GNSS完好性监测体系及辅助性能增强技术研究

摘要

随着卫星导航相关理论研究的深入和全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)的快速发展,GNSS接收机作为实时的十参数传感器(三维位置、速度、姿态和一维时间)的导航服务性能(精度、可用性、完好性、连续性)得到了极大的提高,卫星导航应用领域也不断拓展,在国民经济和社会发展中发挥的作用更加明显。但由于GNSS固有脆弱性、差错存在的普遍性和不确定性及信号易受遮蔽等不足,使很多用户对GNSS所提供服务的信任程度大大降低。如果没有完好性的服务性能作保障,GNSS只能充当辅助导航角色,也就是说GNSS作为主用导航设备必须跨越完好性这道门槛。GNSS完好性监测相关领域的研究已经成为国际国内GNSS研究热点之一。
　　本文针对当前国内外 GNSS完好性监测和性能增强技术研究中存在的一些弱点和盲点问题,依托国家高技术研究发展计划(863计划)课题“GNSS脆弱性分析及信号传输环境研究”等项目研究内容,全面分析了GNSS完好性的根源和本质;深入研究了解决GNSS完好性问题的途径和方法;从全局高度提出了三级GNSS完好性监测的完整理论体系,构建了GNSS完好性监测综合评估系统架构,分别应用质量控制理论、信号分析理论和一致性检测理论实现全球系统级星座完好性监测、区域增强级信息完好性监测和终端应用级用户完好性监测;提出了基于质量控制的GNSS星座完好性综合评估方法;设计和实现了GNSS信号质量伺服天线跟踪监测系统;改进了快速随机抽样一致完好性监测方法;在GNSS完好性监测性能增强技术研究方面着重分析了终端用户接收机在有其他冗余信息可进行差分时的 GNSS完好性监测方法及辅助性能增强技术;同时也开展了GNSS姿态测量领域的完好性监测研究。本文通过GNSS仿真和实际完好性监测数据验证了上述研究结果,可以为GNSS完好性监测和性能增强提供参考,具有重要的理论意义和工程实用价值。这种层次分析方法和结论对其他卫星系统(如通信、遥感、气象、资源、侦察)的各种服务性能监测和增强也有一定借鉴价值。
　　本文主体结构可分为“GNSS完好性基本理论”、“GNSS完好性监测体系”和“GNSS完好性辅助性能增强”三个主题。本文4个主要创新点简述如下:
　　(1)全面分析了GNSS完好性问题的产生机理和内涵及外延,按施行完好性监测的主体所在位置和特性,依据对应的分析方法理论分层次提出了三级GNSS完好性监测的完整理论体系,并构建了GNSS完好性监测综合评估系统架构,可以为GNSS完好性监测的研究和实施提供参考,这种层次分析方法和结论对其他卫星系统的各种服务性能监测和增强也有一定的借鉴价值。
　　(2)构造完好性最小可用性(MAI)和最小检测效果黑洞比(MDEHR)两个全球系统级星座完好性监测评测指标,提出了一种涉及GNSS星座状态、观测条件、量测噪声和应用需求等多种因素,基于质量控制的GNSS星座完好性综合评估方法,从时空两个维度去预测和实时评估星座完好性。通过大量仿真分析了BDS、GPS、QZSS和IRNSS等单个或混合星座在包括城市峡谷等极端条件下的完好性性能,得到很多量化的星座完好性评估结果。该完好性评估方法及仿真结果对导航星座配置和实际GNSS应用中的完好性预测有参考价值。
　　(3)按照用户接收机的射频、基带和量测解算三个监测位置分别从射频环境、基带处理和一致性判断详尽分析了各个阶段的终端应用级用户完好性监测,在随机抽样一致完好性监测(RANSAC-RAIM)的基础上进行改进,提出了对卫星子集进行基于GDOP预检验排除法和动态无阀值LOS矢量预检验筛选的快速FRANSAC-RAIM方法,根据真实的民航飞行场景下仿真结果表明,改进的FRANSAC-RAIM方法不但具备检测多差错和小差错的能力,而且运算效率提高了1倍以上,缩短了告警时间,对于RAIM完好性告警需求意义重大。
　　(4)改进姿态精度因子(ADOP)求解方式,提出基于ADOP选择卫星组的方法,分析ADOP与基线长度及卫星仰角关系,提出GNSS姿态测量(GNSS-AD)完好性监测中以姿态角为度量的姿态角告警限值(AAL)标准,给出将告警限值从距离域转换到姿态角域的近似方程,从而将定位中的完好性方法引入到GNSS测姿中,实现GNSS测姿完好性监测方法。利用更多种差分辅助,提出GNSS-AD完好性监测方法,构造两类单差在相邻时间历元间的差分(Delta SD-1S2A和Delta SD-2S1A)分别辅助增强检测和排除不同误差源引起的完好性问题,最终通过综合两者优势提出差分辅助完好性监测方法,实现完好性增强目的。

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第1章 绪论

1.1 卫星导航系统现状及发展趋势

1.2 GNSS完好性监测及其研究现状

1.3 论文研究背景及主要内容

1.4 本章小结

第2章 GNSS故障及完好性监测

2.1 GNSS量测与PVTA解算

2.2 GNSS故障分析

2.3 GNSS完好性性能及统计意义

2.4 GNSS完好性需求

2.5 三级GNSS完好性监测体系

2.6 GNSS完好性监测指标

2.7 本章小结

第3章 全球系统级星座完好性监测

3.1 质量控制理论

3.2 全球系统级星座完好性监测评测指标

3.3 基于质量控制的GNSS星座完好性综合评估方法

3.4 单星座完好性评估

3.5 混合星座完好性评估

3.6 城市峡谷条件下混合星座完好性评估

3.7 本章小结

第4章 区域增强级信息完好性监测

4.1 信号分析理论

4.2 区域增强级信息完好性监测评测方案

4.3 GPTA-SQMS设计与实现

4.4 真实GNSS信号监测分析

4.5 本章小结

第5章 终端应用级用户完好性监测

5.1 终端应用级用户完好性监测展开位置及途径

5.2 终端应用级用户完好性监测分类

5.3 一致性检测理论

5.4 随机抽样一致完好性监测

5.5 快速随机抽样一致完好性监测

5.6 RANSAC完好性监测仿真验证

5.7 本章小结

第6章 差分辅助GNSS完好性监测

6.1 GNSS姿态测量的完好性研究

6.2 姿态精度因子

6.3 GNSS-AD完好性监测的姿态角告警限值

6.4 差分辅助GNSS完好性监测算法

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表论文和申请的专利

攻读博士学位期间参与的科研项目与国际交流

致谢