Multi-GNSS Software-Empfänger für integrierte Navigationssysteme in schwierigen Empfangsbedingungen

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1 Multi-GNSS Software-Empfänger für integrierte Navigationssysteme in schwierigen Empfangsbedingungen Zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Markus Langer geb. in Karlsruhe Tag der mündlichen Prüfung: Hauptreferent: Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Gert F. Trommer Prof. Dr. rer. nat. Friedrich K. Jondral Karlsruhe

2 Inhalt VII Inhalt 1 Einleitung Problembeschreibung Ziel der Arbeit Gliederung der Arbeit 4 2 Grundlagen der Satellitennavigation NAVSTAR GPS Zeit-und Koordinatensystem GPS-Dienste GLONASS Zeit-und Koordinatensystem GLONASS-Dienste Galileo Zeit-und Koordinatensystem Galileo-Dienste Messgrößengenerierung in einem GNSS-Empfänger Pseudorangemessung Dopplermessung Signalmodell Bandbegrenzte Autokorrelationfunktion Diskriminatoren und C/NQ Schätzung Code-Diskriminatoren 32

3 VIII Inhalt Frequenz-Diskriminatoren C/Afo-Schätzung 34 3 GNSS Software-Receiver Receiver-und System-Design Aufbau Echtzeit-Implementierung Parallele Verarbeitung von Instruktionen Parallelisierung von Programmabläufen Fazit Vergleich verschiedener Software-Receiver Projekte Akquisition Parallele Code-Suche (FFT-basiert) Implementierung Akquisitionsdauer Receiver-Initialisierung und -Reinitialisierung Akquisition und Reakquisition in Echtzeit Initiale Least-Squares Position Assisted-GPS Fazit 50 4 GNSS/INS-Integrierte Navigationssysteme GNSS/INS-Integrationsverfahren Loosely-Coupled Tightly-Coupled Deeply-Coupled Realisierung Tightly/Deeply-Coupled GNSS/INS-Integration Messwertverarbeitung Code-Messung 57

4 Inhalt IX Doppler-Messung Messwertgewichtung Vektorielles Signaltracking Fußgängernavigationssystem (IndoorGuide) Fazit 62 5 Unterdrückung von Fehlern durch Mehrwegeausbreitung auf Signalebene Auswirkung von Mehrwegeausbreitung Trägerphasenfehler Codephasenfehler Modellbasierte Charakterisierung von Mehrwegeausbreitung Signalgenerierung von Mehrwegeeinflüssen GNSS IF-Signalgenerator Modellbasierte Signalgenerierung auf Korrelatorebene Verfahren zur Unterdrückung von Mehrwegeeffekten Multipath estimating delay lock loop (MEDLL) Keine Mehrwegeausbreitung Ein Mehrweg Mehrere Mehrwege Implementierung Erstmalige Pfadinitialisierung Dynamische Pfad-Neu-und Reinitialisierung Pfadabbruchkriterien Dynamisches Early-Late-Spacing Tracking-Loop-Implementierung Simulation auf Zwischenfrequenzebene Verkoppelte DLLs Ergebnisse 95

5 X Inhalt Schnell wechselnde Umgebungsparameter Ein variierender Mehrweg Zwei variierende Mehrwege Modellbasierende Simulationsergebnisse Simulationsansätze im Vergleich Statistische Analyse der MEDLL Fazit Unterdrückung von Fehlern durch Mehrwegeausbreitung auf Filterebene Multihypothesenmodell für Mehrwegefehler Multihypothesen-Test Parallele Filterung Korrektur-Algorithmus Erweitertes Messmodell Fehlererkennung Fehleridentifikation Mittelwertsprünge (Hi) Varianzsprünge (H?) " Hypothesenentscheidung Fehlerkorrektur Erweiterung durch weitere Stützsensoren Simulation Simulationsumgebung Simulab Fehlermodellierung Ergebnisse Simulation Sprunghafte Fehler (Simulation 1) Langsam anwachsende Fehler (Simulation 2) Mehrere zeitgleich auftretende Fehler (Simulation 3)

6 Inhalt XI Auswertung Simulation Experimentelle Ergebnisse Referenz und Vergleichsimplementierung Modifizierter Korrekturalgorithmus Uhrenfehlerschätzung Divergenz des Filters Auswahl von Messungen Testumgebung Gute Empfangsbedingungen (Testlauf 1) Schlechte Empfangsbedingungen (Testlauf 2) Wechselnde Empfangsbedingungen (Testlauf 3) Auswertung Testläufe Fazit Multi-GNSS-basierende Positionierung Vorteile Multi-GNSS-basierender Positionierung Kombination GPS, GLONASS und Galileo Gemeinsame Positionierung mit GPS und GLONASS GPS/GLONASS Systemzeit-Offset Gemeinsame Positionierung mit GPS und Galileo Messwertkorrektur Fazit Multi-GNSS/INS integrierte Navigation in urbanem Gebiet Realisierung des Multi-GNSS/INS-Systems Hardware SiGe GN3Sv2 GPS Front-End Spirent GSS6400 Signal Recorder Crossbow 320 MEMS IMU 162

7 XII Inhalt Software Empfängeruhr Verifikation durch Spirent Hardware-GPS-Simulator Testsetup und Testumgebung Performancevergleich zwischen Software- und Hardware-Receiver Akquisition Kontinuität und Messgenauigkeit Experimenteller Vergleich Deeply-/Tightly-Coupled GPS/INS- Integration Signalausfall Mehrwege / Urbanes Gebiet Überlandfahrt mit Tunnel (30s Signalausfall) Experimenteller Vergleich Multi-GNSS/INS-Integration Testumgebung / Testfahrt GNSS-Verfügbarkeit Vergleich GPS und GPS + GLONASS Fazit Zusammenfassung 189 A Herleitungen precorrelation-bandbreite 193 B Herleitung der MEDLL 199 B.0.1 Laufzeitschätzung 199 C Grundlagen Wahrscheinlichkeitsrechnung 202 C. 1 Generierung multivarianter Zufallszahlen 202 C.2 Cholesky-Zerlegung 203 D Parameter für Kanalmodell 204

8 Inhalt XIII E Navigation und Navigationssysteme 207 E.l Koordinatensysteme 207 E.2 Strapdown-Algorithmus 209 E.3 Kaiman Filter 210 E.4 Systemmodelle 212 E.4.1 Systemmodell GNSS-Standalone Kaiman Filter 212 E.4.2 Tightly-und Deeply-Coupled GNSS/INS-Systemmodel F Herleitung Tracking-Loops 215 G Ergebnisse der Simulation am Spirent GPS-Simulator 217 Literatur 219

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