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多频多系统GBAS完好性监测与评估方法研究

2020-12-02阅读(396)

多频多系统GBAS完好性监测与评估方法研究

论文摘要

随着GNSS的快速发展,在与生命安全密切相关的应用领域,完好性问题愈发凸显。地基增强系统（Ground Based Augmentation System,GBAS）具有满足最高标准完好性性能需求的潜力,因而在精密进近等领域受到了广泛的关注。尽管GBAS完好性监测技术历经二十余年的发展,在完好性监测算法、性能评估等方面取得了一大批丰富的研究成果,但是仍然存在一系列的问题需要深入研究。特别是以GPS、GLONASS、Galileo和BDS为代表的全球卫星导航系统蓬勃发展,给多频多系统完好性监测带来了新的机遇,同时更多的卫星种类,载波频率,信号类型,复用方式等因素,也为其带来了更多挑战。论文旨在系统深入地研究GBAS完好性监测与评估的理论和方法,综合运用统计理论和现代质量控制体系,丰富多频多系统完好性监测算法,改进GBAS完好性监测处理策略,力求为多频多系统GBAS完好性监测实际应用提供理论参考与实践基础。论文的主要工作和贡献如下:1)系统性介绍了GBAS的原理,阐述了GBAS的基本结构及各模块功能,给出了单频相位平滑伪距和双频相位平滑伪距预处理算法,讨论了基于Melborne-Wubbena组合,几何无关组合以及三频周跳探测这三种周跳探测技术,介绍了GBAS伪距差分定位模型,并阐释了GBAS完好性监测指标。梳理了完好性系统构建的算法框架,在现有单频单系统完好性监测平台的基础上拓展为多频多系统完好性监测平台,优化了多频多系统下的处理逻辑,总结并给出了完好性监测中常用的统计分析方法。2)针对GBAS广播修正误差的实时标准差-均值监测,系统性的总结了现有标准差-均值监测算法,概述了其基本理论并结合算例分析了其实际性能;提出了一种基于EWMA控制图的标准差-均值监测算法,综合分析了控制限参数和平滑系数对EWMA控制图性能的影响;对比分析了不同标准差-均值监测算法的性能,结果表明:基于EWMA控制图的标准差-均值监测算法优化了失控状态下的平均运行长度指标,显著提高了实时标准差-均值监测的性能。3)采用短时傅里叶变换分析了周期性伪距多路径的时频特性,发现伪距周期性多路径特征存在显著的时变特性的结论;针对这一问题,提出了一种基于自适应阈值调整策略的多路径异常监测算法,设计了顾及实时频谱特征的自适应参数估计策略,结果表明:该算法有效克服了多频多系统下伪距周期性多路径异常的时变特性,提升了伪距多路径异常监测的有效性和可靠性。4)提出了一种基于频域滤波的GNSS多路径抑制算法,针对性地从频域上抑制了异常谱峰影响,并最大限度地保留了数据在其他频域区间的原始特性。结果表明:该算法能够最大可能的保留原始数据特征,避免了过平滑的影响。对于BDS地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit,GEO）卫星此类不存在周期性多路径的卫星,该算法能够最大限度保留其原始数据特性;对于存在周期性异常的卫星,伪距RMS的提升幅度通常在0.100.45m的范围,提升幅度浮动在14.3461.84%的区间范围内,且提升幅度与该卫星观测量中受到的伪距周期性波动的幅度有关。其中,GPS改正后的伪距RMS提升幅度通常在0.110.16m,提升百分比浮动在19.0540.90%;GLONASS改正后的伪距RMS提升幅度通常在0.100.45m,提升百分比浮动在14.3450.73%;BDS的非GEO卫星改正后的伪距RMS提升幅度通常在0.160.42m,提升百分比浮动在20.6461.84%。5)基于实测动态数据,综合评估了动态情况下四系统GBAS完好性性能。系统性评估了GBAS流动站端的多路径及热噪声水平,分析了基线距离对GBAS完好性监测性能的影响,给出了垂直和水平方向保护水平的统计分散情况和概率密度分布。实验结果表明:以车载数据模拟流动站的动态环境下,GBAS垂直方向完好性满足CAT-I的数据达到100%,满足CAT-III标准的数据达到99.949%。水平方向完好性满足CAT-I和CAT-III的数据均达到100%。VPL在3.8m,4.8m和8.4m的累积概率密度分别达到了99%,99.9%以及99.99%。HPL达到99%,99.9%以及99.99%的累积概率密度则分别为3m,3.4m和5.2m。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 缩写索引
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 GBAS监测模型及算法
  •     1.2.2 标准差-均值监测
  •     1.2.3 多路径特性分析及平滑算法
  •     1.2.4 GBAS完好性性能评估
  •   1.3 本文的研究目标及内容
  •     1.3.1 研究目标
  •     1.3.2 研究内容
  •   1.4 本章小结
  • 第二章 GNSS概述及GBAS工作原理
  •   2.1 GNSS系统概述
  •     2.1.1 GNSS系统组成
  •     2.1.2 GNSS误差分析
  •   2.2 GBAS工作原理
  •     2.2.1 GBAS基本结构
  •     2.2.2 GBAS数据预处理技术
  •     2.2.3 GBAS伪距差分定位
  •     2.2.4 GBAS完好性监测指标
  •   2.3 本章小结
  • 第三章 GBAS完好性监测算法及统计分析方法
  •   3.1 GBAS完好性监测算法总体框架
  •   3.2 GBAS完好性监测算法
  •     3.2.1 SQM监测
  •     3.2.2 DQM监测
  •     3.2.3 MQM监测
  •     3.2.4 EXM-I监测
  •     3.2.5 MRCC
  •     3.2.6 标准差-均值监测
  •     3.2.7 MFRT监测
  •     3.2.8 EXM-II排除逻辑
  •   3.3 完好性监测中的统计分析方法
  •     3.3.1 正态性检验
  •     3.3.2 概率密度包络
  •     3.3.3 方差齐性检验
  •     3.3.4 均值检验
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 基于质量控制图的标准差-均值监测方法
  •   4.1 基于Shewhart控制图的监测算法
  •     4.1.1 基本理论
  •     4.1.2 ARL计算
  •     4.1.3 算例分析
  •   4.2 基于CUSUM控制图的监测算法
  •     4.2.1 基本理论
  •     4.2.2 ARL计算
  •     4.2.3 算例分析
  •   4.3 基于EWMA控制图的监测算法
  •     4.3.1 基本理论
  •     4.3.2 ARL计算
  •     4.3.3 算例分析
  •   4.4 算法性能对比
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 多路径异常监测及其对GBAS的影响
  •   5.1 多路径时频特征分析
  •   5.2 伪距多路径对GBAS的性能影响
  •   5.3 一种基于自适应阈值调整策略的多路径异常监测方法
  •   5.4 一种基于频域滤波的GNSS多路径抑制方法
  •   5.5 本章小结
  • 第六章 多频多系统完好性性能评估
  •   6.1 完好性监测保护门限计算模型
  • prgnds及σprairs性能评估'>  6.2 动态环境下的GBASσprgnds及σprairs性能评估
  •   6.3 多频多系统完好性性能评估
  •   6.4 本章小结
  • 第七章 结论与展望
  •   7.1 工作总结
  •   7.2 未来展望
  • 参考文献
  • 攻博期间发表的科研成果目录
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 喻思琪

    导师: 张小红

    关键词: 地基增强系统,完好性监测,多频,多系统,自适应频域滤波,标准差均值监测,完好性性能评估

    来源: 武汉大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 自然地理学和测绘学

    单位: 武汉大学

    分类号: P228.4

    总页数: 137

    文件大小: 4962K

    下载量: 120

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