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GNSS完好性增强理论与方法研究

牛飞  
【摘要】: 本文紧紧围绕利用星基增强系统(SBAS)和地基增强系统(GBAS)对卫星导航系统(GNSS)进行完好性增强这一主题展开研究,主要内容如下: 1、归纳总结了卫星导航系统完好性保障的理论与方法,明确了民用航空对卫星导航系统的性能需求,给出了系统完好性的概念及其监测方法,研究分析了系统完好性保障领域存在并需解决的问题。 2、对欧洲GALILEO卫星导航系统进行了系统仿真,分析了GALILEO系统的性能和完好性保障方法。通过分析得出,GALILEO系统星座部署较GPS星座更具优势,GALILEO系统GDOP值的变化规律在低仰角情况下与GPS相当,在高仰角情况下具有明显优势。 3、研究了分米级星基增强系统的关键技术,并进行了精度分析。对基于伪距与载波相位组合观测量和精化摄动力模型的卫星轨道与钟差的精密确定进行了分析研究。通过采用全球的GPS数据,预报3小时精度优于15cm,采用国内一类基准站+部分国际站,国际站用网络取滞后1小时的观测数据定轨,预报2小时轨道精度可优于20cm,卫星钟差的解算精度可以达到0.3ns。采用精化格网电离层模型,由上海多功能GPS综合服务网的观测数据建立VTEC单站模型,校正SHSS站观测的PRN25卫星信号的电离层延迟,扣除系统偏差后精度好于0.2m。 4、研究分析了WAAS的电文系统,阐述了星基增强系统如何通过其电文系统对差分及完好性信息进行准确的传播。通过分析得出,WAAS电文系统充分考虑了卫星快变、慢变改正数和电离层延迟改正数及其误差范围等参数的表示方法,此外还考虑了改正数误差范围的退化因子,用户可通过电文中的完好性信息在时域上更加准确的估计改正数残留误差,从而更加准确地估计定位域误差保护限值。 5、针对星基增强系统完好性参数取值相对保守和加权最小二乘定位解算中权阵计算相对不合理问题,提出了综合考虑精度和完好性的SBAS定位解算优化方案。在适当放宽完好性要求条件下调整完好性参数UDRE和GIVE取值,可以更好地符合真实卫星信号的误差特性,并进一步计算新的权阵。使用新权阵的加权最小二乘解可以在一定程度上提升定位结果的精度;使用新调整的完好性参数UDRE和GIVE计算得出的VPL值更小,对定位误差仍具有包络作用;采用自适应的载波相位平滑伪距时间可使得定位精度达到最优。 6、针对星载原子钟相位异常和频率异常情况,提出了一种基于平稳时间序列的星载原子钟异常监测算法。该算法通过对卫星钟差进行双差处理构建平稳时间序列,然后对平稳时间序列中的异常进行监测,其实质是从平稳的随机过程中监测不平稳的状态,从而达到监测卫星钟相位异常和频率异常的目的。 7、研究了JPALS的原理、关键技术和核心算法。通过分析研究得出LB-JPALS的DFS算法与SB-JPALS的WLFS算法有些近似,但又不完全相同,主要区别是,WLFS算法是对L1和L2宽巷组合观测值进行实数域的平滑处理,而DFS算法是对L1(或L2)单频观测值的平滑处理。因而,SB-JPALS机载设备必须是双频接收机以满足WLFS处理过程,并且WLFS算法的宽巷组合观测值已在平滑处理前将电离层延迟消除,因而不存在平滑中存在的电离层延迟快速变化在码和相位之间存在偏差的问题。 8、对基于非零均值非高斯分布的多路径误差模型进行了膨胀分析。该方法的提出基于用户端计算定位域保护限值的前提条件是伪距域残差服从零均值高斯分布,然而伪距域残差中的主要分量多路径误差并非服从零均值高斯分布。本文从多路径误差分布的分析入手,引入“包络”的概念,推导了三种多路径误差分布模型,并针对每种误差分布模型,分别研究了如何构造零均值高斯分布模型“包络”非高斯分布的多路径误差分布模型,并计算相应的膨胀因子,从理论上体现了完好性保障方法的严密性和有效性。 9、研究了地基增强系统的异常监测体系和流程。该体系由一系列的异常监测算法与执行逻辑构成,比星基增强系统的异常监测体系更全面,要求更高。它可以对卫星导航信号、观测量和电文进行比较全面的监测,并能对故障点进行有效地定位、隔离和排除。 10、研究了基于B值Sigma的异常监测算法。这种监测算法是针对伪距域出现的异常随机误差而提出的。基于B值Sigma开方监测算法是在时域开窗,并对窗口内采样点Sigma求平方和构造检验量;基于B值Sigma累积和监测算法是对B值标准化之后,求累积和构造检验量,通过将检验量与限值比较判定是否有异常发生。仿真计算结果表明,基于B值Sigma开方监测算法和基于B值Sigma累计和监测算法均能够有效地监测GBAS参考站异常随机误差。 11、针对局部电离层风暴对地基增强系统的影响,引入了局部电离层风暴模型并提出了相应的监测算法,并在此基础上改进了伪距差分算法。若电离层风暴发生在局域差分有效服务区内,使电离层延迟误差在空域和时域上去相关化,则会对系统完好性构成较大威胁。对此,本文提供时域异常监测的CCDMA算法和DSCMA算法,提出空域异常监测的DRSMA算法,并改进了伪距差分算法,以在电离层风暴发生时对伪距差分改正数进行补偿。仿真结果表明,改进的伪距差分定位算法能有效减小用户定位结果的系统偏差,提高定位精度。


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