, the geometric dilution of precision (GDOP) offers an important index for selecting satellites and evaluating positioning accuracy. However, GDOP assumes that the measurement errors of all the tracked satellites are independent and have the same accuracy level, which is impossible in practice, especially when the tracked satellites are from various constellations. Through introducing a weighted matrix describing the measurement errors of different satellites into a common GDOP, we focus on new characteristics of weighted GDOP (WGDOP) in two aspects. First, we compare the sizes of WGDOP and the common GDOP based on the range of the weights of different satellites, i.e., the diagonal elements of the weighted matrix. In addition, when the weights of different satellites increase, the change of WGDOP with the weights is also derived. Moreover, a closed-form formula for calculating WGDOP is also presented. The theoretical derivations demonstrate that the closed-form can reduce the computation burden effectively. Furthermore, numerical tests verify these analyses.     

GNSS integration with vision-based navigation for low GNSS visibility conditions

In urban canyons, buildings and other structures often block the line of sight of visible Global Navigation Satellite System (GNSS) satellites, which makes it difficult to obtain four or more satellites to provide a three-dimensional navigation solution. Previous studies on this operational environment have been conducted based on the assumption that GNSS is not available. However, a limited number of satellites can be used with other sensor measurements, although the number is insufficient to derive a navigation solution. The limited number of GNSS measurements can be integrated with vision-based navigation to correct navigation errors. We propose an integrated navigation system that improves the performance of vision-based navigation by integrating the limited GNSS measurements. An integrated model was designed to apply the GNSS range and range rate to vision-based navigation. The possibility of improved navigation performance was evaluated during an observability analysis based on available satellites. According to the observability analysis, each additional satellite decreased the number of unobservable states by one, while vision-based navigation always has three unobservable states. A computer simulation was conducted to verify the improvement in the navigation performance by analyzing the estimated position, which depended on the number of available satellites; additionally, an experimental test was conducted. The results showed that limited GNSS measurements can improve the positioning performance. Thus, our proposed method is expected to improve the positioning performance in urban canyons.     

基于预积分的IMU/ODO外参估计

里程计通常被用于辅助车载GNSS/INS组合导航系统,以解决当遇到高楼、密林、隧道等信号干扰和遮蔽严重情景时导致精度下降的问题,而里程计辅助需要获取准确的里程计杆臂和安装角。鉴于此,本文提出了一种基于预积分的IMU/ODO外参估计算法,使用由里程计观测和GNSS/INS组合导航解算得到的一段时间内的里程增量差异构建代价函数,通过非线性优化器进行标定参数求解。仿真与实际测试均表明了本文标定方法的有效性,里程计观测在经过标定外参补偿后,可为车载GNSS/INS组合导航系统提供厘米级的精度辅助。     

GNSS卫星精密定轨全球地面基准站网随机优化算法

为确保GNSS精密定轨精度和可靠性，需要顾及站点稳定性和观测质量等信息，在全球范围内均匀选取一定数目的地面基准站。在探讨测站数量和分布对导航卫星精密定轨影响的基础上，针对GNSS定轨地面跟踪站在全球分布不均匀的现状，综合考虑站点几何分布、站点稳定性和观测质量信息，提出基于格网控制概率下的全球测站随机优选方法。该方法综合利用格网方法和随机优化方法，通过全球测站分配一定的概率，进而随机抽样和筛选得到全球均匀分布的测站构型。实验结果显示，该方法在全球范围内选取30个测站时，GPS精密定轨的精度能达到2.15 cm，60个测站时，定轨精度优于1.26 cm；90个测站时，定轨精度可提高到1 cm以内。