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研究生:陳浩祥
研究生(外文):Chen Hau Shiang
論文名稱:長時間載波平滑碼定位法
論文名稱(外文):Long-Duration Carrier Smoothed Code Method
指導教授:王立昇張帆人
指導教授(外文):Wang Li ShengChang Fan Ren
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:應用力學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1999
畢業學年度:87
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:長時間載波平滑碼全球衛星定位系統卡門濾波器模糊控制最小平方法權重策略
外文關鍵詞:long-durationcarrier smoothed code CSCglobal position system GPSkalman filterfuzzyleast squareweighting
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本文以載波平滑碼定位演算法(Carrier Smoothed Code method ; CSC)為基本架構發展出一套長時間載波平滑碼定位演算法(Long-Duration Carrier Smoothed Code method ; LCSC),解決CSC在長時間定位中所會面臨的幾個問題,包括載波脫落使定位的突然變化、瞬間鎖住之衛星數不足4顆、定位收斂時間過長、從地平面上升或下降之衛星的處理等。為解決上述問題,而提出了4種補償法,包括週波脫落補償法、載波平滑碼平滑法、載波平滑碼定位法權重策略與衛星權重策略等解決方案。
CSC乃以權重結合虛擬距離觀測量與載波相位觀測量的一種定位演算法,其最大的特點在定位中不需作初始化,並可獲得1公尺之定位精度。但在定位時,若發生衛星脫鎖、訊號中斷或衛星降至地平面下時,大多都會發生定位的突然變化,而週波脫落補償法、載波平滑碼平滑法可以排除此定位跳動並可將持續穩定之衛星重新加入定位演算法中。
CSC在長時間定位時,載波相位觀測量的權重為虛擬距離觀測量的數千倍或數萬倍,此時CSC定位演算法幾乎只依賴載波相位觀測量,若定位上發生跳動,則因載波相位觀測量定位收斂比較慢,故有定位收斂時間過長的問題。若能適時的重調虛擬距離觀測量在CSC定位演算法中的權重,則可解決此問題。
綜合此4種補償法後之載波平滑碼定位法,經過幾次實驗,可知確實能達到長時間高精確度即時定位的效果。
In this thesis, a Long-duration Carrier Smoothed Code (LCSC) method is proposed, whose purpose is to solve the problems of long term positioning by using GPS (Global Positioning System) signals. Such problems include the instantaneous positioning jump caused by the carrier phase cycle slip, the inadequate number of tracked satellites, the long convergent process in positioning with carrier phase, and the satellite exchange phenomenon, etc. Four compensation methods, i.e., the cycle slip detection and compensation, the carrier-smoothed-pseudorange smoothing algorithm, and the strategies of weighting selections in the pseudoranges and the satellites are used.
The conventional CSC algorithm uses the weighted averages of the pseudorange measurements and the carrier phase observables as the ranging signals. In the normal mode, the positioning accuracy of CSC is less than 1 meter. However, the unpredictable positioning jumps may occur when satellites temporarily lose track. In our proposed algorithm, the cycle slip compensation method and carrier-smoothed-pseudorange smoothing method are used to resolve the positioning jump problem. On the other hand, the strategies of satellites weighting selection are essential to improve the convergent process, once the change of satellite configuration occurs.
Both static and dynamic, long-duration, real-time experiments have been performed to demonstrate that the approaches we adopted are feasible and sound.
第一章 緒論…………………………………………………………..1
1.1 前言………………………………………………………….1
1.2 論文架構…………………………………………………….3
第二章 全球定位系統簡述………………………………………..4
2.1 前言………………………………………………………….4
2.2 GPS系統架構……………………………………………….4
2.2.1 太空導航衛星部分……………………………………..5
2.2.2 地面追蹤控制部分……………………………………..5
2.2.3 使用者接收機部分……………………………………..6
2.3 時間與空間系統…………………………………………….6
2.3.1 GPS時間系統…………………………………………..6
2.3.2 GPS空間系統…………………………………………..7
2.4 GPS衛星導航訊息………………………………………….9
2.5 GPS誤差來源與影響……………………………………….11
第三章 觀測量與差分定位原理……………………………………14
3.1 前言…………………………………………………………….14
3.2 電碼差分定位法……………………………………………….14
3.2.1 虛擬距離觀測量………………………………………..14
3.2.2 線性化…………………………………………………..16
3.2.3 電碼一次差分量………………………………………..17
3.2.4 電碼二次差分量………………………………………..17
3.2.5 由電碼二次差分量求解相對位置向量………………..18
3.3 載波相位差分定位法……………………………………….19
3.3.1 載波相位觀測量………………………………………..19
3.3.2 載波相位一次差分量…………………………………..21
3.3.3 載波相位二次差分量…………………………………..22
3.3.4 載波相位三次差分量…………………………………..23
3.3.5 由載波相位三次差分量求解相對位置向量…………..23
3.4 載波平滑電法定位法……………………………………….25
3.4.1 載波平滑虛擬距離……………………………………..25
3.4.2 載波平滑虛擬距離一次差分量………………………..26
3.4.3 載波平滑虛擬距離二次差分量………………………..27
3.4.4 由載波平滑虛擬距離二次差分量求解相對位置向量..27
第四章 CSC定位演算法之修正……………………………………29
4.1 前言………………………………………………………….29
4.2 最小平方法………………………………………………...29
4.3 週波脫落的偵測…………………………………………...32
4.3.1 卡門濾波器的遞迴程序………………………………..32
4.3.2 週波脫落演算法………………………………………..34
4.4 衛星訊號中斷的補救(Ⅰ):週波脫落補償法……………..35
4.5 衛星訊號中斷的補救(Ⅱ):載波平滑碼平滑法…………..36
4.6 衛星訊號中斷的補救(Ⅲ):載波平滑碼定位法權重策略..38
4.6.1 精確釋度參數…………………………………………..38
4.6.2 載波平滑碼權重的重置………………………………..39
4.7 衛星訊號中斷的補救(Ⅳ):衛星權重策略………………... 43
第五章 系統架構與長時間即時實驗………………………………46
5.1 前言………………………………………………………….46
5.2 靜態實驗架構……………………………………………….46
5.2.1 軟體部分………………………………………………..46
5.2.2 硬體部分………………………………………………..46
5.3 靜態實驗結果……………………………………………….48
5.3.1 週波脫落補償法之實驗結果…………………………..48
5.3.2 載波平滑碼平滑法之實驗結果………………………..54
5.3.3 載波平滑碼定位法權重策略之實驗結果……………..59
5.3.4 綜合衛星訊號中斷的補救(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)之實驗結果…..61
5.3.5 長時間CSC定位演算法之實驗結果………………….62
5.4 旋轉機之即時定位實驗…………………………………….64
5.5 長時間即時動態實驗結果………………………………….67
5.6 誤差分析…………………………………………………….70
第六章 結論與未來工作……………………………………………71
參考文獻………………………………………………………………..72
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