基于RAIM的多卫星导航系统完好性风险技术研究

针对多卫星导航系统的卫星故障发生概率成倍增加的问题,从故障检测、故障识别和RAIM可用性三个方面详细分析多系统兼容下的RAIM完好性监测性能,并采用上述RAIM监测性能,结合卫星故障发生概率,研究GNSS多系统与单系统的完好性风险差异。理论分析和数据仿真表明,采用多卫星导航系统组合后,RAIM监测性能大幅改善,可以抵消卫星故障发生概率的成倍增加,其完好性风险更低,更适于保证航空用户的飞行安全。

利用贝叶斯决策的GBAS保护级完好性风险分配

完好性风险是描述导航系统完好性重要指标之一。美国航空无线电技术委员会(Radio Technical Commission for Aeronautics,RTCA)在其标准DO-245A中提到,可依据I类陆基增强系统(groud-based augmentation system,GBAS)地面基准站中的基准台数将保护级完好性风险分配于H0和H1假设,用于计算漏检乘积因子和GBAS保护级。此方法未能依据基准台故障情况分配完好性风险概率,导致保护级无法较准确地反映GBAS位置误差。本文利用Bayesian决策,基于最小总错误率准则重新分配H0和H1假设下的完好性风险概率。仿真分析了不同基准台数以及不同误差分布下完好性风险概率的分配,并计算了漏检乘积因子和垂直保护级,结果表明在基准台数大于2以及存在零均值或非零均值高斯分布的垂直位置误差时,基于Bayesian决策的完好性分配算法降低了保护级数值。理论分析和仿真实验表明,基于最小总错误率准则重新分配H0和H1假设下的完好性风险概率,减小了完好性风险分配的错误率,使保护级紧致地包络实际定位误差。

基于极值理论的地基增强系统完好性评估方法

针对地基增强系统(Ground Based Augmentation System,GBAS)完好性风险事件的极端性而导致的无法通过风险事件发生频率评估系统性能的问题,提出一种基于极值理论的GBAS完好性评估方法。根据机载端(位置域)输出的位置误差和保护级计算安全系数,并利用区间极大值模型对安全系数进行建模描述以获得其分布模型;利用极大似然法估计安全系数模型参数,进而利用模型外推法计算GBAS完好性风险值。给出GBAS完好性评估流程,并利用GBAS系统进行了验证实验。研究结果表明:对于C类GBAS进近服务而言,基于全球定位系统(Global Position System,GPS)增强GBAS和基于北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)增强GBAS可用性均大于99.9999%;对于F类GBAS进近服务而言,BDS GBAS可用性能要优于GPS GBAS;根据7 d观测数据外推得到的GPS GBAS垂直和侧向完好性风险值分别为4.557×10^(-8)/进近和5.152×10^(-8)/进近,BDS GBAS垂直和侧向完好性风险值分别为1.612×10^(-7)/进近和1.823×10^(-7)/进近,满足航空器终端区I类进近与着陆导航性能需求。

基于完好性与连续性风险的最优垂直保护门限计算

为降低飞行器精密垂直引导进近过程中的完好性风险和连续性风险,使接收机自主完好性监测(RAIM)算法能提供水平方向和垂直方向上的完好性保障,提出一种基于多假设解分离的RAIM算法来求解最优垂直保护门限(VPL)。在满足全球导航卫星系统(GNSS)完好性和连续性的前提下,优化GNSS系统对各假设故障模式的完好性风险和连续性风险分配,得到最优VPL。仿真结果表明,与传统基于斜率的RAIM算法相比,该算法能够提供更精确的VPL值,提高了系统可用性,并且随着卫星故障先验概率不断增大仍具有较好的鲁棒性。

海基精密着舰导航完好性监测方法研究

精密着舰导航是提升航空母舰作战效能的重要保障。高精度的载波相位差分定完好性监测方法是满足精密着舰导航高精度和高可靠性的必然选择。考虑到影响精密着舰导航精度及可靠性的多重风险源,重点针对保证着舰可靠性的完好性监测法,分别从完好性风险概率分配技术、整周模糊度解算正确性检验以及基线形变量监测等国内外研究现状进行分析和研究,从而为构建精密着舰导航系统的完好性监测技术提供参考和依据。

北斗卫星导航系统完好性性能测试方法与分析

导航系统的完好性是指系统在不能使用时,及时向用户发出告警的能力。北斗卫星导航系统完好性研究处于刚起步阶段,实施办法、实验监测和衡量标准急需建立和完善。本文对北斗卫星导航系统完好性性能测试方法进行了深入研究,提出了适用于北斗二代导航系统完好性性能的监测方法。

无人机GNSS/IMU组合导航系统完好性监测方法

针对民用无人机组合导航系统中,全球导航卫星系统(GNSS)和惯性测量单元(IMU)均存在故障风险的情况,提出一种兼顾GNSS和IMU故障风险的组合导航系统完好性监测方法。该方法根据故障检测结果建立完好性风险模型,设计完好性风险需求分配方案并建立各故障模式的保护级反演模型,利用滤波新息表达过去历元故障偏差对定位误差的影响,解决故障起始历元和故障偏差取值未知的前提下保护级反演难题。典型无人机低空飞行作业场景下的仿真结果表明:该方法设计的保护级反演模型计算所得保护级可跟踪定位误差的变化趋势,对定位误差形成包络,从而保障组合导航系统的完好性。

ARAIM算法的风险概率优化分配

基础的ARAIM(advanced receiver autonomous integrity monitoring)算法将连续性风险和完好性风险概率平均分配给所有可见卫星,导致VPL(vertical protection level)较为保守。因此,采用了一种最大值最小化方法,利用Matlab的fminimax函数,对完好性风险和连续性风险进行合理分配,提高单星座ARAIM的可用性。实测数据的算例结果表明:无论是静态还是动态数据,最大值最小化方法都能够合理地进行风险分配。GPS和BDS单系统的VPL平均改善率为12.14%和10.63%,STD(standard deviation)平均改善率为78.69%和72.33%,并且该优化算法与其他两种优化算法相比,提高LPV-200下ARAIM可用性的效果更佳。仿真全球的结果表明:采用最大值最小化方法之后,GPS的ARAIM可用性大于90%、99.5%的覆盖范围由26.60%、0%分别增加到了38.69%、17.35%;BDS的ARAIM可用性大于90%、99.5%的覆盖范围由30.73%、19.91%分别增加到了34.28%、22.33%。

GNSS双频导航信号用户完好性监测机制研究

用户完好性监测指标通常被用于衡量导航信息的可信度,针对单个卫星导航系统用户完好性监测指标过高、可用性较差的问题,提出一种全球导航卫星系统(GNSS)多系统双频信号联合完好性监测机制,该监测机制使用一定完好性风险分配值下的保护门限作为联合观测下的监测指标;另外,为了确保各种监测假设下的用户完好性,分别讨论了无故障及一颗卫星故障假设下的伪距观测误差获取、保护门限计算以及完好性风险指标分配等问题。仿真结果表明该用户监测机制可有效降低保护门限、提高可用性,在用于I类精密进近时全球大部分区域用户的可用性水平大于95%。

GNSS ARAIM保护水平计算方法及性能分析

针对全球卫星导航系统(GNSS)中高级接收机自主完好性监测(ARAIM)技术采用不同的计算保护水平(PL)的方法,这些不同方法计算得到的PL之间的差异和对用户可用性的影响不明的问题,提出一种GNSSARAIM保护水平算法的性能分析方法:介绍4种PL计算方法,并分析它们之间的数理关系;然后基于多模GNSS实验跟踪网(MGEX)跟踪站多天的全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统(BDS)实测数据以及城市车载动态数据,比较分析4种方法计算得到的PL数值和计算时间上的差异;最后利用仿真模拟计算分析4种方法对全球用户可用性和覆盖率的影响。结果表明,基于分隔解(SS)检验量且完好性风险优化分配的PL方法在运行时间上与其他3种方法的差异最大不超过0.2s,该方法在实测数据实验中计算得到的PL最小,具有最优性能;在仿真实验中全球范围内VPL值(99.9%)小于35m的覆盖率在4种方法中最高,可达81.32%;此外,双系统下4种方法全球用户的覆盖率均为100%,均可满足垂直引导至200英尺高度定位器性能(LPV-200)阶段的可用性指标。

GPS RAIM定位误差保护限值算法分析

针对基于最小二乘法的偏差完好性风险方法,采用总体最小二乘法估计准则,将数据矩阵和观测值两者的误差综合考虑,使残差更精确,数据可靠性更高,提高了RAIM算法的可靠性,并给出了RAIM解算模型.结合各个航段的完好性需求进行仿真,分析了不同飞行阶段的PIR性能.结果验证了PIR是更合适的可用性分析方法.

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。

两种RAIM可用性分析方法的比较

介绍最大水平精度因子法和近似径向误差保护法两种RAIM可用性分析方法。采用GPS和GLONASS广播星历,通过数据仿真,用不同方法计算多种环境下的RAIM可用性概率。通过比较,说明在多故障、多星座环境下,BIT是更合适的可用性分析方法。

基于PSO的多星座GNSS垂直保护级优化方法

针对传统的高级接收机自主完好性监测(ARAIM)算法中完好性风险和连续性风险分配存在保守的问题,提出了一种基于粒子群优化(PSO)算法的完好性风险和连续性风险分配方法。将不同的分配策略作为算法中不同的粒子,选取不同故障子集对应的垂直保护级的加权和为适应度函数,每个粒子基于粒子群优化寻优原理更新其位置及速度直至满足条件,进而得到优化后的分配策略和对应的垂直保护级。通过双星座对所提方法进行验证,并与传统方法进行对比分析,结果表明:基于PSO算法的完好性风险和连续性风险分配策略优化了垂直保护级,提高了ARAIM全球可用性。

基于多假设解分离的CRAIM算法研究

为满足Ⅲ类精密进近和舰载机着舰等高精度定位的完好性需求,提出了一种基于多假设解分离(MHSS)的CRAIM算法。在约束条件下对各故障假设模式的完好性风险和连续性风险进行优化分配,计算最优垂直保护门限(VPL),并分析了VPL和单颗卫星故障先验概率、单差载波相位测量偏差最大值及标称值之间的关系。实验结果表明,该算法降低了VPL值,提高了系统可用性,并且卫星故障先验概率、偏差最大值及标称值会影响VPL的大小,但不影响算法的稳定性。