基于卫星导航系统的定向技术研究

论文摘要

卫星导航定位系统除了用于导航和精密定位以外,亦广泛应用于精密定向。本文围绕基于卫星导航系统的定向技术展开研究,论文的主要内容概括如下:以GPS为例介绍了利用其进行测量的数学模型,并重点介绍了GPS差分载波相位测量的数学模型及线性组合,给出了它们各自的特点,详细分析了载波相位双差短基线测量的各种误差源。阐述了GPS定向的基本原理和数学模型。推导了GPS定向的精度估计公式。实测结果表明,定向精度与基线长度成正比,基线越长,定向精度越高,但当基线达到一定长度后,再增加长度对精度的提高没有实际意义,但有助于提高定向结果的稳定性。对定向精度与测量时间研究表明:定向精度随着测量时间的增加逐渐提高,但当测量的时间达到一小时后,定向的精度逐渐趋于稳定。研究不同的解算方式与定向精度表明:利用L1和L2及Ln解定向的精度较高,而利用Lc和Lw解定向估计精度较差。本文对某导弹阵地多条方位边的GPS实测数据和天文测量数据结果进行了比较,分析了各种误差对定向精度的影响,影响阵地定向精度较大的因素是多路径效应误差、天线相位中心误差和点位对中误差,而坐标转换误差可以忽略不计。通过研究弹道导弹机动应急发射阵地测量中方位角快速测定问题,推导了根据方位精度要求求取方位边长的公式,根据此公式列表得到了不同战术精度指标对应的边长。并利用实测数据进行了对比,说明了此推导公式的正确性和可靠性。介绍了参与编制的快速定位定向软件,并作了试算,证明其定向精度稍好于一般的商用软件。阐述了基于双星的单历元定向的数学模型和精度估计公式,而后利用Matlab根据单历元定向的数学模型和精度估计公式仿真了基线长度、观测历元、载波相位测量误差、基线长度测量误差、基线的高度角和方位角及基线所处的地理位置与定向精度的关系。在双星单历元定向基础上,推导了区域卫星导航系统载波相位测量单历元定向的数学模型和精度预估公式。仿真了定向精度与基线长度、载波相位测量误差、方位角及高度角的关系。仿真分析了某一地区一天的单历元定向结果,分析了可视卫星几何结构对定向精度的影响,并在某一局部区域把基于双星的单历元定向和区域卫星导航系统单历元定向的结果作一对比,结果表明,区域卫星导航系统将比双星的定向精度有较大幅度提升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外发展现状和趋势
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.2.3 发展趋势
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 卫星导航系统测量原理及误差
• 2.1 卫星导航系统概述
• 2.1.1 空间部分
• 2.1.2 地面监控部分
• 2.1.3 用户设备部分
• 2.1.4 信号组成
• 2.2 GPS观测量
• 2.2.1 码伪距观测量
• 2.2.2 载波相位观测量
• 2.2.3 差分观测方程
• 2.2.4 观测量的线性组合
• 2.2.4.1 宽巷组合
• 2.2.4.2 窄巷组合
• 2.2.4.3 无电离层延迟组合
• 2.3 GPS相对测量的误差
• 2.3.1 卫星位置误差
• 2.3.2 电离层延迟误差
• 2.3.3 对流层延迟误差
• 2.3.4 多路径误差
• 2.4 本章小结
• 第三章 卫星定向原理及精度分析
• 3.1 卫星定向原理
• 3.2 定向常用坐标系
• 3.2.1 地球质心坐标系
• 3.2.2 站心坐标系
• 3.2.3 大地坐标系
• 3.3 坐标系的转换
• 3.3.1 旋转矩阵
• 3.3.2 空间直角坐标和大地坐标的转换
• 3.3.3 测站坐标与空间直角坐标之间的变换
• 3.4 大地方位角的求解
• 3.5 基线方位角的精度估计
• 3.6 实验及分析
• 3.6.1 基线长度与定向精度的关系
• 3.6.1.1 超短基线的定向分析
• 3.6.1.1.1 长度相当的超短基线定向精度比较
• 3.6.1.1.2 同一条超短基线多次定向结果分析
• 3.6.1.2 不同长度的短基线的定向分析
• 3.6.1.2.1 不同长度的基线定向精度的分析
• 3.6.1.2.2 不同长度的基线定向结果稳定性比较
• 3.6.2 测量时间对定向精度的影响
• 3.6.3 解算方式对定向精度的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 卫星定向技术在导弹阵地方位角测量中的应用
• 4.1 概述
• 4.2 阵地方位角联测网布设及数据处理
• 4.2.1 阵地方位角联测的图形配置
• 4.2.2 方位边解算及成果的检核
• 4.2.2.1 解算流程
• 4.2.2.2 方位边的质量检核
• 4.2.2.3 方位网的平差
• 4.2.2.4 方位角的求解
• 4.3 阵地方位测量的实际精度及各种误差的影响
• 4.3.1 数据分析
• 4.3.2 阵地方位角联测中的误差
• 4.3.2.1 坐标系转换对定向精度的影响
• 4.3.2.2 点位对中误差对定向精度的影响
• 4.3.2.3 接收机天线相位中心偏差对定向的影响
• 4.3.2.4 多路径效应对定向的影响
• 4.4 GPS定向在机动发射阵地联测中的应用
• 4.4.1 方位边长的估算
• 4.4.2 实验结果及结论
• 4.5 静态定位定向软件简介
• 4.5.1 软件简介
• 4.5.2 数据验证
• 4.5.2.1 定向结果验证
• 4.5.2.2 定向估计精度的验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 双星和区域卫星导航系统定向精度仿真分析
• 5.1 基于双星导航系统的定向精度分析
• 5.1.1 双星导航系统定向数学模型
• 5.1.2 双星导航系统定向精度仿真分析
• 5.1.2.1 基线长度与定向精度关系
• 5.1.2.2 观测历元数与定向精度关系
• 5.1.2.3 载波测量误差、基线长度误差与定向精度关系
• 5.1.2.4 基线方位角和高度角与定向精度关系
• 5.1.2.5 基线位置与定向精度关系
• 5.2 区域卫星导航系统定向精度仿真
• 5.2.1 区域卫星导航系统定向的数学模型
• 5.2.2 区域导航系统定向精度仿真分析
• 5.2.2.1 数据的仿真
• 5.2.2.2 定向精度分析
• 5.2.2.2.1 基线长度与定向精度的关系
• 5.2.2.2.2 载波测量精度与定向精度的关系
• 5.2.2.2.3 基线方位角高度角与定向精度关系
• 5.2.2.2.4 可视卫星几何结构对定向精度影响分析
• 5.2.2.2.5 两种系统定向精度的比较
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢