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。

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。

基于麻雀搜索算法的ARAIM故障子集优化算法

针对多假设解分离(MHSS)测试受卫星数目增加、潜在故障概率提高的影响,使得需要监测的子集数量增长而带来计算负担增加的问题,提出一种基于麻雀搜索算法(SSA)的高级接收机自主完好性监测(ARAIM)故障子集优化算法。结合SSA将可见卫星分配为发现者、跟随者和侦查预警者,通过剔除能量较低的个体降低计算冗余。在搜索过程中,引入自适应步长提升迭代速度,提高算法的执行效率。在双星座情况下,对完好性支持信息(ISM)参数进行3种假设,验证了所提算法的可用性,并与传统算法进行了对比分析。结果表明:通过所提算法得到的子集数量较传统算法减少了75%~90%,相同条件下,仿真用时降低了68%~88%,ARAIM可用性变化不超过2%。

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。

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%。

基于子集包含减少ARAIM子集数量的方法

先进接收机自主完好性监测(ARAIM)技术可用于多星座组合定位时的完好性监测,ARAIM技术子组推荐的多假设分离解(MHSS)标准算法,存在子集数量过多带来大量计算负载的问题。针对此问题,在双星座组合定位情景下,通过分析子集之间的包含关系及空间位置精度因子(PDOP)的变化,提出了使用一个子集代替多个子集减少子集数量的方法。所提方法可以明显地减少子集数量,不同参数下的仿真结果表明,优化后的算法效率至少提高2倍以上,并且优化前后的ARAIM可用性变化最大不超过3%。

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。

面向北斗单历元分米级定位的ARAIM保护水平计算方法

精密定位的质量控制和完好性评估是实时全球卫星导航系统(GNSS)导航应用不可或缺的环节,尤其是在GNSS易受损害的城市峡谷等场景下,这种需求更加迫切.广域精密单点定位(PPP)瞬时分米级定位,利用GNSS三频信号形成的两个宽巷观测值可以实现单点单历元分米级定位.然而,在城市复杂环境中,反射信号、严重多路径以及其他信号干扰对定位造成的影响无法准确评估与识别,限制了PPP瞬时分米级单点定位的应用.完好性概念中的高级接收机自主完好性监测(ARAIM)可以计算用户定位误差最小置信区间的上限保护水平(PL)以评估定位有效性,可经过一定改进用于PPP瞬时定位的质量控制.针对当前ARAIM中计算PL的误差模型难以适应高精度定位需求的问题,提出了一种改进的ARAIM PL算法,称其为BARAIM(Back Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring).使用PPP三频组合观测值残差对ARAIM权与误差模型进行修正以计算PL.基于不同复杂程度的环境下采集的车载数据对算法进行了验证,对PL的改进情况以及导航的可用性提升情况进行评估.结果表明:在不同环境下,基于改进的B-ARAIM算法得到的PL,相比传统方法得到的PL更符合城市定位的需要,将PL降低了30%~70%.此方法有助于将ARAIM算法应用在高精度GNSS定位领域.

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。

ARAIM算法多故障检测排除性能初步分析

介绍了最新的ARAIM算法,使用实际数据分析了单个及多(两)个故障情况下由于ARAIM算法自身缺陷导致计算得到的多个导航系统完备性性能的下降。统计了一天之内ARAIM算法成功的概率,正确检测排除故障的概率以及通过卡方检验的概率,并分析了算法在不同故障模式下所能实现的导航系统可用性级别。

基于ISM参数偏差阶梯式变化的ARAIM可用性

针对双频多星座全球卫星导航系统提供垂直引导服务的先进接收机端完好性监测技术(ARAIM)是当前完好性研究的重要热点之一,完好性支持信息(ISM)是实现ARAIM可用性的核心内容。为了探讨ARAIM可用性对ISM参数偏差的敏感度,在梳理ISM各参数和ARAIM性能关系的基础上,研究了基于阶梯式变化的ISM参数偏差对ARAIM可用性的影响情况。研究结果表明,ARAIM算法的四种可用性判据对ISM参数偏差表现出不同的耐受性,ISM各参数偏差对ARAIM可用性影响差异较大,且ISM参数中的用户测距精度(URA)对ARAIM可用性的影响最为明显,可造成大于10%的严重影响。