GNSS完好性監(jiān)測體系及輔助性能增強技術(shù)研究.pdf

1、隨著衛(wèi)星導航相關(guān)理論研究的深入和全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)的快速發(fā)展,GNSS接收機作為實時的十參數(shù)傳感器(三維位置、速度、姿態(tài)和一維時間)的導航服務(wù)性能(精度、可用性、完好性、連續(xù)性)得到了極大的提高,衛(wèi)星導航應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展,在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮的作用更加明顯。但由于GNSS固有脆弱性、差錯存在的普遍性和不確定性及信號易受遮蔽等不足,使很多用戶對GNS

2、S所提供服務(wù)的信任程度大大降低。如果沒有完好性的服務(wù)性能作保障,GNSS只能充當輔助導航角色,也就是說GNSS作為主用導航設(shè)備必須跨越完好性這道門檻。GNSS完好性監(jiān)測相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)成為國際國內(nèi)GNSS研究熱點之一。
　　本文針對當前國內(nèi)外 GNSS完好性監(jiān)測和性能增強技術(shù)研究中存在的一些弱點和盲點問題,依托國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題“GNSS脆弱性分析及信號傳輸環(huán)境研究”等項目研究內(nèi)容,全面分析了GNSS完好性

3、的根源和本質(zhì);深入研究了解決GNSS完好性問題的途徑和方法;從全局高度提出了三級GNSS完好性監(jiān)測的完整理論體系,構(gòu)建了GNSS完好性監(jiān)測綜合評估系統(tǒng)架構(gòu),分別應(yīng)用質(zhì)量控制理論、信號分析理論和一致性檢測理論實現(xiàn)全球系統(tǒng)級星座完好性監(jiān)測、區(qū)域增強級信息完好性監(jiān)測和終端應(yīng)用級用戶完好性監(jiān)測;提出了基于質(zhì)量控制的GNSS星座完好性綜合評估方法;設(shè)計和實現(xiàn)了GNSS信號質(zhì)量伺服天線跟蹤監(jiān)測系統(tǒng);改進了快速隨機抽樣一致完好性監(jiān)測方法;在GNSS完

4、好性監(jiān)測性能增強技術(shù)研究方面著重分析了終端用戶接收機在有其他冗余信息可進行差分時的 GNSS完好性監(jiān)測方法及輔助性能增強技術(shù);同時也開展了GNSS姿態(tài)測量領(lǐng)域的完好性監(jiān)測研究。本文通過GNSS仿真和實際完好性監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了上述研究結(jié)果,可以為GNSS完好性監(jiān)測和性能增強提供參考,具有重要的理論意義和工程實用價值。這種層次分析方法和結(jié)論對其他衛(wèi)星系統(tǒng)(如通信、遙感、氣象、資源、偵察)的各種服務(wù)性能監(jiān)測和增強也有一定借鑒價值。
　　本

5、文主體結(jié)構(gòu)可分為“GNSS完好性基本理論”、“GNSS完好性監(jiān)測體系”和“GNSS完好性輔助性能增強”三個主題。本文4個主要創(chuàng)新點簡述如下:
　　(1)全面分析了GNSS完好性問題的產(chǎn)生機理和內(nèi)涵及外延,按施行完好性監(jiān)測的主體所在位置和特性,依據(jù)對應(yīng)的分析方法理論分層次提出了三級GNSS完好性監(jiān)測的完整理論體系,并構(gòu)建了GNSS完好性監(jiān)測綜合評估系統(tǒng)架構(gòu),可以為GNSS完好性監(jiān)測的研究和實施提供參考,這種層次分析方法和結(jié)論對其他衛(wèi)

6、星系統(tǒng)的各種服務(wù)性能監(jiān)測和增強也有一定的借鑒價值。
　　(2)構(gòu)造完好性最小可用性(MAI)和最小檢測效果黑洞比(MDEHR)兩個全球系統(tǒng)級星座完好性監(jiān)測評測指標,提出了一種涉及GNSS星座狀態(tài)、觀測條件、量測噪聲和應(yīng)用需求等多種因素,基于質(zhì)量控制的GNSS星座完好性綜合評估方法,從時空兩個維度去預(yù)測和實時評估星座完好性。通過大量仿真分析了BDS、GPS、QZSS和IRNSS等單個或混合星座在包括城市峽谷等極端條件下的完好性性能,

7、得到很多量化的星座完好性評估結(jié)果。該完好性評估方法及仿真結(jié)果對導航星座配置和實際GNSS應(yīng)用中的完好性預(yù)測有參考價值。
　　(3)按照用戶接收機的射頻、基帶和量測解算三個監(jiān)測位置分別從射頻環(huán)境、基帶處理和一致性判斷詳盡分析了各個階段的終端應(yīng)用級用戶完好性監(jiān)測,在隨機抽樣一致完好性監(jiān)測(RANSAC-RAIM)的基礎(chǔ)上進行改進,提出了對衛(wèi)星子集進行基于GDOP預(yù)檢驗排除法和動態(tài)無閥值LOS矢量預(yù)檢驗篩選的快速FRANSAC-RAIM

8、方法,根據(jù)真實的民航飛行場景下仿真結(jié)果表明,改進的FRANSAC-RAIM方法不但具備檢測多差錯和小差錯的能力,而且運算效率提高了1倍以上,縮短了告警時間,對于RAIM完好性告警需求意義重大。
　　(4)改進姿態(tài)精度因子(ADOP)求解方式,提出基于ADOP選擇衛(wèi)星組的方法,分析ADOP與基線長度及衛(wèi)星仰角關(guān)系,提出GNSS姿態(tài)測量(GNSS-AD)完好性監(jiān)測中以姿態(tài)角為度量的姿態(tài)角告警限值(AAL)標準,給出將告警限值從距離域轉(zhuǎn)