北斗卫星短基线定位的多路径效应抑制与周跳探测研究

摘要

在北斗卫星短基线差分定位中，多路径效应和周跳是影响定位精度的主要因素。由于多路径效应属于随机误差，难以通过常规差分手段和数学建模方法消除，本文针对短基线差分定位过程中的这一技术难题，采用数据后处理方式，将经验小波变换EWT这一新型非线性非平稳信号处理算法运用到多路径效应的抑制中，并结合改进差分法对北斗卫星短基线定位过程中的周跳进行探测与修复。通过实际搭建北斗短基线硬件观测平台，采集观测数据对本文提出方法的实际效果进行验证，与目前学术上常用的定位数据后处理方法经验模态分解EMD和集成模态分解EEMD作对比，为北斗数据后处理提供了一种新思路。
　　本文研究了经验小波变换EWT的基础理论，系统介绍了非线性非平稳信号滤波方法的发展历程，阐述了EMD和EEMD的基本原理和算法流程。制定了EWT算法的频谱划分方法并构建了经验小波滤波器组，模拟了两类典型的非线性非平稳信号作对比实验，仿真结果表明，对于频谱分量混叠较少的信号，EWT相比EEMD能更好地提取出物理意义清晰的模态分量，滤波效果和计算时间优于EEMD。
　　针对北斗卫星精确定位过程中，出现的周跳问题，本文阐述了周跳的定义和产生原因，介绍了差分探测法、相位减伪距法和宽巷相位减窄巷伪距法探测周跳的基本原理，通过北斗卫星精确定位数据对上述三类周跳探测法的有效性和适用范围进行验证;根据北斗观测数据的特征，对上述三类方法进行改进，提高了周跳探测的成功率。
　　由北斗接收天线、ATGM332D双模定位模块和Arduino Mega2560单片机搭建北斗卫星短基线双路采样硬件平台，对实测北斗卫星短基线定位数据，先采用本文的改进差分法进行周跳探测和修复，再将周跳修复后的数据采用EWT算法进行多路径效应抑制。实验结果表明，本文提出的方法降低了约43％左右的多路径误差，并有效探测与修复了实测定位数据中的周跳。最后，模拟了变形监测实验，仿真结果表明EWT算法适用于1～10Hz左右的变形监测场景。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．1．1 北斗卫星导航系统的发展

1．1．2 北斗卫星导航系统的应用领域

1．1．3 北斗卫星导航系统精确定位中的误差源

1．2 国内研究现状

1．3 国外研究现状

1．4 本文研究内容与组织结构

第二章 多路径效应抑制算法基本理论介绍

2．1 引言

2．2 理论基础

2．2．1 传统傅里叶变换

2．2．2 窗口傅里叶变换

2．2．3 小波变换

2．3 EMD和EEMD算法

2．3．1 本征模态函数IMF

2．3．2 EMD算法

2．3．3 EEMD算法

2．4 EWT算法

2．4．1 待测信号频谱边界的划分

2．4．2 经验小波滤波器组的构建

2．4．3 经验小波变换

2．5 仿真对比

2．6 本章小结

第三章 北斗卫星的周跳探测

3．1 周跳介绍

3．1．1 周跳的定义和产生原因

3．1．2 周跳对定位精度的影响

3．2 周跳探测相关知识介绍

3．2．1 伪距和载波相位介绍

3．2．2 RINEX3.0协议格式解析

3．3 差分法探测周跳

3．3．1 差分法探测周跳原理

3．3．2 差分法探测周跳实验

3．3．3 差分法探测周跳的适用范围

3．4 相位减伪距法探测周跳

3．4．1 相位减伪距法探测周跳原理

3．4．2 相位减伪距法探测周跳实验

3．4．3 相位减伪距法探测周跳的适用范围

3．5 宽巷相位减窄巷伪距法探测周跳

3．5．1 宽巷相位减窄巷伪距法探测周跳原理

3．5．2 宽巷相位减窄巷伪距法探测周跳实验

3．5．3 宽巷相位减窄巷伪距法探测周跳的适用范围

3．6 本章小结

第四章 数据采集和实验验证

4．1 实验平台搭建

4．1．1 北斗卫星数据接收天线和采集模块介绍

4．1．2 北斗卫星数据采集单片机开发板介绍

4．1．3 北斗卫星数据采集整体实验平台介绍

4．2 北斗定位数据采集

4．2．1 实验地点选取及搜星情况

4．2．2 短基线差分数据采集与处理

4．2．3 定位参数转换

4．3．1 短基线差分定位结果

4．3．2 模拟周跳探测实验

4．3．3 多路径效应抑制实验

4．3．4 模拟变形监测实验

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 后续工作展望

参考文献

攻读硕士期间的学术活动及成果情况