论文部分内容阅读
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)已广泛应用于军事、国民经济建设、大地测量、空间科学等领域，对国家的政治、经济和军事均有重要意义。目前，多个国家和各组织都在积极努力建设或更新自己的卫星导航系统，已形成了BDS/GPS/GLONASS/GALILEO等卫星导航系统并存的局面。 GNSS仿真在卫星导航系统的设计、建设、运行、应用与维护过程中具有重要意义。数学仿真模型与软件是GNSS仿真的重要组成部分。数学仿真充分利用计算机仿真技术，建立符合卫星导航系统工作原理及机制的数学模型，生成或者复现卫星导航系统的各种行为，以改善卫星导航系统的性能及卫星导航系统设备的研发与测试。 另一方面，多卫星导航系统（简称多模GNSS，Multi-GNSS）的共存、兼容与互操作是GNSS发展的必然趋势。多模GNSS数据处理已成为GNSS领域研究与应用的热点之一。目前，BDS/GPS/GLONASS/GALILEO虽然能提供实测数据进行综合处理，也需要借助多模GNSS仿真系统提供多系统仿真数据。 结合我国北斗卫星导航系统(BDS)以及iGMAS数据分析中心建设的迫切需求，围绕GNSS仿真与多模GNSS数据联合定位等关键技术问题，本文主要针对以下三个方面进行深入探讨和研究: (Ⅰ)系统研究了GNSS数学仿真模型及关键技术GNSS仿真是我国BDS从区域系统向全球系统转变的不可或缺的重要技术手段，现阶段多频多模GNSS数据的获取以及GNSS接收机的测试等均对GNSS仿真技术有迫切的需求。本文系统研究了GNSS仿真中的数学仿真模型及关键技术: 1)系统性研究了GNSS导航星座仿真、导航电文生成与编码、空间环境效应仿真与观测数据生成等仿真模型与关键技术; 2)实现了天线方向图仿真，充分顾及了载体姿态对GNSS信号的影响; 3)研究并实现了基于实测GNSS数据的仿真方法; 4)在详细分析GNSS仿真物理硬件的基础上，基于数据总线(PCI)的数据传输方式，实现了仿真软件对仿真硬件的实时控制，满足50Hz高采样率的实时仿真需求，同时保留了基于socket协议的缓慢的数据传输方式，满足仿真用户对高频仿真的需求; 5)初步实现了实时高动态三维用户轨迹仿真与显示。相对于枯燥的用户轨迹与姿态等数据，用户的3D实时显示可以给软件使用者更好的体验。 (Ⅱ)研究了多模GNSS数据联合定位的关键技术与方法相对单一卫星导航系统，多模GNSS可见卫星数明显增加，改善了卫星空间几何结构，极大地丰富了用户可用的信息，为进一步提高GNSS应用的精度和可靠性创造了积极的条件。本文系统分析与研究了多模GNSS数据联合定位的关键技术与实现方法: 1)提出了一种基于不同导航系统间轨道精度加权，同一导航系统内按高度角加权的多系统联合定位策略，实现了多模GNSS数据的合理融合。该策略不但充分考虑了卫星轨道是影响多模GNSS数据联合定位的重要因素，而且顾及了各卫星导航系统之间的差异。 2)研究了多模GNSS涉及的时间空间基准，利用七参数转换模型实现了坐标基准的统一，通过改正时间系统之间固定的偏差实现时间基准的统一。 3)提出了一种基于站间单差相位绕转数据估计测站天线旋转速率的方法。 相位绕转在GNSS定位中是一种误差源，但包含测站接收机天线旋转的有用信息。首先由无几何距离观测值的变化判断天线旋转开始与结束时间，然后利用单颗卫星站间差分的无几何距离观测值求出测站天线旋转角度，求出单颗卫星的测站天线旋转速率，最后将所有卫星计算的测站天线旋转速率按照高度角加权平均得到最终的天线旋转速率。通过设计合理的实验方案和实测数据验证了该方法精确估计测站天线旋转速率的有效性。 4)系统性研究了不同太阳月亮坐标算法对相位绕转改正、卫星天线相位中心偏差改正以及固体潮改正的影响，分析和研究了太阳月亮坐标差异对精密单点定位的综合影响。 (Ⅲ)研制了BDS/GPS/GLONASS/GALILEO仿真与数据处理软件基于(Ⅰ)(Ⅱ)研究的数学模型与关键技术，围绕GNSS数学仿真与多模GNSS数据联合定位两个方面，研制了BDS/GPS/GLONASS/GALILEO数学仿真与数据处理软件。该软件不但具有测试多模GNSS接收机、实时仿真多频多模GNSS数据等功能，而且可以综合处理仿真和实测的多模GNSS数据，满足了我国BDS建设与iGMAS数据分析中心建设的需求。 1)构建的GNSS仿真系统具备BDS、GPS、GALILEO、GLONASS卫星导航系统50Hz高采样率实时仿真能力，可以满足用户对GNSS仿真的多种需求。目前，已成功通过中国航天科技集团的验收并交付使用，直接服务于我国BDS建设及卫星导航相关设备的研发和测试。 2)研制的多模GNSS数据联合定位软件是多模GNSS数据分析的有力工具，其中相对定位部分已成功应用于测地所iGMAS数据分析中心建设的验证中。