飞机进近阶段的接收机自主完好性监测研究综述

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)的快速发展,对飞机进近阶段接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring, RAIM)的研究也越来越多。本文首先介绍了飞机进近着陆不同阶段的GNSS完好性要求;其次综述了飞机进近阶段常用的RAIM算法,针对快照式的奇偶矢量法对微小故障和突变故障检测能力不足的问题提出滤波式卡尔曼滤波算法(Kalman Filter, KF),又因为KF不能解决非线性、非高斯的问题,提出了粒子滤波算法(Particle Filter, PF),随后又进一步提出了基于载波的RAIM算法(Carrier-Phase RAIM)和高级的RAIM算法(Advanced RAIM, ARAIM);然后介绍了RAIM可用性判定方法,并分析了单系统和多系统组合导航在飞机进近阶段的RAIM可用性研究现状,发现目前大多数研究主要是针对双系统和三系统组合导航,且大部分只分析了APV-Ⅰ、 APV-Ⅱ两个阶段,对于要求更高的CAT阶段几乎没有涉及;最后总结了RAIM在飞机进近阶段应用的不足之处,并且展望了未来的研究方向。

基于奇异值分解的接收机自主完好性监测算法

基于最小二乘法残差的接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)算法本质是一种基于伪距残差矢量的一致性监测算法,但由于残差矢量中各分量具有一定的关联性,掩饰了某些重要的不一致性信息。为了消除这种关联性,提出了一种基于奇异值分解的接收机自主完好性监测方法。在方法中利用奇异值分解对伪距观测矩阵中的观测系数矩阵进行分解,获得奇异值空间矢量和奇异值空间矩阵。基于奇异值空间矢量构造能够直接反映故障卫星偏差信息的检验统计量,从而可以简便地进行粗差监测,更好地满足完好性监测需求。鉴于实际中完好性故障包含运控系统故障、导航系统故障、信号传播异常以及地面接收处理故障等多类因素,以脉冲型和阶跃型两种故障方式进行基于奇异值分解的RAIM故障检测与识别,并开展仿真分析研究。结果表明,提出的方法能够正确检测、识别故障卫星,在特定参数下能够达到很好的故障识别率,即当误警概率设置为1×10^(-5)/h、引入阶跃故障误差为25 m时,算法能够实现98.8%的故障识别率。

基于内符合精度改进的接收机自主完好性监测算法

传统的接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring, RAIM)算法基于最小二乘残差法进行故障检测和识别,由于最小二乘残差法存在系数矩阵病态的问题,可能出现漏排、错排现象。据此,提出一种基于内符合精度改进的RAIM方法。该方法在原有故障检测基础上引入卫星定位内符合精度检验门限,并对传统的故障探测法进行改进,以降低故障漏检率,提高故障识别率。实验结果表明,改进的方法可以在不影响系统完好性算法可用性的情况下有效降低漏检率,高效地识别出故障卫星。相较于两组实验数据中传统算法4.66%和1.95%的漏检率,改进算法可以将漏检率分别降低至2.21%和0.81%。

时-集综合的接收机自主完好性监测方法研究

提出了将时域处理和集合统计综合实现接收机自主完好性监测的方法。对卡尔曼滤波的新息检测方法进行了数学建模,分析了其优点和缺陷,并将其与基于瞬时(Snapshot)集合冗余一致性检测的RAIM的方法进行综合,称之为时-集综合的接收机自主完好性监测(Time and Set Combined Receiver Integrity Auton- omous Monitoring,TSC-RAIM)。计算机仿真结果表明,该方法不仅可以减少对可见星数目的要求,弥补Snapshot RAIM对多故障不敏感的缺陷,同时提高了故障检测的概率。

基于粒子滤波和似然比的接收机自主完好性监测算法

由于粒子滤波算法在处理非线性系统非高斯噪声问题具有较大的优势,提出将粒子滤波算法与对数似然比方法有机结合应用于接收机自主完好性监测(Receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)中。通过粒子滤波算法对状态进行精确估计,利用对数似然比建立一致性检验统计量进行故障检测。在建立全量累加对数似然比和部分累加对数似然比检验统计值的基础上,通过比较系统各状态累加对数似然比和检测阈值之间的关系,进而对卫星故障进行检测。对算法进行了数学建模,描述了RAIM算法流程。通过实测数据对提出的RAIM算法进行验证,结果表明:粒子滤波在非高斯测量噪声情况下可以对GPS接收机状态进行精确的估计,利用对数似然比建立的一致性检验统计量能有效地检测并隔离故障卫星,验证了该算法应用于接收机自主完好性监测的可行性和有效性。

基于MCMC粒子滤波的GPS接收机自主完好性监测算法研究

提出将马尔可夫蒙特卡罗方法与标准的粒子滤波算法有机结合应用于接收机自主完好性监测(RAIM)中。通过状态观测概率密度似然比方法建立一致性检验统计量进行卫星故障的检测与隔离。对算法进行了数学建模,描述了算法的流程。通过实测数据验证,结果表明,该方法在非高斯测量噪声情况下可以对状态进行精确的估计,成功检测和隔离故障卫星,克服了卡尔曼滤波的RAIM算法在处理非高斯测量噪声时性能下降的问题,从而验证了MCMC粒子滤波在接收机自主完好性监测中的有效性。

遗传粒子滤波的GPS接收机自主完好性监测

针对全球定位系统接收机观测噪声分布的特点和基本粒子滤波存在的粒子退化与采样枯竭问题,提出了一种基于遗传算法进行再采样粒子滤波与似然比方法有机结合的全球定位系统接收机自主完好性监测方法.建立了卫星故障检测的检验统计量,通过比较系统各状态累加对数似然比对卫星故障进行检测.将遗传算法中的选择、交叉和变异操作融入到粒子滤波中,提高了粒子滤波的精确性,在实数域内对粒子进行遗传操作,避免了遗传操作的编解码.实验表明,该算法在非高斯测量噪声下成功地检测并隔离故障卫星,提高了故障检测的性能,验证了该算法应用于全球定位系统接收机自主完好性监测的可行性和有效性.

基于EKF的GNSS接收机自主完好性监测方法

随着GNSS应用范围和研究深度的不断增加,接收机完好性检测性能需求也相应提高.基于加权最小二乘法的"快照"估计方法只利用当前历元观测信息,性能有一定局限性.本文提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的RAIM检测和故障识别方法,综合运用当前和之前历元的观测量进行估计,利用正交分解方法转化为标量顺序计算,避免了迭代过程的矩阵求逆.仿真结果表明该方法检测性能较好,可以减小径向保护误差,提高故障检测能力,同时具有递推计算、运算量小、实时性高的优点.

接收机自主完好性监测算法研究

卫星导航接收机自主完好性监测RAIM是利用接收机自身的冗余观测值进行卫星故障的检测和识别,根据现有RAIM算法进行故障检测,有较大的漏警率。该文通过研究基于最小二乘残差的故障检测和识别方法,提出了一种改进的RAIM算法,有效地降低了漏警率。该算法在某型号接收机的相关实验中取得了较好的效果。

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。

GPS接收机自主完好性监测算法硬件仿真

针对卡尔曼滤波算法在处理GPS接收机非高斯测量噪声性能下降的问题,提出了粒子滤波用于接收机自主完好性监测的算法,并利用FPGA对算法进行仿真。通过将粒子滤波与似然比结合建立一致性检验统计量进而对故障卫星检测与隔离,对算法进行了详细的理论分析和建模,给出了算法的详细描述和仿真方法,在FPGA中采用Verilog编程验证粒子滤波算法用于接收机自主完好性监测的模块设计。结果表明:设计的各个模块运行结果正确,可与Microblaze软核配合完成接收机自主完好性监测算法的全部功能的设计。

GNSS系统接收机自主完好性监测算法

提出一种适用于多星座情况的接收机自主完好性监测算法——基于完好性指标动态分配的完好性监测算法。该算法比传统算法更能适应多星座情况下不同星座观测量属性的差异,其可用性比传统算法提高2%～3%。在多星座和双频情况下,利用该算法分析完好性监测的性能,结果表明,该算法在LPV-200完好性要求下是适用的。

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。

接收机自主完好性监测可用性判断方法研究

简介目前卫星导航中的接收机自主完好性监测RAIM算法和其中常用的三种可用性判断方法:δHm ax方法、ARP(Approxim ated R ad ia l-E rror Protected)方法和HPL(Horizonta l Protection Leve l)方法。对这三种可用性判断方法进行了理论分析和比较,证明δHm ax方法和HPL方法的理论等价性。通过计算机仿真对δHm ax方法和HPL方法的等价性进行了验证。并给出三种可用性判断方法在我国部分地区的RA IM算法的可用率。

基于改进粒子滤波的GPS接收机自主完好性监测算法

针对基本粒子滤波重采样过程中粒子权值退化和多样性丧失的问题,将遗传算法引入基于神经网络的权值调整粒子滤波算法中,结合了遗传算法全局寻优的收敛性与神经网络局部寻优的快速性优点。将提出的算法与对数似然比方法结合用于GPS接收机自主完好性监测,通过建立一致性检验统计量实现对故障卫星的检测与隔离。通过采集实测数据进行验证,结果表明:该算法可以成功检测和隔离故障卫星,其性能优于基于基本粒子滤波的接收机自主完好性监测,验证了该算法应用于GPS接收机自主完好性监测的可行性和有效性。

基于多历元相关距离的接收机自主完好性监测

针对传统的单历元奇偶矢量接收机自主完好性监测方法无法检测伪距误差较小情况的缺陷,提出一种基于多历元相关距离的监测方法。该方法通过构造奇偶矢量多历元叠加矩阵,将N个历元的伪距信息进行整合,其中的固定偏差量得到累积,而由噪声引起的偏差互相抵消,然后用归一化相关距离检测出存在故障的卫星。仿真表明,该方法可有效检测静态和低动态条件下存在慢变伪距偏差的情况,当单星存在0.5m偏差时,检测概率提高到95%以上,双星存在0.5m以内偏差也可以提高到60%以上。

卫星导航接收机自主完好性监测算法研究

针对航空导航定位高可靠性的要求和GPS接收机观测噪声分布的特点,研究将粒子滤波算法应用于接收机自主完好性监测(RAIM)中。通过粒子滤波算法对状态进行精确估计,利用对数似然比建立一致性检验统计量进行故障检测与隔离。对算法进行了数学建模,描述了完整的RAIM算法详细流程。通过实测数据对提出的RAIM算法进行验证,结果表明:粒子滤波算法在非高斯测量噪声情况下可以对GPS接收机状态进行精确的估计,利用对数似然比建立的一致性检验统计量能有效地检测并隔离故障卫星,验证了该算法应用于GPS接收机自主完好性监测的可行性和有效性。

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。

接收机自主完好性监测软件系统设计

随着GPS等卫星导航系统的广泛应用,实际导航中对接收机的导航定位精度也提出了越来越高的要求。目前对此较为有效的方法就是利用接收机自主完好性监测来保证,该方法日益受到重视。本文对接收机自主完好性监测软件系统进行了总体的搭建,对软件系统各功能模块进行介绍的同时,全面地阐述了利用最小二乘算法进行接收机自主故障检测及故障隔离的步骤以及相应的算法。

卫星导航接收机自主完好性监测可用性判断方法研究

本文简要介绍了目前卫星导航中的接收机自主完好性监测(RAIM,Receiver Autonomous Integrity Monitoring)算法和其中常用的三种可用性判断方法:δHmax方法、ARP(Approximated Radial-Error Protected)方法和HPL(Horizontal Protection Lev-el)方法。对这三种可用性判断方法进行了理论分析和比较,证明了δHmax方法和HPL方法的理论等价性。通过计算机仿真对δHmax方法和HPL方法的等价性进行了验证,并给出了三种可用性判断方法在我国部分地区的RAIM算法的可用率。