基于共形几何代数的北斗/GNSS选星算法研究

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全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的不断发展与完善,使得同一历元的可见星数目大幅增多。与单系统GNSS相比,多系统GNSS在可见卫星数量、定位精度、覆盖完整性、实时性和可靠性方面具有明显的优势,另外,根据GNSS的后方交会定位理论,正确的选星结果对后续的载波相位解算精度也是有益的。但是多系统GNSS带来优势的同时,也导致接收机在处理过程中运算量成倍增加。因此,既满足定位精度要求,又改善选星效率,是当前导航定位领域亟待解决的重要问题之一。论文的主要研究内容如下:(1)研究了国内外GNSS选星算法,分析了其优缺点,得出GDOP(Geometric Dilution of Precision)值最小、测站与可见导航星构成的多面体体积最大仍然是选星判别理论依据。共形几何代数(Conformal Geometric Algebra,CGA)在几何构型与描述方面具有数形结合的优势,将其引用到多面体体积最大选星中可提高多系统选星算法处理效能。(2)介绍了北斗/GNSS时空基准,对多系统时空系统兼容性进行分析。阐述了卫星导航的基本原理及卫星位置的计算流程,给出了基于最小二乘法的导航最优解解算和精度评价主要步骤,引出选星的评价指标,即几何精度因子,并给出其定义。(3)在分析影响GDOP值因素和研究传统选星算法理论的基础上,提出了一种基于矢端多面体体积法的不规则三角网投影的选星算法。该算法通过球体的内接多面体投影出Delaunay不规则三角网,并快速计算出球内接多面体的体积,以此为基础得到多面体的体积与GDOP值之间的关系。实验结果表明,在多系统定位时,选择11颗空间几何分布良好的卫星作为求解卫星,导航定位精度较高,解算时效性得到兼顾。(4)结合高度角选星算法的分区方法,构建了基于CGA理论的伞状选星模型作为匹配基准;根据卫星星历,计算其空间坐标,并转换到站心坐标系,基于CGA理论构建可见星的多重矢量集,给出了基于CGA理论的角度选星匹配判别依据。根据实测的BDS/GPS/GLONASS三系统观测数据验证表明:从6星到17星的组合选星中,基于CGA的快速选星算法与最小GDOP值选星法相比,GDOP值结果相当;当选星数量达到11时,GDOP值基本小于2,能够满足高精度导航定位的需求。在计算耗时方面,基于CGA的选星算法大大优于最小GDOP法。与传统的高度角选星算法相比,由于基于CGA的选星算法合理设计了卫星空间几何分布的均匀性阈值,其GDOP值的稳定性和导航精度均优于传统的高度角选星算法。
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