卫星导航系统GEO卫星多径机理与多径抑制方法研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：卫星导航系统GEO卫星多径机理与多径抑制方法研究作者：吴鹏学科专业：信息与通信工程指导教师：廉保旺2017年9月ResearchontheMechanismandMitigationAlgorithmofGEOSatelliteMultipathErrorByPengWuUndertheSupervisionofProfessorBaowangLianADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpa

2、rtialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyXi’anP.R.ChinaSeptember2017摘要摘要北斗卫星导航系统（BDS）作为国际上四大导航系统之一，正在按照“先区域，后全球”的思路进行快速发展，BDS的空间星座首次采用了GEO+IGSO+MEO的异构星座结构，在建设过程中可通过发射少量卫星实现较大区域的覆盖。高轨道（GEO/IGSO）卫星的采用，使BDS系统在具有自己特点的同时，也给BDS带来了很多不利因素。特别是GEO卫星

3、轨道的静地特性，不但给地面监测站正确解算GEO卫星轨道参数带来了困难，而且由于GEO卫星测距信号中存在“顽固”的多径效应，影响GEO卫星的测距精度，从而导致卫星轨道测算精度下降，降低BDS系统的服务性能。目前，针对北斗GEO卫星多径效应产生机理的研究相对缺乏，相应的多径抑制算法还不够成熟。论文依托北斗多径误差重大科技项目，在大量实测数据的基础上针对以上问题展开研究，取得了以下创新性研究成果。1．提出了一种针对GEO卫星多径衰落特性的开普勒多径衰落因子分析方法。为了研究北斗GEO卫星多径误差曲线所呈现出时快时慢的衰落特性

4、，论文通过多径衰落数学模型将多径衰落频率与卫星轨道参数建立联系，并定义了用于分析GEO卫星多径衰落特性的开普勒多径衰落因子（KMPF）。通过仿真实验，分析了不同轨道参数对KMPF的影响，得出了KMPF因子可作为分析GEO卫星多径衰落特性的一个重要参数的结论。最后，利用KMPF因子对大量实测数据进行了分析，实验表明GEO卫星的多径衰落特性与KMPF曲线变化趋势具有较强的相关性——GEO卫星多径误差曲线的慢衰落区间与KMPF的第一零陷点对应，快衰落区间与KMPF的第二零陷点对应。这就表明可以利用KMPF因子对GEO卫星多径

5、衰落特性进行分析，且GEO卫星多径衰落特性与卫星轨道有密切关系；2．提出了一种基于2-FoldCrossValidation的卫星多径数据小波去噪算法。该算法针对传统多径降噪算法自适应性能低、信噪分离性能差的问题，利用统计学中评估数据分类性能的分析方法，无需对大量数据进行噪声特性分析，算法实现简单，可自适应地为离散小波分解算法选取分解层数，提高信噪分离性能。仿真结果表明，与基于白噪声检验算法相比，在不同信噪比下，所提方法不仅计算简单而且在相关系数、均方根误差和平滑度等性能指标上分别提升了7.2%、32.8%和23.8%

6、；3．提出了一种GEO卫星多径信号星体反射模型，设计了反射参数的数值计算优化算法，可以对实测多径信号进行准确地拟合或预测，进一步明确了GEO卫星多径误差的产生机理。论文首先利用本文所提的2-FoldCrossValidation小波去噪算法，对两个处于相似开阔地形的站点所采集到的GEO卫星多径数据进行对比分析，结果表明：（1）北斗GEO卫星码多径观测量伴随着一个缓慢波动的误差，与卫星高度角呈现出相关性，I摘要并且呈现出一定的周期性；（2）北斗GEO卫星星体表面对导航信号的反射是造成北斗GEO卫星多径误差的原因之一。根据

7、卫星星体反射模型，论文设计了反射参数数值优化算法，并通过实测数据进行了验证。实验表明：本文提出的基于实测数据的卫星多径反射模型可以很好地对北斗GEO卫星实测多径误差信号进行预测，在一定程度上解释了北斗GEO卫星多径产生的机理；4．提出了一种基于小波变换恒星日滤波器的多径抑制算法和基于GEO卫星星体反射模型的多径抑制算法。根据实测数据的实验结果，表明在不同场景下，两种方法均可以对北斗GEO卫星的多径误差进行有效抑制。论文研究表明：（1）基于小波变换恒星日滤波器的多径抑制算法不仅在抑制多径误差的性能上较传统恒星日滤波器有较

8、大提高（10.18%～17.04%），而且算法计算量小、可应用于实时处理系统；（2）基于GEO卫星星体反射模型的多径抑制算法可以利用卫星广播星历参数，对更长时间间隔的多径误差信号的时频图案进行有效预测，不仅避免了恒星日滤波器的“短时效性”，而且在多径抑制性能上较传统恒星日滤波器提升了7%~13%。关键词：北斗卫星导航系统，GEO卫