GNSS接收机正直性监测方法研究

摘要

GNSS，即全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)现已广泛应用在测绘、通信、民航、军工等领域，并且它的应用领域仍在不断拓展。GNSS的两个核心性能指标是精度和正直性，精度是导航系统为接收机所提供的航迹与接收机实际航迹的误差，正直性是导航系统出现故障时能及时向用户告警的能力。随着美国的GPS、欧盟的Galileo、中国北斗系统的全面建设以及俄罗斯GLONASS现代计划的实施，卫星导航的定位精度得到了极大提高，已经可以满足绝大多数的需求。然而保证动态用户可靠性的正直性还无法满足实用需求，并且从保障用户安全的角度，正直性比精度有着更重要的意义。
　　接收机自主正直性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)，是利用接收机内部的冗余信息，直接通过接收机内部的定位算法来进行正直性监测工作的。RAIM不需要依赖于外部增强系统，对故障反应迅速并且不需要外界的干预，具有使用灵活、成本低等优点，是目前应用比较广泛的一种正直性监测方式。本文先就GNSS的正直性检测技术及其研究现状做了系统介绍，接着主要就RAIM算法展开分析和研究，论文的主要工作包括以下几个方面:
　　(1)本文对GNSS正直性检测技术的理论和方法及其研究现状较为全面地做了分析，并对RAIM算法做了详细的剖析。根据伪距观测模型的建立，针对单颗卫星故障的情形，分别对基于最小二乘残差方法和奇偶矢量方法的故障检测和故障识别进行了详细阐述，并且对正直性监测的可用性和可靠性做了分析，完整地介绍了RAIM的理论方法、功能和流程。
　　(2)本文分析了卫星发生微小伪距偏差时对定位结果的影响，指出传统的RAIM算法无法有效地进行故障检测。同时根据相邻观测历元之间的噪声具有独立性而伪距偏差之间具有相关性，提出一种基于向量相关距离的多历元累积RAIM算法，该算法通过累积历元使等效伪距偏差增大，再利用相关距离进行故障识别，可以有效地提高对微小伪距偏差故障的故障检测和故障识别性能。
　　(3)本文分析了多星座联合导航下的RAIM算法，指出多星座联合导航提高了接收机的冗余度信息并且改善了卫星的几何分布，有利于提高故障检测和故障识别性能。同时，针对不同星座下的测量噪声误差等级不尽相同，考虑了加权的方法来改善RAIM算法，并详细分析了基于奇偶矢量的加权RAIM算法。针对多星座下卫星发生故障且同时多颗卫星发生故障的几率增大问题，讨论了多故障检测的问题，并提出一种检测双星故障的RAIM算法，该算法通过构造决策变量找出最有可能发生故障的卫星组合，再通过假设检验法来检测和识别出发生故障的双星，可以有效提高双星故障的检测性能。
　　(4)本文依托GPS/BD双模接收机基带芯片定位解算软件平台，对采集的数据进行了RAIM算法的验证分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文的结构安排

第二章 GNSS系统与RAIM算法

2．1 GNSS系统

2．1．1 GNSS系统结构

2．1．2 GNSS测量误差

2．1．3 GNSS定位原理

2．2 RAIM算法

2．2．1 RAIM算法基本原理

2．2．2 基于最小二乘残差的RAIM算法

2．2．3 基于奇偶矢量的RAIM算法

2．2．4 RAIM的可用性分析

2．3 本章小结

第三章 微小伪距偏差下的RAIM算法研究

3．1 引言

3．2 基于向量相关距离的改进RAIM算法

3．2．1 微小伪距偏差的影响

3．2．2 多历元累积奇偶矢量的分析

3．2．3 基于向量相关距离的多历元累积算法

3．3 算法仿真及结果分析

3．3．1 微小伪距偏差影响的验证

3．3．2 多历元累积的故障检测效果的验证

3．3．3 基于向量相关距离的故障识别的仿真

3．4 本章小结

第四章 多星座联合导航的RAIM算法研究

4．1 引言

4．2 多模导航定位的基本原理

4．3 加权RAIM算法的研究

4．4 多卫星故障RAIM算法的研究

4．4．1 多卫星故障对RAIM算法的影响

4．4．2 双星故障的检测算法

4．5 算法仿真及结果分析

4．5．1 单模导航和多模导航的心M算法对比

4．5．2 加权RAIM算法的检测性能

4．5．3 双星RAIM故障检测算法的验证

4．6 本章小结

第五章 多模软件接收机定位实现与RAIM验证

5．1 定位模块软件设计

5．2 RAIM算法验证

5．2．1 验证方案

5．2．2 历元累积RAIM算法验证

5．2．3 双星RAIM故障检测算法验证

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 后期工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目