高级接收机自主完好性监视的可用性预测

高级接收机自主完好性监测(ARAIM)是单频RAIM的扩展。基于对垂直保护限值(VPL)和有效监视门限(EMT)的分析,给出了垂直方向ARAIM的VPL实时和预测算法;对LPV-200进近,从单星座ARAIM的可用性出发,研究了双星座、多故障情况下ARAIM的可用性;对世界范围内ARAIM的可用性进行仿真,给出仿真统计,并对中国西部航路区域ARAIM的可用性进行仿真,结果表明,在双星座双频情况下,可用性设置为99.9%时ARAIM的算法覆盖率可达100%,完全满足LPV-200进近对完好性的要求。

粒子群优化粒子滤波的接收机自主完好性监测

接收机自主完好性监测(RAIM)是航空卫星导航接收机必不可少的功能,为保持全球卫星导航系统(GNSS)在卫星发生故障时系统性能不降级,需要对卫星故障进行检测和隔离。针对接收机观测噪声非高斯分布的特点,提出一种基于粒子群优化粒子滤波(PSOPF)的故障检测和隔离算法。通过粒子群优化粒子滤波对状态估计进行一致性检验实现故障检测。采集实测数据验证算法的检测性能,并与基于基本粒子滤波的完好性监测算法进行比较,结果表明:本文所提算法在非高斯测量噪声下可检测并隔离全球定位系统(GPS)故障卫星,其性能优于基于基本粒子滤波的完好性监测算法性能,对研究北斗卫星导航系统(BDS)接收机自主完好性监测具有一定的意义。

BDS/GPS组合导航接收机自主完好性监测算法

为使接收机自主完好性监测(RAIM)技术应用于民航垂直引导进近(APV)飞行阶段成为可能,研究了BDS/GPS组合导航RAIM算法。提出了一种基于BDS/GPS定位解最优加权平均解的算法,结合最优加权平均解与BDS/GPS定位解的关系建立检验统计量,根据最大允许的虚警率计算检验门限,实现对故障所在卫星导航系统的检测,并采用加权最小二乘残差法对故障进行检测与识别。研究结果对多星座组合卫星导航系统应用于民航APV飞行阶段的导航具有一定的参考意义。

基于MHSS算法的ARAIM完好性和可用性预测

传统的接收机自主完好性监视只能提供非精密进近阶段的完好性监视,无法实现对完好性要求更加严格的飞行阶段的监视,而高级接收机自主完好性监视(Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring,ARAIM)可以在精密进近阶段为飞机提供满足航向信标性能垂直引导(Localizer Performance with Vertical guidance,LPV)的完好性监视服务。文章基于多假设分组解算法,根据目前的星座环境,结合民航不同飞行阶段的应用需求,对ARAIM算法进行仿真研究。针对水平保护级(Horizontal Protection Level,HPL)和垂直保护级(Vertical Protection Level,VPL)的指标,在不同星座组合环境下,选取南北半球不同经纬度的5个观测机场,分别仿真了HPL和VPL的变化情况,并对全球HPL和VPL平均分布趋势,以及以99%的概率满足LPV-200进近可用性指标时,ARAIM可用性的全球覆盖率进行了仿真预测分析。仿真结果表明,不论是全球定位系统和格洛纳斯双星座还是增加北斗卫星导航系统后的三星座,5个观测机场的HPL和VPL均能满足LPV-200进近对完好性指标的要求;但在全球范围内,双星座条件下,ARAIM并不能完全支持LPV-200进近对完好性监视的要求,而三星座则可大大提高ARAIM的可用性,为民航用户提供满足精密进近的所需导航服务性能。

基于GNSS完好性的ADS-B防欺骗

为有效解决广播式自动相关监视(ADS-B)系统易被人为恶意虚假欺骗这一紧迫问题,提出了一种将全球导航卫星系统(GNSS)完好性信息与ADS-B报文完好性特征属性参数进行一致性比对的自主式防欺骗方法。设计了基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗算法流程,并利用ADS-B接收机接收的真实报文和模拟产生的虚假报文,对整个防欺骗过程实施了仿真实验。通过对真假ADS-B混合报文的解析,获得时间、位置和导航不确定类别(NUC)的值,根据时间和位置信息利用接收机自主完好性监视(RAIM)和高级接收机自主完好性监视(ARAIM)的完好性增强算法,获得水平保护级(HPL)的预测值,再将该预测值与NUC值进行一致性比对,从而判别ADS-B报文的真实性。仿真结果表明,提出的防欺骗方法能有效防止不含完好性信息或完好性信息与飞机位置不关联的虚假ADS-B报文的恶意欺骗,对虚假报文的识别率不会低于99%。

地基区域完好性监测系统发展探讨

卫星导航系统将给民航、铁路、水运、公路等用户提供一种先进导航资源，但其应用还需要考虑导航系统完好性，本文探讨改善卫星导航完好性的一种方案一地基区域完好性监测系统发展，给用户特别是民航提供一种完好性系统方案建议。

适用于多模接收机的RAIM算法

为保证接收机工作在多系统环境时仍具有完好性检测性能,针对传统算法在不同测距标准差时,较小测距标准差对应卫星的虚警率上升,且出现故障时对其正确检测能力下降的问题,在传统最优奇偶矢量法的基础上提出一种改进算法—加权最优奇偶矢量法。经蒙特卡罗仿真证明:该算法在有效抑制低测距标准差对应卫星虚警率的同时,也有效地提高了对此类卫星发生故障时的正确检测能力。

基于多星最差故障搜索的RAIM完好性风险估计方法

作为接收机自主完好性监测(RAIM)的核心功能,严格的完好性风险估计是保障导航定位可靠性的关键。全球导航卫星系统的互操作使得多星故障概率上升,导致传统基于单星最差故障偏差的完好性风险估计严格性降低。为此,提出顾及多星故障的完好性风险估计方法。多星故障完好性风险的严格估计受限于多星最差故障偏差的精确确定,针对此建立确定多星最差故障偏差的“两步法”,即通过最差故障单位向量的确定以及最差故障幅值的有界搜索,实现导航定位完好性风险的保守估计。采用星座仿真软件模拟卫星故障场景测试完好性风险估计方法的严格性。实验结果表明:与传统单星故障完好性风险估计方法相比,所提方法在多星座组合场景下可显著降低漏检比率。此外,与传统顾及多星座多星故障的高级RAIM相比,所提方法在全球范围内满足99.5%可用性指标的比例至多可提升9.42%。

基于选星预处理的改进随机抽样一致性RAIM方法

多星座导航能够增加可视卫星数量,改善卫星几何构型,已成为卫星导航定位领域发展的重要方向之一。多星座导航接收机自主完好性监测(RAIM)技术对提高导航系统的完好性具有重要作用。面向多星座导航的完好性监测需求,分析了传统随机抽样一致性(RANSAC)故障检测方法的不足,提出了一种基于最小样本集选星预处理的改进RANSACRAIM算法。该算法基于最大四面体积法和GDOP值贡献度的选星方法选取具有较好构型的卫星构成卫星子集,取代了传统RANSACRAIM方法通过遍历构成卫星子集,可有效避免卫星子集中存在较差卫星几何构型的情况,减少子集数量,提升故障检测的准确率。静态和动态仿真实验表明,改进的RANSACRAIM算法在检测效率和检测准确率等方面明显优于传统方法。

GPS接收机自主完好性监测算法可用性分析

以全球定位系统(GPS)为研究对象,研究水平定位误差保护级(HPL),阐述自主完好性监测(RAIM)算法故障监测和可用性原理.结合导航性能在航空应用中的需求,对影响RAIM可用性的因素进行数据仿真分析.结果表明,漏检率一定时,RAIM可用性随着误警率降低而降低;误警率一定时,RAIM可用性随着漏检率降低而降低.RAIM算法的可用性随着截止高度角降低和可视卫星数增加而提高.研究结果为采用RAIM算法进行故障卫星的检测和隔离提供了一定依据.

ARAIM可用性预测系统的设计与实现

随着全球导航卫星系统空间星座的增多以及双频技术的发展,用于航路阶段的常规接收机自主完好性监测算法不能满足LPV-200进近对完好性的要求,因此,出现应用于进近阶段的高级接收机自主完好性监测(ARAIM)技术。针对LPV-200进近,基于对垂直保护限值的理论分析,研究ARAIM可用性预测算法,并设计ARAIM瞬时可用性预测系统。仿真结果表明,该系统能满足LPV-200进近对完好性的要求,在中国区域内,当可用性设置为99.9%时,ARAIM预测算法的覆盖率可达100%。

BDS/GPS组合导航RAIM可用性分析

采用RINEX数据实验比较了北斗卫星导航系统（BDS）和全球定位系统（GPS）电离层Klobuchar模型在BDS/GPS组合导航中的性能。选择相对较优的电离层模型分析了基于卫星星座类型和卫星类型两种加权情况下,单一北斗、单一GPS与BDS/GPS组合导航系统在非精密进近（NPA）阶段和一类垂直引导进近（APVⅠ）阶段的RAIM可用性。实验表明,在BDS/GPS组合导航中,BDS的Klobuchar模型在中国区域内能修正大量的电离层误差,相比于GPS的Klobuchar电离层模型,电离层延迟修正有0~3.4364 m左右的提高。对于两种加权RAIM算法,在NPA阶段,单一导航RAIM可用性为90左右,BDS/GPS组合导航的RAIM可用性达到100。而在APVⅠ阶段,单一导航不具备APVⅠ能力,组合导航APVⅠ阶段RAIM可用性达到100,具有提供APVⅠ应用的能力。

加权RAIM可用性预测方法研究

RAIM可用性预测系统是在飞机起飞前对飞机即将飞行的整个过程的机载GPS接收机的RAIM可用性进行预测,辅助空管和签派放行许可,是民航应用GPS导航的必要程序。SA(Selective Availability)取消前,SA是SPS(Standard Position Service)用户的最大误差源,各颗卫星的UERE(User Equivalent Range Error)基本接近,在进行RAIM可用性预测时可认为所有可见卫星的UERE相同;SA取消后,电离层成为SPS用户的最大误差源,与用户到卫星的仰角紧密相关,相同UERE的假设将降低RAIM的可用性。文中针对此特性,基于传统的RAIM可用性预测方法,提出了加权RAIM可用性预测方法,并对权值的选择进行分析。计算机仿真结果表明,加权方法提高了RAIM可用性,缩短了RAIM不可用时段。算法已经应用于民航的RAIM预测系统,运行良好。

GNSS中基于双星故障的RAIM中的数学关系

从理论上推导全球导航卫星系统(GNSS)中基于双星故障的接收机自主完好性监测(RAIM)中的两个基本定理,为基于双星故障的RAIM技术提供了理论支撑。第一个定理给出了RAIM中奇偶矢量与导航误差的关系,指出了两者的统计独立性,它表明只能通过多次测量的累积以统计方法得到导航定位精度;第二个定理指出可通过偏差修正方式得到正确的导航解。这两个结论与单星故障假设条件下得到的结论是相同的,这就表明,基于单星故障假设的RAIM方法,其基本原理是可以通用于双星以至于多星故障情形的,只需在具体操作上进行适应性改进。另外,推导方法本身也提供了一种进行GNSS分析的有力工具。

一种基于最小总风险代价函数的RAIM门限优化算法

传统接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM)算法采用完好性风险最小准则确定判决门限,其过于保守的门限求解方式增加了航空用户的连续性风险。针对不同航空用户完好性需求的差异,提出了一种基于最小总风险代价函数的RAIM门限优化算法,以假设检验中漏检与误警概率之和作为总风险代价函数,在兼顾导航所需性能及RAIM可用性的前提下,最小化总风险代价函数,以此确定RAIM优化门限,实现完好性与连续性风险间的权衡。仿真结果表明,经过最小总风险代价函数权衡,可合理降低用户连续性风险,并使其具备在伪距域中判定RAIM可用性的能力。

BDS/GPS组合的H-ARAIM PBN和ADS-B应用可用性评估

水平-先进接收机自主完好性监测(H-ARAIM)属欧美大力发展的新型机载自主卫星导航完好性监测技术。从H-ARAIM的基于性能的导航(PBN)和广播式自动相关监视(ADS-B)应用方法出发,基于美国全球卫星导航系统(GPS)和中国自主北斗卫星导航系统(BDS)组合系统,综合考虑不同卫星故障概率、不同星座故障概率、不同星钟星历误差配置以及不同星座配置,全面仿真评估了H-ARAIM的PBN和ADS-B应用全球可用性,结果表明:卫星和星座故障概率变化,对水平保护级(HPL)结果的影响不足0.1%,PBN和ADS-B均可实现全球100%可用性;星钟星历误差变化,会导致较大幅度的HPL变化,最大值可达20 m,但对PBN和ADS-B应用可用性没有显著影响;不同星座配置会对全球和亚太区域平均99.9%HPL结果及PBN和ADS-B应用可用性产生显著影响,HPL变化幅度达到32 m,可用性随星座配置不同而变化,最差可降低到96%。所取成果可为北斗民航应用提供坚实的理论参考和可靠的技术支撑。

民航RAIM可用性预测系统研究及设计

RAIM预测提供了一种在地面监测设施不完全时，机载RAIM可用性监测的手段。通过预测来发现飞行过程中可能出现的RAIM空洞，为航管部门提供制定飞行计划的依据。该方法通过提高GPS的可用性来保障航班在GPS作为单一导航系统的条件下的飞行安全。

BDS系统下RAIM算法可用性及结果分析

本文介绍了接收机自主完好性监测(RAIM)算法的可用性、故障检测及故障排除的原理及方法流程,结合BDS系统下定位精度的需求,通过仿真计算,得到了BDS系统下RAIM算法的可用性结果,并分析了DOP值对RAIM算法可用性及实际导航性能(ANP)的影响。

三种典型低轨增强星座与北斗系统联合应用的RAIM性能分析

接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)是终端用户高可靠导航定位的保障,低轨卫星的发展为完好性监测带来新的机遇,然而不同低轨星座增强下的终端RAIM性能可能会存在显著差异。基于高轨道倾角(80颗)、中轨道倾角(120颗)和混合轨道倾角(168颗)3种典型的低轨星座,系统评估了低轨卫星增强下的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)RAIM可用性及故障检测效果。仿真计算结果表明:对于高纬区域,高轨道倾角增强下的RAIM可用性效果最好,而在中、低纬区域,中轨道倾角星座增强下的RAIM可用性效果最优;在全球范围内,高轨道倾角、中轨道倾角和混合轨道倾角星座增强下非精密进近阶段的RAIM可用性较BDS分别提升30.5%、29.0%和41.0%。由此可知,由不同轨道倾角组成的混合星座可较好地弥补可视卫星在空间覆盖上的缺陷,其全球RAIM可用性增强效果最优,增强下的RAIM可检测到的最小伪距偏差较之前平均减小33.3 m。