BDS完好性监测和可用性评估

摘要

随着全球卫星导航系统GNSS（Global Navigation Satellite System）的迅猛发展和导航理论研究的逐步深入，导航定位基本服务性能的提升，GNSS的应用领域随之拓宽。我国自主研发的北斗卫星导航系统BDS(BeiDou Navigation Satellite System)已于2012年12月27日正式开始为亚太区域提供服务。用户希望在导航定位的同时完好性和可用性得到保障，因此为了提高BDS在未来市场上的核心竞争力，自主建立完好性监测和可用性评估标准已刻不容缓。基于此，本文展开从系统端、用户端、空间信号层的完好性监测到服务区可用性评估的研究。主要研究工作如下：
　　（1）针对BDS用户关心的完好性监测算法是否可用和最小检测能力这两个问题，本文采用亚太区域仿真格网点数据（空间因素）和亚太区域均匀分布的4个BDS跟踪站数据（时间因素），基于质量控制理论，对系统端的完好性可用性和最小可检测粗差影响进行分析。结果表明：无论是从时间还是空间因素分析，BDS在亚太区域非精密进近阶段完好性监测算法可用（除边角区域个别时段外）；从空间因素分析，平均最小可检测粗差影响为1.796m，从时间因素分析，平均最小可检测粗差影响优于6m。针对用户关心的BDS提供的位置估计的误差边界问题，本文基于用户端自主完好性监测算法中的保护水平进行评估，实验表明：亚太区域BDS与GPS提供的实时保护水平相当，均可满足非精密进近阶段完好性需求。
　　（2）对于BDS空间信号误差能否满用户需求的问题，本文从空间信号误差URE（User Range Error）和空间信号监测精度SISMA（Signal-In-Space Monitoring Accuracy）两方面进行评估。分析表明：BDS卫星空间信号误差URE平均值在5m以内，可满足实时导航用户需求。针对空间信号精度所监测导航信息是否可靠，本文利用亚太区域监测网络评估BDS空间信号监测精度SISMA，分析结果表明：经过亚太上空的BDS卫星可满足生命安全服务SOL（Safety-Of-Life Service）中关于SISMA规定，可靠度为100％（除C12为97.92%外）。
　　（3）针对BDS空间信号层卫星故障对单星可用性影响和服务层可用性是否满足用户需求的问题。本文分析BDS卫星3类故障对单星可用性的影响，结果表明：固有可靠性使所有卫星可用性均下降2.66%，轨道机动对单星可用性的影响程度比单粒子翻转（恢复时间12h、24h）影响程度小，而且三种故障的综合影响比单方面因素的故障影响大。本文在综合考虑精度和完好性可用性基础上，运用一种加权评估可用性模型评估BDS服务可用性。分析结果表明：BDS在亚太区域可用性95%以上（除亚太边角个别区域外），可满足用户需求。在BDS的GEO卫星发生轨道机动后，会导致BDS系统亚太服务区可用性不同程度的下降。

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第一章 绪论

1.1 本课题研究背景和选题意义

1.2 研究现状

1.3 研究思路和内容

第二章 GNSS完好性监测与可用性评估的基本理论

2.1 GNSS导航服务性能及逻辑关系

2.2 GNSS完好性与可用性需求

2.3 GNSS完好性算法

2.4 GNSS可用性算法

2.5 本章小结

第三章 BDS系统端和用户端完好性监测

3.1 经典RAIM算法

3.2 质量控制理论

3.3 基于质量控制的星座完好性评估

3.4 BDS星座完好性评估分析

3.5 BDS用户端自主完好性监测分析

3.6 本章小结

第四章 BDS空间信号完好性监测

4.1 BDS广播星历精度和空间信号误差的评估及方法

4.2 BDS广播星历精度和空间信号误差的评估分析

4.4 BDS空间信号监测精度SISMA计算原理与方法

4.5 BDS空间信号监测精度的SISMA分析

4.6 本章小结

第五章 BDS可用性评估

5.1 BDS空间信号层可用性评估

5.2 BDS服务层可用性评估

5.3 本章小结

结论与展望

结论

研究展望

参考文献

攻读学位期间取得成果

致谢