1、其次，研究了与“北斗二号的组合定位算法以及、“北斗二号和欧洲的伽利略系统（简称）的组合定位算法，通过参考与组合定位的数学模型，建立了这两种组合定位算法的数学模型，并推导了组合定位的数学表达式。针对多系统组合定位中遇到的星座之间时间系统和坐标系的不统一的问题，借鉴已有的处理方法，将的一和“北斗二号系统的视为同一坐标系，降低了算法实现的复杂度。最后，本文对上述算法进行了详细仿真，对仿真结果进行了分析与比较，对各种算法的性能进行分析与评估。关键词：北斗一号；卫星导航定位；定位算法；北斗二号；组合导航定位西南交通大学硕士研究生学位论文第页一一一，一，一，一，一，一，：一；：学位论文版权使用授权书本学位
2、论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和会编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书；不保密影使用本授权书。（请在以上方框内打“）学位论文作者签名：专乌啉指导老师签名。：珍勺。铆爿指导老师签名：日期：。夕、泖日期：卅泖宰口，巧西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个
3、人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：（）本文基于现有的参考文献和我国北斗导航系统的发展情况，在仿真中模拟了“北斗二号系统的星座，该星座由颗中轨道卫星和颗静止卫星组成，属于一种混合星座。在此星座基础上对北斗二号系统定位算法进行了仿真研究，通过分析和比较仿真结果，证明该混合星座是可行的。（）本文对多系统组合定位算法进行了研究与仿真，并通过几何精度因子分析评估了组合系统的性能。彩膨勿卜日期：。矿第章绪论研究的背景及意义为了确保我国及其周边能在非常时期得到高精度、全天候、多
4、功能卫星导航信息，我国必须加紧建立和完善属于自己知识产权的卫星导航定位系统，这对保障我国的经济安全和国防安全将起到重要的作用，极具战略意义。年，美国几位科学家提出了双星导航定位概念，年，中国开始筹划卫星导航定位系统，年初，我国正式以双星快速定位通信系统为名开始进行整个计划，陈芳允主持了“双星定位系统”的研制工作。当时我国专家提出多种卫星导航定位系统的构想，经过深入评析，多数专家认为，利用枚或枚位于地球同步轨道的通信卫星进行导航定位的方案比较适合大陆。由于当时大陆航天科技实力，已具有制造与发射同步轨道通信卫星的能力，也已建立卫星地面追踪网，有相当规模的卫星轨道数据处理中心，所以有利于发挥既有的卫
5、星资源与地面设施功能；另一方面也顾及到我国经济力量有限，因为此项发展需要颗卫星类似美国的卫星导航定位系统，需要大量经费，当时我国尚无此财力。年底我国研发单位就提出了总体技术方案和试验方案，预估只要年时间，就可利用已在轨道的枚同步卫星进行整体演练，验证导航定位原理，并检验系统实用性，寻找实现双星导航定位的技术途径，并在年演示成功，在世界上第一次实现地面目标利用两颗卫星快速定位、通信和定时一体化。就在我国筹备双星定位系统期间，我国专家发现年美国已有名科学家开始发展一个利用枚同步轨道卫星，名为的定位系统，还获得多项专利。但是后来因为功能更佳的全球定位系统发展迅速，使得研发中的系统资金被撤走，在年宣告
6、失败。由于最后也将使用枚卫星定位改为双星定位，因此我国仍宣称使用双星定位的概念是其最早提出并实现的。西南交通大学硕士研究生学位论文第页年月日凌晨点，我国科研人员以库尔勒、南宁等个用户机进行第一次定位演练，结果证明，利用双星定位可实现定位、定时、简短通信三大功能，而且比当时的民用码精度高好几倍。年月，双星快速定位通信系统正式命名为“北斗”卫星导航定位系统，并列为我国“九五计划”要项。双星快速定位系统演练验证试验的成功，为“北斗”系统奠定了技术基础。接下来的年多里，北京跟踪与通信技术研究所又完成地面控制中心等应用系统的总体设计方案，建构“北斗”系统的完整架构。卫星导航系统以其全天候，全天时的提供高
7、精度的位置、速度和时间信息，在军用及明用上越来越显示其重要的用途。卫星导航定位系统广泛应用于民用领域，卫星导航定位系统已应用于陆地、海洋和空中交通运输的导航，推动世晃交通运输业发生了深刻变革。它在工业、精细农业、资源调查、测绘、地理信息产业等领域已得到广泛应用；它还用于宇宙飞船、空间站和低轨道卫星等航天飞行器的导航和定位，推动了航天事业的飞速发展。在军用方面，卫星导航定位系统可为各种军事运载体导航，使武器的命中率大为提高，已成为武装力量的倍增器；它作为一个功能强大的军事传感器，已经成为电子战、信息战及导航战的重要利器。可以说，谁拥有了先进的卫星导航定位系统，谁就在很大程度上掌控了未来战争主动权
8、。卫星导航的基本作用就是为运载体航行服务，它所提供的服务应该满足航行所提出的特定要求。其中定位精度是衡量导航系统性能的重要指标。在导航系统建立后，硬件设备及环境带来的误差是不可避免的。如何尽可能减少导航系统带来的定位误差，提高定位精度成为一项重要研究课题。国内外现状北斗双星定位系统采用有源节点式定位体制，通过三球交会测量原理进行定位。系统的工作过程可简述如下：首先由中心控制系统向卫星和卫星同时发送询问信号（即出站信号），经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统，中心控制系统接收解调用户发送的信号，测量出用户所在点至
9、两卫星的距离，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处西南交通大学硕士研究生学位论文第页理。对于定位申请，根据测出的两个距离，加上从储存在计算机内的数字化地形图查询到的用户高程值（或由用户携带的气压测高仪提供），计算出用户所在点的坐标，经加密后由出站信号发送给用户。从以上工作过程来看，北斗双星系统采用的有源定位方式主要有以下几个缺点：（）低纬度地区定位精度差；（）定位结果输出有较大的时延，不适宜定位高动态用户；（）保密性差，容易暴露自己的位置；（）用户的数量有限。此外，与其他卫星定位系统类似，北斗双星系统也存在着数据更新率低、易受干扰、不能直接提供载体的速度、加速度和姿态信息等问题。双星定位
10、系统改进方案对于双星系统存在的缺点，国内很多学者提出了相应的改进方案。柴霖等【提出了几种增强方案，有铷钟法、伪卫星法和罗兰（）增强法。利用铷钟法的原理是保持用户与卫星的时钟一致，利用两颗卫星以及高度表或者电子地图就能解算出用户的位置。利用铷钟法的还有李廷军【】，他利用铷钟实现组合导航。利用伪卫星的目的通过增加伪卫星来获得更多的观测信息，可以得到四个或者四个以上的方程，便于求解接收机的位置。王玮【，隋艺【】，都采用了伪卫星法。在增强法方面，马立新【】利用罗兰和北斗进行组合导航来提高定位精度。朱伟型等人研究了利用互模糊度函数【】联合估计的双星高精度定位技术，提出了利用模糊函数进行时差频差联合估计【
11、】的方法，比单独测量频差具有适应信号能力强、测量精度高、实时性好等优点。差分法可以减小测距误差，原理是利用用户附近位置精确已知的差分站，估计并补偿差分站和用户接收机测量信息中的共模误差。由于共模误差占测量误差的主要部分，因此，这种方法可以大大提高测距精度。刘雅娟【，吴建华【】，利用差分法来提高定位精度。另外，由于增强后的系统伪距测量方程数增加，若充分利用这些伪距信西南交通大学硕士研究生学位论文第页息，并在用户端辅以原子钟和高度计，则能够实现无源定位。林雪劂】、薛鸿印【等提出了用两颗工作星加上一颗备份星，三颗卫星得到三个伪距测量方程，加上来自与用户自身携带的气压高度表的高度信息实现无源定位。薛鸿
12、印给出实验结果为水平定位精度为米，这种方案不需要依赖其他台站的辅助，用户可以自主地实现定位，保密性好；存在的问题是对卫星信号受干扰比较敏感，定位误差比较大，数据更新率低，位置输出跳动比较大。组合定位改进方案单点定位方式始终存在数据更新率低、易受干扰、不能直接提供载体的速度、加速度和姿态信息等问题，难以满足如飞行器等高精度、高动态、对载体姿态进行控制的要求。解决这个问题的办法就是将北斗系统的定位信息和来自于载体携带的其他传感器的信息进行融合，组成组合导航系统。由于惯导系统在各种高精度导航系统中，特别是军用导航系统中的应用十分普遍，且与北斗的互补性强，因而对北斗惯导组合系统的研究是一个主要方向。华
13、冰【”】对北斗星敏感器组合导航进行了研究，黄显亮掣】对罗兰双星多传感器组合导航进行了研究，林雪原【研究了双星定位组合系统，李庆利【究了无陀螺及其与北斗组合导航的融合算法。孙国良【】等人提出了一种双星定位系统（）无源测距信息与多普勒导航系统酬（）组合导航的方法。北斗惯导组合最基本的方式是位置组合，即以北斗的位置输出作为观测量实现组合。由于北斗输出的位置并不是当前时刻用户所处的位置，因此。实现位置组合首先要解决定位的时间延迟问题，林雪原【利用惯导输出的速度推算，从提出定位申请到取得定位结果这段时间用户天线的位置变化量，结合北斗的定位结果计算载体当前时刻的位置，然后再与惯导进行组合。北斗惯导位置组合
14、有效地提高了定位精度，可以以较高的数据更新率输出平滑的位置、速度和姿态，即使卫星信号受到干扰，系统仍然能够依靠惯导继续工作，提高了系统的可靠性。在位置组合的基础上，林雪原【】利用一个北斗接收机。配置多个天线确定载体的姿态，与惯导构成位置和姿态组合。扈光锋【用北斗两个相邻位置西南交通大学硕士研究生学位论文第页输出的差对时间求平均得到用户天线的平均速度，与惯导构成位置和速度组合。这些方法对信息的利用更充分，进一步提高了定位精度。为了获取载体的位置，接收机必须向卫星发射信号，容易暴露自己的位置。刘建业【引，罗建军】等提出在精度允许的范围内，尽可能地降低组合的频度，以降低暴露目标的概率。但是，建立在有
15、源定位模式下的组合导航系统仍然无法彻底解决保密性差、用户数目受限的问题。为了克服有源定位的局限性，必须摆脱问答式的定位模式。由于北斗的下行信号与的信号体制类似，接收机可以输出伪距测量信息，如果直接利用伪距而不是位置输出作为观测量构成组合导航，就可以避免向外发射信号，形成无源定位系统。林雪原钔、王永刚【、李锐【】提出用三颗卫星的伪距与惯导构成紧组合导航系统，验证了北斗伪距的可行性。鉴于北斗系统不提供类似导航电文中的各种误差修正参数，伪距测量精度较低，林雪原提出在用户端增加铷原子钟以补偿接收机钟差，并辅以气压高度计，以进一步提高导航精度。北斗伪距组合不存在位置组合中的时延问题，且不需要对外发射信号
16、，提高了系统的保密性。但是北斗卫星数目少，提供的伪距精度比较低，使得组合导航的精度受到限制。在进行组合定位时，卡尔曼滤波器【】是经常用到的，比如刘子民】等应用卡尔曼滤波技术实现了和北斗双星定位系统的组合导航。载波相位时间差分与组合可以很大程度上提高定位精度，汤勇刚、练军想、吴美平【】【】等则充分利用了用载波相位时间差分信息，进一步提高组合导航的精度，建立高精度的无源北斗组合导航系统。多系统组合定位预计从开始，全球将有四套卫星导航定位系统提供服务，针对世界上多种卫星定位导航系统同时并存的状态，能同时兼容接收多个卫星定位导航系统的技术就显得格外重要。相对于单系统的接收技术，多系统接收机有着显而易见
17、的优势：定位更加可靠，更加精确和更加稳定；多个卫星定位导航系统兼容，可以使各个卫星定位导航系统互为备份，在一个系统的卫星处于非正常工作状态的时候，用另外系统的卫星来进行定位和导航，使用户的接收机真正成为全天候的定位导航接收机。马瑞【】对多卫星系统组合导航的可用性进行了分析，认为多卫星组合导航定位是未来的发展趋势，就算截止角较大时，同样可以观测到足够的卫星来解算接收机的位置。鉴于北斗双星定位系统中某些算法的定位精度还是不是很高，还有很多可以改进的地方，本文首先对现有的一些算法进行仿真，然后再进行适当的改进，并对几种算法在同一仿真条件下进行对比与分析。由于多系统组合定位能够很大的提高定位精度，并且
18、是将来的发展趋势，所以本文对“北斗二号系统与美国的全球定位系统和欧洲的“伽利略系统组合定位进行了研究。论文的主要内容和结构安排目前，在许多文献中已经广泛分析了双星定位的误差来源以及相应的解决方案。在本课题中对已有的“北斗一号”系统的定位算法进行研究，并对一些算法进行适当的改进，又对“北斗二号”系统进行了研究，并设计了一个由颗中轨星和颗静止星组成的星座，在此星座上对定位算法进行了仿真，从仿真结果可以证明星座性能良好。本文的研究内容如下：）第章，介绍课题的研究背景和研究的意义，然后对论文的主要结构加以说明。）第章，首先简单阐述了国外的几个导航系统，然后详细的阐述了我国北斗导航定位系统，包括“北斗一
19、号”和“北斗二号”。）第章，对北斗导航系统的各种算法进行了研究，包括建立模型和分析误差的主要来源。）第章，对算法进行仿真，并对结果进行分析，在“北斗二号”方面，自己设计个由中轨道和静止轨道组成的混合星座，以此星座作为北斗二号系统的星座，参考定位方法，对伪距定位法进行了仿真，并分析了定位误差。）论文的最后是结论与展望部分，对全文进行了总结，并对未来工作的展望。第章卫星导航定位系统概述全球定位系统美国的全球定位系统】【】（）简称为，系统由颗工作卫星和颗备用卫星组成。它们分布在个等间距的轨道平面上，轨道面相对赤道的夹角为度，每个轨道面上有颗工作卫星，卫星的轨道接近圆形，轨道高度为万公里，周期约小时。
20、能覆盖全球，用户数量不受限制。其所发射的信号编码有精码与粗码。精码保密，主要提供给本国和盟国的军事用户使用；粗码提供给本国民用和全世界使用。精码给出的定位信息比粗码的精度高。系统能够连续、适时、隐蔽地定位，一次定位时间仅几秒到十几秒，用户不发射任何电磁信号，只要接受卫星导航信号即可定位，所以可全天候昼夜作业，隐蔽性好。全球导航卫星系统俄罗斯的格勒纳斯系统【】简称，系统拥有工作卫星颗，分布在个轨道平面上，同时有颗备份星。每颗卫星都在万公里高的轨道上运行，周期为小时分。因卫星星座一直处于降效运行状态，现只有颗卫星能够正常工作。的精度要比系统的精度低。为此，俄罗斯正在着手对进行现代化改造，年月就发射
21、了颗新型“旋风”卫星。该卫星的设计寿命将为年（现行卫星寿命为年），具有更好的讯号特性。与有许多不同之处。一是卫星发射频率不同。的卫星信号采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分。而采用频分多址体制，卫星靠西南交通大学硕士研究生学位论文第页频率不同来区分，每组频率的伪码相同。由于卫星发射的载波频率不同，可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。二是坐标系不同。使用世界大地坐标系（），而使用前苏联地心坐标系（）。三是时间标准不同，系统时与世界协调时相关联，而则与莫斯科标准时相关联。欧洲导航卫星系统欧洲的“伽利略”系统简称为，是欧洲
22、计划建设的新一代民用全球卫星导航系统，预计年系统建成并投入运营。按照规划，“伽利略”计划将耗资约亿美元，星座由颗卫星组成。卫星采用中等地球轨道，均匀地分布在高度约为万公里的个轨道面上，星座包括颗工作星，另加颗备份卫星。系统的典型功能是信号中继，即向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现，例如通二移动通信网来实现。“伽利略”接收机不仅可以接受本系统信号，而且可以接受、“格鲁纳斯”这两大系统的信号，并且具有导航功能与移动电话功能相结合、与其他导航系统相结合的优越性能。“伽利略”系统与系统的主要区别在于：“伽利略”系统确定地面位置或近地空间位置要比精确倍。其水平定位精度优于米，时间信号精度达到纳秒。必要时，免费使用的信号精确度可达米，如与合作甚至能精确至米。“北斗一号卫星定位系统“北斗一号卫星导航系统的组成和特点北斗双星定位系统【由空间卫星部分、地面系统部分和用户三大部分组成，如图所示。西南交通大学硕士研究生学位论文第页瓣羚餐髅曰图一北斗一号系统的组成（）空间卫星部分由颗地球静止卫星组成，其主要任务是执行地面中心与用户终端之间的双向无线电信号中继业务。（）地面系统部分由主控站和计算中心（二者台在一起简称地面中心）、测轨站、气压测高站、标校站等组成。（）用户设备用户设备是系统的应用终端。“
