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《中国地质大学(北京)》 2017年
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基于M估计的GNSS接收机自主完好性监测研究

王式太  
【摘要】:随着GNSS系统的快速发展,卫星导航系统已具备作为主要的导航手段应用到民用航空领域的条件。航空导航的高精度、高安全性和高可靠性特点,对导航系统的完好性提出了很高的要求。接收机自主完好性监测RAIM技术是不依赖外部系统且能及时为用户提供导航完好性监测的方法,目前对其的研究主要集中在采用最小二乘法和统计检验理论来实现系统要求的完好性。为解决粗差本身对最小二乘法和统计检验值的干扰造成的误判,本文采用了稳健估计中的M估计方法构建了RAIM相关算法。主要开展了如下研究:1)运用M估计的抗差特性,设计了基于M估计的RAIM粗差探测和剔除算法,并采用实测数据进行粗差探测实验,运用常见的几种M估计方法,L1范估计,和极大似然估计,Huber法,IGGⅢ法进行了不同大小的单粗差、双粗差及三粗差的探测和剔除实验,分析了M估计方法的性能和可用性。验证得M估计的粗差定位性能显著优于最小二乘法,尤其L1范估计方法及和极大似然估计方法可明显提升粗差探测和剔除的成功率。2)设计了新的HPL和VPL算法来对L1范估计后的结果进行预测和评价。提出了基于L1范估计最小可探测偏差MDB的水平和垂直保护水平算法,并采用实测数据对SLOPE法与L1范估计的MDB法进行了实验和分析。基于偏差完好性风险算法设计了基于L1范估计的位置域及伪距域的协方差矩阵的保护水平算法MMS算法,并采用实测数据对MMS算法和MHSS算法进行对比和分析。验证可得,根据L1范估计MDB方法和MMS方法所获得的VPL可实现对VPE的完全保护。MDB方法的HPL和VPL计算结果相对于传统SLOPE方法均有一定程度的提升,MMS方法的HPL和VPL相对于MHSS方法也有一定程度的提升。3)对BDS14在服务区域内的基本性能进行了分析;对BDS系统中不同类型的卫星出现故障对RAIM性能的影响进行分析;对GPS、BDS、GLONASS和Galileo星座进行仿真,采用本文提出的基于L1范估计的MMS算法,对BDS、GPS、GLONASS、Galileo系统单系统及多系统组合时,在单粗差和多粗差(2个或3个)假设时的95%VPL进行计算,与不同航行阶段的VPA要求进行对比,从而进行导航系统的全球可用性分析。分析可得,在卫星精度相当的情况下,卫星数的增多可降低VPL值,增加RAIM系统的可用性;但当卫星精度有差异时,低精度卫星的加入会增大VPL,降低系统可用性。当故障数增加时,RAIM的可用性将不同程度的降低,但卫星几何结构和卫星轨道和钟差的标准差相对于粗差个数,对于RAIM的垂直可用性影响更大。
【关键词】:M估计 接收机自主完好性监测 水平保护水平 垂直保护水平
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P228.4
【目录】:
  • 中文摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第1章引言10-24
  • 1.1 研究目的和研究意义10-11
  • 1.2 GNSS系统的发展11-13
  • 1.3 接收机自主完好性监测算法研究现状13-22
  • 1.3.1 提供水平定位保护的RAIM算法14-16
  • 1.3.2 可提供垂直定位保护的ARAIM算法16-18
  • 1.3.3 完好性风险定义及分配18-22
  • 1.4 本文的研究内容22-23
  • 1.5 本章小结23-24
  • 第2章M估计基本理论24-36
  • 2.1 导言24-25
  • 2.2 M估计定义与解方程25-30
  • 2.2.1 极值法定义25
  • 2.2.2 M估计的解方程定义25-26
  • 2.2.3 M估计准则的分类与统计背景26-30
  • 2.3 M估计检验统计量30-32
  • 2.4 M估计的线性表示与基本向量的协方差矩阵32-35
  • 2.4.1 基本向量的线性表达式32-33
  • 2.4.2 基本向量的协方差矩阵33-34
  • 2.4.3 正态分布下M估计的多余参数34-35
  • 2.5 本章小结35-36
  • 第3章基于M估计的RAIM粗差探测与定位算法36-96
  • 3.1 导言36
  • 3.2 基于最小二乘法的粗差探测与定位算法36-44
  • 3.2.1 最小二乘残差法36-38
  • 3.2.2 奇偶矢量空间法RAIM38-40
  • 3.2.3 ARAIM用户解分割算法40-44
  • 3.3 基于M估计的粗差探测与定位方法44-53
  • 3.3.1 M估计的基本模型44-45
  • 3.3.2 探测粗差的M检验统计量45-48
  • 3.3.3 稳健性的M估计方法48-53
  • 3.4 粗差探测和定位模拟实验53-94
  • 3.4.1 单粗差探测和定位实验55-71
  • 3.4.2 双粗差探测和定位实验71-83
  • 3.4.3 三颗卫星故障时的粗差探测和定位实验83-94
  • 3.5 本章小结94-96
  • 第4章基于M估计的RAIM保护水平算法96-126
  • 4.1 导言96
  • 4.2 单故障假设时保护水平算法96-109
  • 4.2.1 RAIM可用性判断方法96-99
  • 4.2.2 基于L1范估计最小可探测偏差的RAIM保障算法99-109
  • 4.3 多故障假设下保护水平算法109-125
  • 4.3.1 多重假设解分割算法的PL算法109-110
  • 4.3.2 基于L1范估计的多方向最大斜率算法110-125
  • 4.4 本章小结125-126
  • 第5章多星座RAIM完好性和可用性分析126-162
  • 5.1 导言126-127
  • 5.2 GNSS星座构成127-132
  • 5.2.1 GPS127-129
  • 5.2.2 GLONASS129-130
  • 5.2.3 BDS130-131
  • 5.2.4 Galileo131-132
  • 5.3 BDS14 RAIM性能分析132-143
  • 5.3.1 空间位置精度因子PDOP值与可用性计算133-134
  • 5.3.2 BDS在不同截止角下的PDOP可用性分析134-138
  • 5.3.3 北斗系统不同形式的卫星退出服务造成影响的分析138-143
  • 5.4 多星座可用性计算143-160
  • 5.4.1 构造伪距协方差矩阵143-144
  • 5.4.2 HPL、VPL计算144-145
  • 5.4.3 精度、无错误位置误差限值145
  • 5.4.4 多星座可用性模拟分析145-160
  • 5.5 本章小结160-162
  • 第6章总结162-166
  • 6.1 主要的工作及意义162-164
  • 6.2 主要创新点164
  • 6.3 待解决问题164-166
  • 致谢166-168
  • 参考文献168-176
  • 附录176

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