免费论文：多卫星导航系统机载完好性监测模型与方法研究

全球卫星导航系统（GNSS）具有全球性、全天候、精密、实时等特点，应用于民用航空可大幅提升飞行的安全性和运行效率。同时，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成为未来民用航空导航技术发展的必然趋势。然而，虽然多卫星导航系统具有可显著改善星座可见性、提高导航定位精度与稳定性等突出优点，但是不同飞行阶段对导航定位性能的要求是各异的。因此，如何充分利用多卫星导航系统的测距资源，又能满足不同飞行阶段对精度、完好性、可用性和连续性的要求，已经成为航空卫星导航领域的一个研究热点。在航空卫星导航应用中，GNSS机载完好性监测（Airborne GNSS Receiver Autonomous Integrity Monitoring，GNSS RAIM）作为一种卫星导航的机载增强技术，能够利用冗余卫星信息实时监测导航性能，迅速检测及识别导航故障并向用户发出告警，是航空用户使用卫星导航最关键、最有利的一种安全保障技术。尽管多卫星导航系统的组合使用将极大丰富测距资源，为改善RAIM性能提供条件。然而，由于各卫星导航系统自身特性不同，卫星测距资源的丰富增加了多颗卫星发生故障的概率，因此，基于单系统设计的监测技术已不再适用，需要研究多卫星导航系统的机载完好性监测模型和方法，从而推动卫星导航在精密进近阶段的应用。本文围绕多卫星导航系统中机载完好性监测的技术体系进行了深入研究，提出了卫星故障和完好性风险分配模型，设计了高精度故障检测、识别及可用性评估算法，并通过理论推导和仿真实验进行了论证。所取得的研究成果可以为无卫星导航外部增强手段的条件下，实现基于GNSS 的垂直引导飞行、拓展GNSS在精密进近阶段的应用提供技术支撑。本文的研究成果与创新点包括： 1、建立了多卫星导航系统的故障模式和完好性风险模型。传统完好性监测技术基于单一卫星系统故障模式设计，存在故障检测精度低、系统连续性差的明显不足，难以支持垂直引导进近。通过分析多卫星导航系统的星座特性、误差特性，引入伪距标称偏差和最大危险偏差，定义了卫星自身故障和误差引起定位失效两种故障模式，建立了完好性风险分配模型。通过推导及仿真验证表明，采用该模型可自适应分配不同飞行阶段的完好性风险，得到适用于多卫星导航系统的检测参数，从而改善对小故障和多故障的检测性能。2、针对影响导航性能的伪距偏差难以确定的问题，在考虑多卫星导航系统两种定位失效故障模式的基础上，建立了伪距偏差与完好性风险的关系模型，并给出了标称偏差和最大危险偏差的计算方法。通过计算由卫星自身的星钟、星历误差等固有属性决定的伪距标称偏差，给出了多系统正常工作的伪距偏差范围，以及系统临界失效状态下的最大危险偏差。理论推导了两种关键偏差与定位失效的关系并进行了仿真验证，结果表明：标称偏差越大则完好性风险越大，双故障的漏检风险比单故障高两个数量级。3、针对多卫星导航系统中测距信息特性各异的特点，提出了基于伪距统计参量的故障检测和识别算法，解决了现有算法在多星座下故障检测效率低的问题。通过构造基于组合观测模型对误差敏感的奇偶空间向量，设计检测统计量和判断准则，提出了约束广义似然比CGLR故障检测算法。该算法可实时检测并识别多个故障，无需进行定位域转换，提高了检测效率。同时，通过引入标称偏差和最大危险偏差构造投影加权矩阵，在最小二乘LSR检测算法的基础上，提出了可有效检测小故障的BW-LSR算法。对比实验表明：CGLR和BW-LSR算法检测单故障的精度和正确率明显提高，且CGLR能够有效检测并识别双故障。4、提出了多卫星导航系统下的RAIM可用性评估算法，降低了传统可用性评估算法的保守性。研究了完好性监测性能受星座几何特性影响的机理，基于CGLR和BW-LSR故障检测算法，提出了定位域内保护级的计算方法。通过将保护级与告警限比较，可快速、直观的判断系统的可用性。仿真验证并分析了多星座条件下RAIM在NPA、APV及LPV200阶段的可用性，结果表明：两种算法均能有效的减小水平和垂直保护级，单故障发生时可实现APVI及LPV200阶段的导航，双故障发生时也可部分达到APVI的性能需求。本文所研究的机载完好性监测模型与方法可作为未来GNSS接收机内嵌的监测算法，或者为机载GNSS完好性监测设备的后处理体系设计提供参考。研究成果尤其适用于无法建设地基增强系统，以及星基增强系统无法覆盖的区域，利用GNSS的机载监测技术实现高性能导航，对改善地形复杂地区的航空安全性和飞行效率有重要意义。

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