论文部分内容阅读
所需导航性能（Required Navigation Performance,RNP）技术是全球卫星导航系统出现之后,国际民航组织大力推广的一种增加空域利用率的新技术。RNP程序中由于GPS等高性能导航系统的普遍应用,使得飞机可以摆脱传统飞行程序中对陆基导航设备的依赖。RNP运行下不同导航模式的导航性能有着严格规范,因此,如何保证RNP运行下综合导航性能并对实际导航性能进行有效评估是RNP技术中的关键问题。全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）作为为飞机提供高精度广域绝对位置的主要导航系统,保证卫星导航系统定位服务的可靠性和精度就极其重要。随着我国对北斗导航系统（BeiDou Navigation Satellite System,BDS）的大力投入,北斗导航系统已经建设成为可以提供全球范围内定位、测速和授时服务的星基导航系统,使得我国全球范围内的军、民导航不再受制于人。在亚太范围内,由于北斗导航系统星座构型的设计和其他技术的提升,使得民用信号的定位精度部分地区优于GPS（Global Positioning System,GPS,美国卫星导航系统）。本文对大型客机RNP运行下卫星导航系统需求的分析基础上,主要研究了引入北斗导航系统之后卫星伪距多星故障检测、双系统精度性能提升算法。研究的主要目的是为了提高双星座导航系统的完好性和精度,最终达到保障RNP运行下机载GNSS系统的告警与定位性能效果。一方面,多个系统加入时随着可用卫星数目的增加,多星故障的风险也相应增加。奇偶矢量法是航空无线电技术委员会（Radio Technical Commission for Aeronautics,RTCA）推荐的经典接收机完好性监测（Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM）算法。本文在奇偶矢量法的研究基础上,针对传统奇偶矢量法无法有效检测卫星伪距观测值多星故障的情况,提出了一种改进的解耦奇偶矢量法。该方法通过对传统奇偶矢量进行故障解耦,降低了故障之间的相互影响,提高了多星故障检测的效果。仿真结果表明,该算法对传统奇偶矢量法有明显改进,可以有效检测三个及以上故障。考虑到机载环境下惯导可以提供短期高精度位置,在惯导位置误差均值为3σ的位置辅助的情况下,改进的解耦奇偶矢量法对含6个故障的观测值进行检测时,在15σm故障（σ为伪距随机误差大小）的情况下检测率为99.79%相比传统奇偶矢量法72.94%,提高了26.85%。另一方面,考虑到北斗导航系统的加入,提出了一种基于混合星座验后伪距误差的定位算法,在GPS与BDS性能一致的情况下,通过星层面的混合解算得到更优精度的位置结果。更进一步,对于存在某个系统观测质量较差,性能明显不同于另一个系统的情况,提出了一种基于定位性能评估的混合星座优选算法。通过精度性能评估与优选,一方面,可以在两个系统精度无法明显区别的模糊边界,通过本文提出的混合星座验后算法对系统的定位精度进行提升。另一方面在性能差异大的情况下,可以进行自动优选,隔离精度较差的系统,保持较优系统的性能。例如,GPS（5m）与BDS（2m）性能不同时算法结果表明,混合星座优选算法对GPS单系统验后位置误差（估计）和真值位置误差的降低度分别为77%和79%,对BDS单系统验后位置误差（估计）和真值位置误差的降低度（精度提升度）分别为8%和7%,可以提升较小系统的精度。对传统多星座组合算法验后位置误差（估计）和真值位置误差的降低度（精度提升度）分别为25%和23%。最后,本文设计并实现了GPS/BDS双系统架构的仿真平台,用于验证前文算法,并仿真了一条实际的航路对前文研究的多星故障检测算法和多星座定位算法进行了验证。本文对大型客机RNP运行下的机载多星座卫星导航系统的完好性保障和定位算法展开了研究,研究结果可以为我国研制具有自主知识产权的大型客机导航系统提供新的思路和工程参考价值。