GNSS接收机自主完好性监测算法优化及性能分析

作     者：韩清清 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王利

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：GNSS 完好性 RAIM ARAIM LPV-200 风险概率分配 

摘      要：随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite Systems,GNSS）的建设与维护,用户可见卫星数也在不断增加,GNSS已经能够满足绝大部分普通用户的基本定位需求。但是在涉及生命安全的领域,用户不仅仅只看重导航卫星的定位精度,更加注重的是整个导航系统的安全性和可靠性。为了保证导航系统的可靠性,对其进行完好性监测是十分必要的。因此,本文介绍了接收机自主完好性监测（Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM）以及高级接收机自主完好性监测（Advanced RAIM,ARAIM）的原理,针对部分算法的不足之处进行了改进和优化,通过实测数据和仿真对算法有效性进行了评估验证,并且分析了当前GNSS ARAIM的性能。本文开展的主要工作和取得的成果如下:1、针对存在伪距粗差时,部分历元滑动开窗RAIM不可用的问题,采用Hatch滤波减小验后单位权中误差的策略来提高滑动开窗RAIM的可用性。本文提出了一种改进的Hatch滤波平滑算法,实验结果表明:改进的Hatch滤波平滑算法的精度优于传统的Hatch滤波和基于高度角的Hatch滤波,有良好的伪距修复效果,提高了卫星的使用率;并且当伪距存在20m、40m的粗差时,采用改进的Hatch滤波算法使滑动开窗RAIM不可用历元数目由25个、91个分别降为0个、17个。说明存在伪距粗差时,改进的Hatch滤波能够提高滑动开窗的RAIM的可用性。2、基础的ARAIM算法将连续性风险和完好性风险概率平均分配给所有可见卫星,导致垂直保护等级（Vertical Protection Level,VPL）较为保守,使单星座不足以满足高度在200英尺以下的垂直引导（Localizer Performance with Vertical guidance down to 200feet service,LPV-200）进近对完好性的要求。基于此,采用了一种最大值最小化方法,该方法可以合理分配完好性风险和连续性风险。实测数据的算例结果表明:最大值最小化方法与其他优化算法相比,提高LPV-200下ARAIM可用性的效果更佳。标准差平均改善率在80%左右,VPL的平均改善率在10%以上,ARAIM可用性的提升率在5%以上。仿真全球的结果表明:采用最大值最小化方法之后,GPS的ARAIM可用性大于99.5%的覆盖范围由0%增加到了17.35%;BDS的ARAIM可用性大于99.5%的覆盖范围由19.91%增加到了22.33%。3、GNSS的星座性能具有差异性,因此GNSS组合后的ARAIM需要考虑的威胁模式更为复杂,及时对GNSS ARAIM性能进行评估具有重要的现实意义。基于此,本文分析了只考虑双星故障以及考虑单星和单星座故障同时发生时,GNSS双星座、三星座以及四星座组合时的ARAIM性能,通过实测数据分析地面测站的ARAIM性能,并且进一步仿真全球的ARAIM可用性。实测和仿真结果表明:相较于双星故障,单星和单星座故障同时发生时,双星座ARAIM可用性下降幅度较大;三星座和四星座的ARAIM可用性下降幅度较小,并且赤道附近的ARAIM可用性较高。BDS作为异构星座,和其他星座的组合在顾及宽故障时,只有其他星座中包含GPS时,亚太地区的可用性才会明显高于其他地区。