北斗系统双星故障对完好性故障识别的影响

完好性是卫星导航系统检测和识别故障能力的重要指标之一,北斗系统复杂的星座结构为系统故障的检测和识别带来了挑战。文章通过引入双星故障检测模型和伪距偏差组合,仿真实际的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)双星同时故障的情况,采用不依赖于参数分布情况的统计检验方法,分析得出:双星故障模式下完好性参数的变化与单星故障模式下完好性参数的变化存在显著差异,特别地,BDS双星故障模式下的完好性参数(水平定位误差和高程定位误差)不服从高斯分布,这使得传统基于单星故障的故障检测和识别方法不适用于双星故障检测;不同双星故障模式对完好性参数的影响存在显著差异。因此,应建立针对不同卫星类型的BDS故障检测和识别模式,提高系统完好性性能。

用于检测双星故障的RAIM算法分析与研究

分析和比较了用于检测两颗卫星故障的偏差完好性风险(bias integrity threat,BIT)法和保护限值(protection level,PL)法两种RAIM算法。通过数据仿真,对用不同方法检测卫星故障的可用性及故障检测率进行比较,并分析了两种方法存在差异的理论依据。通过分析比较,说明在未来接收机处理多颗卫星同时出现故障的情况时,如何更精确地描述统计检测量与定位偏差的关系以及如何处理不同测量噪声的影响是RAIM算法可用性及有效性的关键。

一种双星故障条件下RAIM可用性评估的改进方法

在总结已有的RAIM可用性评估的矩阵最大特征值方法(MMEM)基础上,改进已有的双星故障条件下RAIM可用性方法中的数学模型,提出RAIM可用性评估的极大值方法(MM)。基于给定的完好性风险参数和国际GNSS监测评估系统(IGMAS)提供的2020-09-06中国境内8个跟踪站的BDS实测数据,利用2种方法计算双星故障条件下水平保护级别(HPL),比较并分析2种方法在双星故障条件下BDS的RAIM可用性性能。结果表明,在中国境内,MMEM除在非精密进近(NPA)计算的RAIM可用性不及MM外,整体可用性高于MM,但MM耗时较少;MM计算的可用性能够完全满足航路和远洋2个阶段,MMEM计算的可用性可以完全满足终端、航路和远洋3个阶段;基于MM的RAIM可用性评估方法理论严密、数学模型简单、易于进行程序设计,是除MMEM外的另一种RAIM可用性评估方法。

双星故障识别方法研究

当接收机可以观测到的卫星数目增加时,多颗卫星同时出错的概率大大增加。传统的接收机自主完善性监测算法(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM)通常用来检测并识别一颗故障卫星,在多颗卫星同时出错时的识别结果并不理想。提出了一种改进的RAIM算法,在奇偶矢量法的基础上,从找出无故障卫星出发,进一步用这些无故障卫星信息进行粗略定位,由接收机的粗略位置来计算各颗卫星的伪距偏差,从而识别出并剔除故障卫星。经仿真验证,该方法可以解决两颗故障卫星时奇偶矢量法中的故障偏差抵消问题。

基于稳健MM估计的REKF RAIM算法

基于鲁棒扩展卡尔曼滤波(robust extended Kalman filter,REKF)的接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)对双星故障模式的检测及识别效果相对较差,尤其当故障矢量具有较高的空间一致性时,M估计的稳健性会受到极大破坏。针对这一问题,提出基于稳健MM估计的REKF RAIM算法,MM估计是兼具高崩溃污染率和高估计效率的两步抗差估计方法,首先采用具有高崩溃污染率的最小截断二乘(least trimmed squares,LTS)估计获得稳健性高的迭代初值和尺度参数,然后采用IGG III方案得到最终的参数估计值,并设计一种基于特征斜率的快速选星方法降低LTS估计的计算量。仿真结果表明,相比于基于M估计的REKF,MMREKF在双星故障模式下具备更高的稳健性,对双星故障模式有更好的检测与识别能力。

基于增广伪距辅助的容错导航层次滤波方法

针对惯性卫星组合导航系统中卫星信号易受干扰且卫星出现单星、双星故障等问题,提出一种基于增广伪距辅助的容错导航系统设计方案,并在信息融合策略中采用层次滤波算法对系统故障进行检测与隔离,以提高系统的容错性和精度。在罗兰C/惯性/卫星组合导航的系统框架下,研究了基于层次结构的容错滤波算法,利用各层滤波器滤波解的偏差信息构造检测统计量,实现对少星条件下多故障的检测和排除。仿真结果表明,方案能有效地实现导航卫星数有限情况下的双星故障检测、隔离和系统重构,且导航计算过程保持了良好的算法连续性、稳定性和系统精度。

支持垂直引导进近的多星座RAIM算法

为了充分利用未来的全球导航卫星系统(GNSS)中多星座多频点的卫星信号,使接收机自主完好性监测(RAIM)技术能够用于垂直引导进近(APV)飞行阶段,提出了一种基于双星故障假设的多星座RAIM算法。算法将全部可见卫星分为3组,分别计算定位解,对3个分组定位解加权平均作为最终的定位解,通过迭代寻找最优加权因子,使得在满足定位精度要求的前提下极大化算法的可用性。仿真结果表明:该算法能够以100%的可用性支持APV-Ⅰ飞行阶段,以高于99%的可用性支持APV-Ⅱ飞行阶段。