GNSS完好性監(jiān)測(cè)體系及輔助性能增強(qiáng)技術(shù)研究.pdf

1、隨著衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)理論研究的深入和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)的快速發(fā)展,GNSS接收機(jī)作為實(shí)時(shí)的十參數(shù)傳感器(三維位置、速度、姿態(tài)和一維時(shí)間)的導(dǎo)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(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(cuò)存在的普遍性和不確定性及信號(hào)易受遮蔽等不足,使很多用戶對(duì)GNS

2、S所提供服務(wù)的信任程度大大降低。如果沒(méi)有完好性的服務(wù)性能作保障,GNSS只能充當(dāng)輔助導(dǎo)航角色,也就是說(shuō)GNSS作為主用導(dǎo)航設(shè)備必須跨越完好性這道門檻。GNSS完好性監(jiān)測(cè)相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)成為國(guó)際國(guó)內(nèi)GNSS研究熱點(diǎn)之一。
　　本文針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外 GNSS完好性監(jiān)測(cè)和性能增強(qiáng)技術(shù)研究中存在的一些弱點(diǎn)和盲點(diǎn)問(wèn)題,依托國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題“GNSS脆弱性分析及信號(hào)傳輸環(huán)境研究”等項(xiàng)目研究?jī)?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(wèn)題的途徑和方法;從全局高度提出了三級(jí)GNSS完好性監(jiān)測(cè)的完整理論體系,構(gòu)建了GNSS完好性監(jiān)測(cè)綜合評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu),分別應(yīng)用質(zhì)量控制理論、信號(hào)分析理論和一致性檢測(cè)理論實(shí)現(xiàn)全球系統(tǒng)級(jí)星座完好性監(jiān)測(cè)、區(qū)域增強(qiáng)級(jí)信息完好性監(jiān)測(cè)和終端應(yīng)用級(jí)用戶完好性監(jiān)測(cè);提出了基于質(zhì)量控制的GNSS星座完好性綜合評(píng)估方法;設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了GNSS信號(hào)質(zhì)量伺服天線跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng);改進(jìn)了快速隨機(jī)抽樣一致完好性監(jiān)測(cè)方法;在GNSS完

4、好性監(jiān)測(cè)性能增強(qiáng)技術(shù)研究方面著重分析了終端用戶接收機(jī)在有其他冗余信息可進(jìn)行差分時(shí)的 GNSS完好性監(jiān)測(cè)方法及輔助性能增強(qiáng)技術(shù);同時(shí)也開(kāi)展了GNSS姿態(tài)測(cè)量領(lǐng)域的完好性監(jiān)測(cè)研究。本文通過(guò)GNSS仿真和實(shí)際完好性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了上述研究結(jié)果,可以為GNSS完好性監(jiān)測(cè)和性能增強(qiáng)提供參考,具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。這種層次分析方法和結(jié)論對(duì)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(cè)和增強(qiáng)也有一定借鑒價(jià)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(cè)體系”和“GNSS完好性輔助性能增強(qiáng)”三個(gè)主題。本文4個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)簡(jiǎn)述如下:
　　(1)全面分析了GNSS完好性問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理和內(nèi)涵及外延,按施行完好性監(jiān)測(cè)的主體所在位置和特性,依據(jù)對(duì)應(yīng)的分析方法理論分層次提出了三級(jí)GNSS完好性監(jiān)測(cè)的完整理論體系,并構(gòu)建了GNSS完好性監(jiān)測(cè)綜合評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu),可以為GNSS完好性監(jiān)測(cè)的研究和實(shí)施提供參考,這種層次分析方法和結(jié)論對(duì)其他衛(wèi)

6、星系統(tǒng)的各種服務(wù)性能監(jiān)測(cè)和增強(qiáng)也有一定的借鑒價(jià)值。
　　(2)構(gòu)造完好性最小可用性(MAI)和最小檢測(cè)效果黑洞比(MDEHR)兩個(gè)全球系統(tǒng)級(jí)星座完好性監(jiān)測(cè)評(píng)測(cè)指標(biāo),提出了一種涉及GNSS星座狀態(tài)、觀測(cè)條件、量測(cè)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(píng)估方法,從時(shí)空兩個(gè)維度去預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)評(píng)估星座完好性。通過(guò)大量仿真分析了BDS、GPS、QZSS和IRNSS等單個(gè)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(píng)估結(jié)果。該完好性評(píng)估方法及仿真結(jié)果對(duì)導(dǎo)航星座配置和實(shí)際GNSS應(yīng)用中的完好性預(yù)測(cè)有參考價(jià)值。
　　(3)按照用戶接收機(jī)的射頻、基帶和量測(cè)解算三個(gè)監(jiān)測(cè)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(gè)階段的終端應(yīng)用級(jí)用戶完好性監(jiān)測(cè),在隨機(jī)抽樣一致完好性監(jiān)測(cè)(RANSAC-RAIM)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),提出了對(duì)衛(wèi)星子集進(jìn)行基于GDOP預(yù)檢驗(yàn)排除法和動(dòng)態(tài)無(wú)閥值LOS矢量預(yù)檢驗(yàn)篩選的快速FRANSAC-RAIM

8、方法,根據(jù)真實(shí)的民航飛行場(chǎng)景下仿真結(jié)果表明,改進(jìn)的FRANSAC-RAIM方法不但具備檢測(cè)多差錯(cuò)和小差錯(cuò)的能力,而且運(yùn)算效率提高了1倍以上,縮短了告警時(shí)間,對(duì)于RAIM完好性告警需求意義重大。
　　(4)改進(jìn)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(zhǎng)度及衛(wèi)星仰角關(guān)系,提出GNSS姿態(tài)測(cè)量(GNSS-AD)完好性監(jiān)測(cè)中以姿態(tài)角為度量的姿態(tài)角告警限值(AAL)標(biāo)準(zhǔn),給出將告警限值從距離域轉(zhuǎn)