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Integrity analysis of COMPASS and other GNSS combined navigation

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Science China Earth Sciences 2013年第10期56卷 1616-1622页

作者： XU JunYi YANG YuanXi LI JinLong HE HaiBo GUO HaiRong Institute of Surveying and Mapping Information Engineering University Xi'an Information Division of Surveying & Mapping State Key Laboratory of Geo-Information Engineering Xi'an Institute of Surveying and Mapping Beijing Satellite Navigation Center

The integrity requirement should be satisfied when GNSS is used in aviation.There are now two ways for integrity monitoring,that is,receiver autonomous integrity monitoring(raim) and GNSS integrity channel(GIC) based on augmentation system.The rapid development of the Beidou satellite navigation system(COMPASS) will significantly improve the satellite geometry.Besides,the effects of first order ionosphere delay will be mitigated by the combination of GNSS multi-frequency signals.The availability of raim will be enhanced,which makes it possible to provide a worldwide seamless integrity service for aviation by using raim.The contribution of COMPASS to the availability of raim is analyzed by simulation;and the integrity requirement of which aviation approaching phrase can be satisfied when using COMPASS single system and its combination with other satellite navigation system is analyzed.Moreover,the influence of user range accuracy(URA) of COMPASS on integrity performance is discussed.

关键词：完整性分析 GNSS 指南针全球导航卫星系统组合导航北斗卫星导航系统 COMPASS raim

GNSS机载增强系统接收机自主完好性监测算法改进研究

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GNSS机载增强系统接收机自主完好性监测算法改进研究

作者：陈冬宽中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

近年来,随着全球卫星导航系统在各个领域内的广泛应用和发展,GNSS系统高精度和全球性的优势为其带来了巨大的军用和民用前景。由于在民用航空领域,对卫星导航定位的精度与完好性有着更高要求,所以对卫星导航定位的精度和完好性研究具有... 详细信息

近年来,随着全球卫星导航系统在各个领域内的广泛应用和发展,GNSS系统高精度和全球性的优势为其带来了巨大的军用和民用前景。由于在民用航空领域,对卫星导航定位的精度与完好性有着更高要求,所以对卫星导航定位的精度和完好性研究具有重要的价值。而GNSS作为用户的唯一导航方式时,则需要提升系统的可靠性来保障所需的导航性能要求。因此本文针对完好性中的机载增强用户端接收机自主完好性监测技术进行了改进研究与验证分析,文章内容如下:(1)首先介绍了卫星导航定位机载接收机自主完好性监测技术(raim)的研究背景和raim算法的国内外优化研究现状,对卫星导航伪距定位原理、卫星导航定位的误差来源与修正理论进行了简单说明。接着研究了机载增强接收机自主完好性算法,给出了算法性能评估的指标与四个精度参数。并且介绍了传统基于最小二乘残差的raim算法、基于奇偶矢量的raim算法与Araim算法,从理论上分析了这些算法存在的优缺点,引出了改进的目标:加权最小二乘raim算法。(2)仿真分析了影响最小二乘raim算法的因素。验证了可见星与截止高度角因素对于raim算法水平保护级的影响。研究了卫星高度角对应的卫星的特征斜率因素,通过仿真探究了卫星的特征斜率因素对定位的影响,说明了卫星的特征斜率因素参与最小二乘raim算法加权改进的合理性。(3)通过实验对比了最小二乘raim算法加权方式的改进前后的故障检测情况。在卫星高度角因素参与加权改进后,构建了新的检验统计量。对比了600历元内改进前后算法的故障检测情况,初步证明了改进算法优于传统算法。(4)使用了故障检测率与可用性参数对改进前后算法的性能分别进行了对比验证,仿真结果说明改进算法相比常规算法提升了raim算法性能。本文对机载增强系统接收机自主完好性监测算法进行了改进研究,针对现有最小二乘raim算法的不足之处,通过引入卫星高度角作为考虑因素,提出了改进的加权最小二乘raim算法,并通过实测数据对算法改进前后的故障检测效果、故障检测率及可用性水平保护级的性能进行了仿真对比,得出新算法的性能提升效果较为明显。

关键词： GNSS raim 卫星故障完好性监测卫星高度角

GNSS接收机自主完好性监测算法性能评估及优化研究

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GNSS接收机自主完好性监测算法性能评估及优化研究

作者：李一长安大学

学位级别：硕士

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)作为国民经济和国防建设的基础设施,其导航、定位、授时服务已在军事、民用、工业、商业和科学研究等领域得到广泛应用,也日益深刻影响到人们日常生活的方方面面,使得人们对... 详细信息

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)作为国民经济和国防建设的基础设施,其导航、定位、授时服务已在军事、民用、工业、商业和科学研究等领域得到广泛应用,也日益深刻影响到人们日常生活的方方面面,使得人们对精准可靠时空信息的需求愈加强烈。但是,由于GNSS固有的脆弱性、差错存在的普遍性、不确定及信号易受遮蔽等不足,GNSS导航定位终端在工作过程中不可避免地会出现各种信号异常或故障,导致系统的完好性被破坏,严重威胁到人员生命和重要财产的安全,特别是在民用航空领域,GNSS完好性监测有着比精度更加重要的意义和研究价值。基于此,本文围绕GNSS终端完好性监测技术开展研究工作,主要内容包括接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,raim)算法和高级接收机自主完好性监测(Advanced raim,Araim)算法,评估raim和Araim算法的性能,并对其不足之处进行优化。本文开展的主要工作和取得的成果如下:1.针对最小二乘raim算法存在保护级计算保守和小故障检测效果不敏感等问题,本文提出一种顾及卫星特征斜率的raim优化算法,该算法根据卫星几何结构从GNSS冗余观测信息中提取卫星特征斜率以优化故障检验统计量,并分析卫星特征斜率对定位解的影响,最后基于实测和仿真数据验证优化算法的可靠性。结果表明:顾及卫星特征斜率的raim优化算法显著提升小故障的准确检测能力,即改进算法可较好规避高漏警风险(Missed Detection Risk,MDR)卫星在故障检测中的不敏感问题;同时,改进算法所计算的保护级可紧致包络位置误差,其全球范围内的水平保护级(Horizontal Protection Level,HPL)小于50 m,垂直保护级(Vertical Protection Level,VPL)小于60 m,能较好地满足终端用户的高可靠需求。2.针对多元假设解分离(Multiple Hypothesis Solution Separation,MHSS)Araim算法对粗差检测效果不理想导致卫星利用率低的问题,本文提出一种联合观测域的MHSS Araim算法,该算法基于卡方检验重新构建故障检验统计量,并结合MHSS Araim算法对故障卫星进行检测。此外,本文设计突变、阶跃和斜坡三种典型故障,以验证改进MHSS Araim算法对故障的检测效果。实验结果表明:改进MHSS Araim算法可准确识别单/多个故障,且VPL较好地包络垂直定位误差(Vertical Position Error,VPE),避免可用性浪费的问题;改进MHSS Araim算法对三种典型故障检测效果良好,为终端导航用户导航定位服务提供保障。3.鉴于低轨卫星(Low Earth Orbit,LEO)蓬勃发展为GNSS接收机自主完好性监测研究带来新的机遇,然而不同低轨星座增强下的Araim性能可能会存在显著差异。基于此,本文模拟三种典型低轨星座:高轨道倾角(80颗)、中轨道倾角(120颗)和混合轨道倾角(168颗),并借助MGEX实测数据和全球仿真来系统评估不同低轨星座增强BDS-3 Araim算法在LPV-200阶段(Localizer Precision Vertical approach down to 200feet,LPV-200)的可用性。结果表明:在高纬区域,高轨道倾角星座增强下BDS-3 Araim的可用性效果提升最为明显。在中纬和低纬地区,中轨道倾角星座增强下BDS-3 Araim的可用性效果改善最为显著。在全球范围内,混合轨道倾角、高轨道倾角和中轨道倾角星座增强下BDS-3 Araim的可用性大于90%覆盖率相较BDS-3分别提升48.2%、25.7%和32.0%。综上,不同类型的低轨星座增强下BDS-3 Araim可用性改善效果存在明显差异,其中,混合轨道倾角的低轨星座对应全球BDS-3 Araim可用性改善效果最好。

关键词： raim Araim BDS-3 可用性故障检测保护级卫星特征斜率低轨星座增强

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时钟改进模型辅助raim算法研究

电子学报 2007年第6期35卷 1084-1088页

作者：王永超黄智刚北京航空航天大学电子信息工程学院无线电导航教研室北京100083

提出采用“滑动窗”方式建立参数实时更新的接收机钟差改进模型,把基于该模型的钟差预测值引入到卫星导航中辅助进行自主完好性监测(raim).文中给出了相关流程图,并提出新的预测误差计算方法.基于GPS实测数据的验证分析表明,这种方法不... 详细信息

提出采用“滑动窗”方式建立参数实时更新的接收机钟差改进模型,把基于该模型的钟差预测值引入到卫星导航中辅助进行自主完好性监测(raim).文中给出了相关流程图,并提出新的预测误差计算方法.基于GPS实测数据的验证分析表明,这种方法不仅可以提高raim算法的可用性,而且可以提高故障检测和识别效率,可检测的最小故障偏差从50米降到40米,可完全检测和识别的最小故障偏差从70米降到60米,并且系统的其它性能指标也有明显改善.

关键词：完好性 raim 钟差模型滑动窗

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卫星多故障探测和识别的独立分量分析法

测绘学报 2017年第6期46卷 698-705页

作者：张倩倩归庆明宫轶松中国天绘中心北京102102 信息工程大学理学院河南郑州450001

鉴于独立分量对异常值具有较强的敏感性,提出了基于独立分量分析(ICA)的伪距多变量时间序列异常值探测算法,并且利用契比雪夫不等式给出了异常值探测的阈值,引入时间序列干预模型估计了潜在故障扰动的大小,根据3σ准则确定出故障星的位... 详细信息

鉴于独立分量对异常值具有较强的敏感性,提出了基于独立分量分析(ICA)的伪距多变量时间序列异常值探测算法,并且利用契比雪夫不等式给出了异常值探测的阈值,引入时间序列干预模型估计了潜在故障扰动的大小,根据3σ准则确定出故障星的位置。根据raim的实时性要求,采用滑动窗口的思想对上述批处理探测算法进行改造,本文提出了一种卫星多故障在线探测和识别的新算法,并给出了新raim算法的实施流程。利用5个iGMAS北斗监测站的民用观测数据对新算法进行验证,试验分析结果表明,新算法对于卫星多故障的实时处理具有较好的效果,且其故障正确探测率优于以往的RANCO方法。

关键词：卫星多故障 raim 故障探测独立分量分析时间序列

基于超短基线的双频整周模糊度单历元取整固定算法

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北京理工大学学报 2017年第5期37卷 521-525页

作者：刘硕张磊李健龙腾北京理工大学信息与电子学院北京100081 北京理工大学卫星导航电子信息技术教育部重点实验室北京100081

针对使用伪距取整固定宽巷整周模糊度效率高,但是宽巷一周取整错误发生频繁,伪距误差较大时还会出现大于一周的取整错误的问题,设计了一种可以弥补宽巷取整错误的整周模糊度固定算法.通过宽巷分离出的L_1浮点解小数探测和修复宽巷一周... 详细信息

针对使用伪距取整固定宽巷整周模糊度效率高,但是宽巷一周取整错误发生频繁,伪距误差较大时还会出现大于一周的取整错误的问题,设计了一种可以弥补宽巷取整错误的整周模糊度固定算法.通过宽巷分离出的L_1浮点解小数探测和修复宽巷一周取整错误,使用raim算法排除大于一周的宽巷取整错误,最后使用正确的整周模糊度固定全部整周模糊度,完成高精度定位.使用实际GPS超短基线数据比较该算法与单历元LAMBDA算法的性能.该算法提高了直接使用伪距取整宽巷整周模糊度的固定率.相比单历元LAMBDA算法,本文算法的固定率稍低,但计算效率有明显提升.

关键词：整周模糊度超短基线几何一致性宽巷 raim

Integrity Monitoring in Navigation Systems: Fault Detection and Exclusion raim Algorithm Implementation

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Journal of Computer and Communications 2015年第6期3卷 25-33页

作者： Alban Rakipi Bexhet Kamo Shkelzen Cakaj Vladi Kolici Algenti Lala Ilir Shinko Faculty of Information Technology Polytechnic University of Tirana Tirana Albania

The use of GPS is becoming increasingly popular for real-time navigation systems. To ensure that satellite failures are detected and excluded at the receiver is of high importance for the integrity of the satellite navigation system. The focus of this paper is to implement a fault detection and exclusion algorithm in a software GPS receiver in order to provide timely warnings to the user when it is not advisable to use the GPS system for navigation. The GPS system currently provides some basic integrity information to users via the navigation message, but it is not timely enough for safety-critical applications. raim is a means of providing integrity with the capability of detecting when a satellite failure or a measurement error has occurred. It is the simplest and most cost effective technique for integrity monitoring. After applying the iterative fault detection and the exclusion algorithm, a significant improvement in positioning accuracy is achieved.

关键词： Algorithm GPS Integrity Monitoring raim

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单基线姿态测量的raim算法研究

计算机测量与控制 2011年第6期19卷 1311-1314页

作者：窦婧婧战兴群王博雄上海交通大学上海200240

当载体安装有GPS接收机和多个天线时,可以得到其姿态信息(航向角、俯仰角、横滚角);论述了利用载波相位姿态测量的解析法,利用了基线长固定的条件,在整周模糊度初始化时进行粗搜索,利用模糊度函数法进行判断筛选整周模糊度组合,减少了... 详细信息

当载体安装有GPS接收机和多个天线时,可以得到其姿态信息(航向角、俯仰角、横滚角);论述了利用载波相位姿态测量的解析法,利用了基线长固定的条件,在整周模糊度初始化时进行粗搜索,利用模糊度函数法进行判断筛选整周模糊度组合,减少了搜索空间;接收机自主完好性监测(raim)的概念被引入到姿态测量算法中,有效地剔除问题卫星,改善AFM算法;系统姿态测量结果达0.1标准差,故障卫星可由raim检测并剔除;结果表明raim算法能有效提高姿态测量结果可靠性。

关键词： GPS 姿态整周模糊度解析法 raim

伪卫星增强条件下的raim算法可用性及性能分析

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天文学进展 2009年第1期27卷 89-97页

作者：郭睿张健铤冯来平杨振中国科学院上海天文台解放军61081部队解放军61540部队信息工程大学测绘学院

介绍了接收机自主完好性监测算法及其可用性的基本原理,介绍了伪卫星的导航原理和关键技术,推导了伪卫星增强条件下的raim(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)算法,并给出了观测权阵的计算公式。用STK(Satellite Tool Kit)进行... 详细信息

介绍了接收机自主完好性监测算法及其可用性的基本原理,介绍了伪卫星的导航原理和关键技术,推导了伪卫星增强条件下的raim(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)算法,并给出了观测权阵的计算公式。用STK(Satellite Tool Kit)进行仿真分析,结果表明:在GPS系统下,raim可用性按照远洋、本土、终端、NPA和APV-I的顺序依次减小,单一的GPS导航无法满足APV-I以上等级的航空飞行需求;伪卫星增强后的raim可用性大幅度提高,其中在APV-I阶段raim算法100%可用;误警率、漏警率和故障识别率都有所改善;错误识别率高于漏检率,错误识别是漏警的主要原因。

关键词： raim HPL 故障检测故障识别伪卫星