GPS/BDS/GALILEO三模卫星系统选星算法研究

论文摘要

随着全球导航系统的逐步发展完善,多系统间组合定位逐渐兴起,多导航系统组合导航定位的需求逐渐增加,多系统选星算法的研究已不容忽视。本文基于对已有四大卫星导航系统原理阐述,理论分析GPS、BDS和GALILEO三系统间具有更好的兼容性,最终决定针对GPS/BDS/GALILEO三模情况下多系统选星算法进行研究。文章首先对卫星导航定位理论进行阐述,并由此引出GDOP值对卫星选星的影响关系。接着讨论了最佳形状法、最大矢端四面体体积法、六星选星算法、最大行列式法、最小GDOP值法已有选星算法原理,并对已有选星算法进行总结分类为:基于卫星空间分布特性选星算法和其他算法。总结基于卫星空间分布特性选星算法过程为:顶座星的确定和底座星群的选取。通过理论分析,已有二维凸包选星算法选出的卫星具有最好的底座星群和合适的顶座星,但文章具体分析发现该选星算法具有可改进空间,故文章针对Graham扫描二维凸包选星算法做算法优化改进研究。具体针对Graham扫描二维凸包选算法的顶座星选取过程和Graham扫描过程分别进行改进,最终通过GPS/BDS/GALILEO三模系统组合数据进行论证了改进后算法具有可行性和理论研究意义。论文主要工作内容如下:(1)对四大组合导航定位系统GPS、BDS、GALIEO和GLONASS的系统组成、时间系统、空间坐标系统进行理论分析,理论说明GPS、BDS和GALILEO三系统间具有更好的兼容性。对卫星导航的基本原理及卫星位置解算方法进行理论分析,并做具体公式推导演示,与此同时文章细致分析卫星导航电文数据特点和卫星定位位置解算过程,为相关实验做理论支撑。(2)分析用户位置解算原理和阐述几何精度因子GDOP定义,对GDOP值与卫星组合导航定位精度间关系进行分析研究。首先详细论述已选星算法原理:最佳形状法、六星选星算法、基于卫星仰角和高度角选星、最大矢端四面体体积选星算法、二维凸包Graham扫描法选星算法、最小GDOP值选星算法、模糊选星算法和行列式选星算法,对已有选星算法进行理论分析对比,将已有选星算法原理详细论述后将其进行总结分类为:卫星空间特性选星算法类与其他类。卫星空间特性选星的目的为选出空间体体积最大的最佳卫星组合,通过分析对比出该类算法中二维凸包选星算法选出的底座星群将构建最大底座星群。故本文后续研究针对二维凸包选星算法进行详细分析。(3)首先对Graham扫描的二维凸包法进行详细原理阐述,对具体扫描过程进行分析,研究发现该算法的顶座星选取过程和Graham扫描过程存在可优化改进的地方。文章针对这两个方向设计改进方案有:一、针对二维凸包Graham扫描法中顶座星选取问题作为改进目标,提出综合卫星信噪比与卫星仰角综合选取顶座星的改进策略;二、基于对Graham扫描法算法实现和算法原理分析的基础上,采用对卫星进行预处理后减少Graham扫描法扫描卫星,减少算法运算量实现运算优化。文章通过GPS/BDS/GALILEO三系统组合导航数据对优化算法进行算法评估有:顶座星改进后卫星选星结果的定位性能提高10～20mm;Graham扫描过程优化后,单次Graham扫描卫星数减少2颗以上,算法解算速度提高0.004s以上。(4)文章对优化后Graham扫描二维凸包选星算法在不同系统条件下应用性能进行分析,在GPS、GSP/BDS、GPS/BDS/GALILEO三种卫星系统组合情况下对已有选星算法六星选星算法、八星最佳形状法、二维凸包Graham扫描法与优化算法进行算法实验对比,通过算法结果卫星数、GDOP值和算法定位精度对算法进行算法性能评估对比分析。实验对比结果表明:单GPS系统下,改进后选星算法提高优势不明显。GPS/BDS双系统和GPS/BDS/GALILEO三系统中,改进后选星算法的定位性能均提高10～20mm以上,证明综合信噪比与卫星仰角进行选取顶座星的优化具有可行性,且其优化算法性能优势随着组合系统的增加卫星数的增多将进一步扩大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 论文研究背景及意义
•     1.1.1 论文研究背景
•     1.1.2 论文研究意义
•   1.2 国内外研究及发展现状
•     1.2.1 几何精度因子研究现状
•     1.2.2 选星算法研究现状
•   1.3 论文内容安排和章节分布
• 第二章 卫星导航系统简介和卫星定位解算原理分析
•   2.1 GNSS系统简介
•     2.1.1 GPS系统
•     2.1.2 北斗导航定位系统
•     2.1.3 GALILEO
•     2.1.4 GLONASS
•   2.2 系统兼容性和可操作性分析
•     2.2.1 坐标系统兼容性分析
•     2.2.2 时间系统统一性分析
•   2.3 卫星导航定位原理
•     2.3.1 二维定位原理
•     2.3.2 卫星位置的解算
•     2.3.3 用户位置解算
•   2.4 本章小结
• 第三章 选星算法研究
•   3.1 引言
•   3.2 几何精度因子GDOP
•   3.3 卫星空间特性选星算法
•     3.3.1 最佳形状法
•     3.3.2 基于卫星仰角和方位角的快速选星算法
•     3.3.3 最大矢端四面体体积法
•     3.3.4 六星选星法
•     3.3.5 模糊选星法
•     3.3.6 多系统快速选星算法
•     3.3.7 二维凸包法
•   3.4 其他选星算法
•     3.4.1 最小GDOP值算法
•     3.4.2 最大行列式法
•     3.4.3 基于卫星对几何精度因子贡献的选星法
•   3.5 算法对比总结
•   3.6 本章小结
• 第四章 基于凸包Graham扫描法快速选星算法改进
•   4.1 引言
•   4.2 二维凸包选星算法原理
•     4.2.1 凸包的定义
•     4.2.2 基于Graham扫描法的选星算法原理
•   4.3 基于Graham扫描二维凸包选星算法改进设计
•     4.3.1 基于Graham扫描二维凸包优化方案设计
•     4.3.2 综合信噪比和高度角改进顶座星选取
•     4.3.3 优化Graham扫描二维凸包过程
•   4.4 本章小结
• 第五章 改进后二维凸包Graham扫描法的应用分析
•   5.1 引言
•   5.2 GPS/BDS/GALILEO的卫星可见性分析
•   5.3 GPS单系统选星算法应用分析
•     5.3.1 卫星空间特性分析
•     5.3.2 算法定位性能分析
•   5.4 GPS/BDS双系统选星算法应用分析
•     5.4.1 卫星空间特性分析
•     5.4.2 算法定位性能分析
•   5.5 GPS/BDS/GALILEO三系统选星算法应用分析
•     5.5.1 算法空间特性分析
•     5.5.2 算法定位性能分析
•   5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 回顾与总结
•   6.2 未来的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘周巍

导师: 杨德宏,钟高飞

关键词: 多系统,选星,二维凸包,扫描法

来源: 昆明理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 昆明理工大学

分类号: P228.4

DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.000963

总页数: 118

文件大小: 4336K

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