多模卫星导航系统的选星和RAIM技术研究

admin · 发表于昨天 23:25

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随着GPS、Galileo和GLONASS等卫星导航系统的发展，综合使用多个卫星导航系统的测距信号是未来民用导航发展的必然趋势。虽然多星座多频率化具有可显著提高导航定位精度、稳定性和完好性的突出优点，但不同用户对导航定位的性能要求各异。因此，如何充分利用多模卫星导航系统的测距资源，又能满足不同用户对精度、完好性、可用性和实时性的要求，已经成为卫星导航研究领域的一个热点。在卫星导航系统应用的技术中，选星是一种重要的解决接收通道数有限或者实时处理能力有限的用户获得实时定位数据的题目的处理逻辑。如果有卫星发生故障，定位精度将受到严重影响，接收机自主完好性监测（RAIM）可迅速检测并排除故障卫星，保证定位的完好性。选星和RAIM都是充分利用多模卫星导航系统测距资源的关键技术。本文主要针对多模卫星导航系统的选星和RAIM技术进行了深入研究，提出了相应的模型、算法和论证，为有效利用多模卫星导航系统的测距资源提供了技术支撑。本文的研究成果与创新点包括：（1）理论证明了二维和没有仰角限制的三维条件下的几何精度因子（GDOP）的限值、最值及其对应的卫星分布规律；通过计算机穷举归纳出了三维条件下仰角门限为5度（大多数陆基用户的情况）时的GDOP的最小值及其对应的卫星分布规律。所得结论既可说明多模卫星导航系统为定位精度带来的改善，又可作为选星算法的设计依据。（2）提出了一种适用于多模卫星导航系统的可实时应用的选星算法。传统选星算法大多依据GDOP与用户到四颗卫星的单位矢量末端所组成的四面体体积成反比的理论而设计，通过归纳法证明卫星数目多于四颗时此理论不成立；然后基于提出的GDOP取最小值时的卫星分布规律，提出了一种可见卫星数目较多时快速选择任意数目卫星的选星算法，基本思想是选择一组与GDOP最小值对应的分布——最佳分布最相似的一组卫星。计算机仿真表明算法耗时明显低于传统的最佳选星算法，与同类实时算法相当；而增加的GDOP值明显小于同类实时算法。（3）提出了一种可实时高效检测和识别双星故障的RAIM算法。分析卫星分布的几何结构对故障检测性能的影响得出检测率高时的卫星分布规律，结合传统的最小二乘残差故障检测算法和最大似然估计单故障识别算法，提出了检测和识别双故障、并且可实时应用的RAIM算法。算法通过两次对可见卫星分组提高故障检测效率和速度，通过伪距比较实现快速准确识别。与两种典型算法的仿真比较表明，该算法的故障检测率和识别率都比较高，并且可实时应用。（4）提出了一种双故障RAIM可用性预测算法，并在首都机场和中国区域的非精密进近（NPA）和带垂直引导的精密进近（APV）阶段的RAIM可用性预测中得到成功应用。将单故障RAIM可用性预测算法中的定位误差和检测统计量的斜率关系推广到双故障的情况，给出了双故障条件下的水平保护级和垂直保护级的计算方法。预测结果表明，GPS和Galileo组合使用可为中国区域航路到NPA阶段提供100%的RAIM可用性，只能为部分区域提供100%的APV I的可用性。

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