GNSS用户级完好性监测算法理论、性能评估及优化研究

论文摘要

全球定位导航系统（Global Navigation Satellite Systems,GNSS）已经在军民各个领域中发挥着巨大的作用,高精度的定位性能已能够满足大部分用户的需求。但GNSS信号的固有脆弱性,使得其伪距和载波相位观测值易受卫星、地面控制、外界环境等因素影响而产生异常偏差,因此GNSS定位性能的可靠性,或者称完好性,已经成为民用航空等生命安全领域所关心的重要指标。本文主要研究探讨了用户级完好性监测的理论与方法,包括接收机自主完好性监测（Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM）与增强型接收机自主完好性监测（Advanced RAIM）,并通过实测数据和仿真对算法有效性进行了评估验证。在此基础之上,分析了RAIM算法和ARAIM算法的部分缺陷,对其进行优化与改进。本文开展的主要工作和取得的成果如下:1、提出了一种结合载波相位平滑伪距算法的RAIM小故障探测新策略。针对传统RAIM算法难以探测小故障的缺点,在周跳只探测不修复的前提下,提出了一种结合载波相位平滑伪距算法的RAIM小故障探测新策略,解决了Hatch平滑初始阶段卫星故障时滤波失效的问题。同时,基于定位解的单位权中误差变化,采用选星迭代的方式剔除定位性能差的卫星,与RAIM算法共同进行故障探测与识别。2、采用一种完好性支持信息（Integrity Support Message,ISM）参数差异化假设策略,对北斗（BeiDou Navigation Satellite System,BDS）系统ARAIM在亚太地区200英尺高度以下的垂直引导（Localizer Performance with Vertical guidance down to 200 feet service,LPV-200）性能进行了评估。针对BDS的异构特性,通过假设不同的ISM参数来对地面测站和亚太地区的ARAIM可用性和完好性进行评估。然后,比较GPS/BDS和GPS/GLONASS组合的ARAIM性能,以分析BDS在亚太地区的完好性、可用性性能及其星座贡献。最后,分析了BD-3新卫星的使用对BDS星座ARAIM性能的改善情况。3、分析了星座宽故障（Wide-Fault）模式对Multi-GNSS ARAIM用户性能造成的影响。针对双频多模GNSS组合后用户冗余观测资源极大增加,几何强度极大改善,双频组合消除电离层延迟等机遇,采用实测数据验证ARAIM从单星座到多星座组合后的性能改善趋势;然后介绍了星座宽故障威胁模式,并着重分析了当前Multi-GNSS ARAIM在世界范围内LPV-200仿真性能。4、研究了一种适用于ARAIM用户的选星方法,对Multi-GNSS ARAIM进行子集优化。针对Multi-GNSS组合时多元假设解分离（Multiple Hypothesis Solution Separation,MHSS）ARAIM测试子集过多、计算量过大的缺陷,提出一种适用于ARAIM用户的、基于ISM参数的选星方法,比较了该算法和常规快速选星方法应用于ARAIM的性能及效率,验证了所提方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•     1.1.1 GNSS——新的机遇与挑战
•     1.1.2 完好性及民航需求
•     1.1.3 完好性增强与监测技术
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 RAIM发展现状
•     1.2.2 ARAIM发展现状
•     1.2.3 现存问题与研究要点
•   1.3 本文内容与结构
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 论文结构
• 第二章 RAIM算法理论
•   2.1 RAIM基本概念
•     2.1.1 一致性检验理论
•     2.1.2 漏警率与虚警率
•     2.1.3 量测域与位置域
•   2.2 RAIM“快照法”
•     2.2.1 最小二乘残差法
•     2.2.2 奇偶矢量法
•     2.2.3 RAIM流程
•     2.2.4 “快照法”算例分析
•   2.3 结合Hatch滤波的RAIM算法策略
•     2.3.1 引言
•     2.3.2 载波相位平滑伪距原理
•     2.3.3 数据处理流程
•     2.3.4 试验与分析
•   2.4 本章小结
• 第三章 Advanced RAIM理论
•   3.1 ARAIM架构设计
•     3.1.1 ARAIM实施流程
•     3.1.2 完好性支持信息
•     3.1.3 Horizontal ARAIM与 Vertical ARAIM
•   3.2 多元假设解分离算法
•     3.2.1 MHSS原理
•     3.2.2 ARAIM风险分配
•   3.3 ARAIM基础算法
•     3.3.1 故障模式
•     3.3.2 解分离测试
•   3.4 保护等级的计算
•     3.4.1 PHMI平均分配
•     3.4.2 PHMI优化分配
•     3.4.3 PHMI二分搜索
•   3.5 本章小结
• 第四章 BDS ARAIM性能评估
•   4.1 BDS星座组成
•   4.2 设计方案
•     4.2.1 数据来源
•     4.2.2 误差模型中的ISM参数假设
•   4.3 ARAIM实测性能
•     4.3.1 ISM参数敏感度
•     4.3.2 BDS ARAIM性能
•     4.3.3 GPS/BDS ARAIM与GPS/GLONASS ARAIM
•   4.4 ARAIM可用性仿真
•     4.4.1 BDS在亚太区域的可用性
•     4.4.2 BDS-3 性能及改善
•   4.5 本章小结
• 第五章 Multi-GNSS ARAIM性能评估
•   5.1 GNSS组合观测模型
•   5.2 算例分析
•     5.2.1 数据来源
•     5.2.2 误差模型的ISM参数假设
•   5.3 GNSS组合ARAIM性能
•     5.3.1 Multi-GNSS对 ARAIM性能的改善
•     5.3.2 星座宽故障的影响分析
•     5.3.3 世界区域Multi-GNSS仿真分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 基于选星算法的MHSS ARAIM子集优化
•   6.1 子集计算冗余与实时性矛盾
•   6.2 Multi-GNSS选星算法
•     6.2.1 几何精度因子与误差投影
•     6.2.2 相关性分析
•     6.2.3 固定优选数目
•     6.2.4 基于GDOP的快速选星
•     6.2.5 基于ISM参数定权选星
•   6.3 试验与结果
•     6.3.1 数据来源及方案
•     6.3.2 误差模型中的ISM参数假设
•     6.3.3 Multi-GNSS ARAIM选星性能
•     6.3.4 选星效率与效果
•   6.4 本章小结
• 总结与展望
•   本文工作总结
•   展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 罗思龙

导师: 王利

关键词: 完好性,可用性,故障探测与识别,选星,子集优化

来源: 长安大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 长安大学

分类号: P228.4

总页数: 99

文件大小: 15492K

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