GNSS广域差分改正数估计方法研究

随着我国北斗三号基本系统的正式运行,基于地面监测站的广域差分增强系统成为进一步提升卫星导航定位精度的手段之一。在码噪声多径误差修正(CNMC)的基础上,使用等效钟差方法实现GNSS卫星轨道与钟差误差的解耦,并依据卫星轨道运动的动力学特性,引入希尔差分方程描述卫星轨道误差变化,实现对轨道误差的实时卡尔曼滤波估计。基于GPS实测数据,对改正前后的用户等效测距误差(UERE)和定位精度进行了对比研究。实验结果表明,采用该方法,UERE标准差由改正前的0.456 m减小至0.227 m,降幅达到50.22%;整体水平定位误差(95%置信区间)由0.981 m减小至0.782 m,垂直定位误差(95%置信区间)由1.991 m减小至1.131 m,分别提升了20.29%和43.19%,差分改正效果明显。     

卫星导航的差分和增强应用

一、卫星导航的性能及其增强卫星导航的性能的主要参数有如下四个,即定位时的精度、完好性、可用性和连续服务性。定位精度——目前对平面导航来说,主要指水平定位误差(总系统误差的95％概率值)。GPS 的水平定位误差在100米以内,可以符合航路、终端导航和非精密进近的要求,但不能满足精密进近的要求。完好性——指卫星信号故障或引起误差的事件能及     

基于参考站误差估计的GNSS区域增强技术

研究了应用于民航航路、铁路、内河水运等领域的分布式卫星导航区域增强系统的定位方法,分析了参考站误差、单参考站电离层和对流层误差,提出了一种基于参考站误差估计的多站差分GNSS区域增强技术。仿真结果表明,该方法可减小参考站误差对多站差分的影响,解决现有技术中单差分系统用户与地面站的距离增加定位误差增大的问题,并增加了定位精度,同时提高了系统的可靠性和覆盖效率。     

无人机GNSS/IMU组合导航系统完好性监测方法

针对民用无人机组合导航系统中,全球导航卫星系统（GNSS）和惯性测量单元（IMU）均存在故障风险的情况,提出一种兼顾GNSS和IMU故障风险的组合导航系统完好性监测方法。该方法根据故障检测结果建立完好性风险模型,设计完好性风险需求分配方案并建立各故障模式的保护级反演模型,利用滤波新息表达过去历元故障偏差对定位误差的影响,解决故障起始历元和故障偏差取值未知的前提下保护级反演难题。典型无人机低空飞行作业场景下的仿真结果表明：该方法设计的保护级反演模型计算所得保护级可跟踪定位误差的变化趋势,对定位误差形成包络,从而保障组合导航系统的完好性。     

高轨导航接收机的时钟辅助定位算法

针对高轨卫星导航接收机接收信号弱、可用卫星少及定位精度差的问题,提出利用恒温晶振的频率稳定性抑制观测噪声,进一步改善定位精度的时钟辅助定位算法。通过区分星历星钟误差和用户测距误差在本算法中的不同传递路径,在理论上给出了算法的定位精度与星座几何构形之间的关系,并指出本算法在高轨场景下具有显著的精度优势,在低轨和地面场景下没有精度优势。仿真试验证实了算法的有效性,在典型的高轨场景下,本算法的单点定位误差仅是标准算法的1/10。     

GNSS双频导航信号用户完好性监测机制研究

用户完好性监测指标通常被用于衡量导航信息的可信度,针对单个卫星导航系统用户完好性监测指标过高、可用性较差的问题,提出一种全球导航卫星系统(GNSS)多系统双频信号联合完好性监测机制,该监测机制使用一定完好性风险分配值下的保护门限作为联合观测下的监测指标;另外,为了确保各种监测假设下的用户完好性,分别讨论了无故障及一颗卫星故障假设下的伪距观测误差获取、保护门限计算以及完好性风险指标分配等问题。仿真结果表明该用户监测机制可有效降低保护门限、提高可用性,在用于I类精密进近时全球大部分区域用户的可用性水平大于95%。     

基于气压高度辅助的机载自主完好性监测算法

卫星接收机自主完好性监测是指根据用户接收机的多余观测值监测用户定位结果的完好性,其目的是在导航过程中检测出发生故障的卫星,并保障导航定位精度。针对卫星接收机自主完好性监测算法可用性不足的问题,结合机载实际导航系统配置,提出了一种基于气压高度表辅助的机载自主完好性监测算法。综合利用卫星导航系统及气压高度表观测信息,建立联合系统的观测模型,推导了基于多解分离的完好性监测及保护级别计算方法。仿真结果表明,相比于传统的接收机自主完好性监测算法,该算法在可见星为5颗时仍能识别故障卫星。该算法具有更好的故障检测能力及可用性,能有效提高卫星导航系统的完好性监测性能,从而保证卫星导航系统的精度和可靠性。     

Galileo系统完好性处理的方法研究

对于卫星导航系统而言,系统所能提供的完好性指标和导航定位精度是同样重要的。欧洲的Galileo系统将在2008年建成,届时它将与美国的GPS系统相互补充。本文在对GMileo系统导航定位指标分析的基础上,结合系统完好性监测的设计特点,推导了系统地面完好性信道(GIC)监测算法和用户自主完好性(RAIM)监测算法,建立了数据完好性播发体制。     

空间信号完好性监测技术研究

星基增强导航系统(SBAS)通过向用户提供用户差分距离误差(UDRE:User Differential RangeError),来保证广播星历和星钟改正数的精度。本文设计了UDRE的一种改进算法,建立卫星导航系统星钟和星历误差的状态方程和量测方程,进行卡尔曼滤波计算星历与星钟误差改正数与改正精度,通过滤波误差估计精度矩阵计算UDRE,并做了相应的仿真分析和比较,结果表明:改进算法能够对UDRE做出更好的估计来满足星历及钟差改正误差相对应的伪距误差的置信限值。     

基于民航校验飞机的星基增强服务性能评估CSCD

为了进一步拓展全球卫星导航系统(GNSS)在民用航空等高生命安全领域的应用,世界各国争相发展星基增强系统(SBAS),美欧等SBAS已正式向民用航空领域提供了决断高度200英尺(约60.96m)的垂直导航信标性能(LPV-200)服务。我国的BDSBAS也已经完成系统建设,将向中国及周边区域提供满足国际民航组织(ICAO)一类垂直引导进近(APV-I)指标要求的单频增强服务。重点针对单频增强服务性能评估开展研究工作,首先从定位精度、完好性、可用性和连续性四个方面对星基增强服务评估方法进行了论述;再通过多次航空飞行试验对BDSBAS单频增强服务性能进行了验证,结果表明,航空飞行试验期间可满足APV-I设计指标要求;最后对BDSBAS单频增强服务在全国301个中大型机场的可用性进行了分析,非精密进近(NPA)可用性、APV-I可用性、LPV-200可用性在全国机场的覆盖率分别达到了97%、89.7%和83.1%。     

天象一号低轨导航增强系统研究与在轨试验验证

如何实现GNSS全球瞬时高精度服务一直是GNSS领域的迫切需求和研究热点.采用低轨导航增强技术体制,利用低轨卫星运动几何变化快的特点,解决GNSS精密单点定位快速收敛问题和性能提升问题,是GNSS高精度定位服务未来发展的重要方向.从全球瞬时高精度服务内涵出发,阐述了天象一号低轨导航增强试验系统的技术体制,包括系统工作模...     

QZSS亚米级增强服务和MSAS增强定位性能评估

日本QZSS亚米级增强服务(SLAS)和多功能卫星增强系统(MSAS)均用于增强单点定位性能，但其服务范围和服务原理不尽相同。为了对这两种增强服务进行增强性能评估，以伪距单点定位结果为基础，比较在日本境内和中国及周边地区使用这两种增强服务增强后的定位结果，分析和评估不同地区两种增强服务的增强性能和适用性。结果表明：在日本境内，SLAS和MSAS均能显著实现定位增强效果，SLAS在水平和高程方向定位精度分别为0.55m和0.9m，提升约51.8%和73.8%；相应地，MSAS定位精度分别为0.69m和0.97m，提升约39.8%和71.8%；表明前者增强效果更好。在中国及周边地区，MSAS增强定位效果更好，但要求离中心服务区越近越好；SLAS也能增强定位效果，但提升效果较小，且当测站离中心服务区超过一定距离时，会出现定位精度负提升的情况。     

Sigma-mean monitoring for the local area augmentation of GPS

The local area augmentation system (LAAS) is a ground-based differential GPS system being developed to support aircraft precision approach and landing navigation with guaranteed integrity. To quantitatively appraise navigation integrity, an aircraft computes vertical and lateral protection levels using the standard deviation of pseudo-range correction errors, /spl sigma//sub pr/spl I.bar/gnd/, broadcast by the LAAS ground facility (LGF). Thus, one significant integrity risk is that the true standard deviation (sigma) of the pseudo-range correction error distribution may grow to exceed the broadcast correction error sigma or that the true mean of the correction error distribution becomes excessive during LAAS operation. This event may occur due to unexpected anomalies of GPS measurements. To insure that the true error distribution is bounded by a zero-mean Gaussian distribution with the broadcast sigma value, real-time sigma and mean monitoring is necessary. Both direct estimation and cumulative sum (CUSUM) methods are useful to detect violations with acceptable residual integrity risk. For sigma monitoring, the estimation method more rapidly detects small violations of /spl sigma//sub pr/spl I.bar/gnd/ but the fast initial response (FIR) CUSUM variant more promptly detects significant violations that would pose a larger threat to user integrity. For the purposes of mean monitoring, the FIR CUSUM variant is superior to the estimation method in detecting any mean violations. The results demonstrate that real-time protection is achievable against all sizes of sigma/mean failures that can threaten navigation integrity.     

Formulation of a time-varying maximum allowable error for ground-based augmentation systems

Ground-based augmentation systems (GBAS), such as the federal aviation administration's local area augmentation system (LAAS), protect GPS users against signal anomalies by monitoring for rare satellite faults. This paper introduces a new, time-varying MERR (maximum-allowable error in range) formulation that enables proof of integrity for ground-based fault monitoring. The time-varying MERR supersedes earlier MERR methods which relied on a static integrity test. The utility of these earlier methods was limited in that they neglected GBAS time-to-alert (TTA) requirements and restricted the choice of the monitor filter, requiring its impulse response to match that of the user ranging-error filter. By contrast, the time-varying MERR explicitly incorporates TTA and places no restrictions on monitor filter design. These attributes are critical for correctly evaluating system integrity and for crediting the integrity benefits of GBAS systems with aggressive filter designs and process timing.     

低轨导航星座增强BDS精密单点定位技术验证CSCD

首先介绍了低轨增强北斗精密单点定位(PPP)的观测模型、参数估计与数据处理策略。然后对低轨导航增强仿真验证系统及误差仿真配置进行了说明,基于验证系统仿真了全球20个监测站的北斗及低轨导航数据,并通过单北斗及低轨增强北斗静态PPP试验,给出了低轨增强北斗的高精度定位测试评估结果。结果表明,加入150颗低轨卫星观测量后,20个测站PPP精度收敛到10cm之内只需约1min;低轨增强北斗实现静态收敛后,定位精度东方向均值为1.5cm,北方向均值为0.3cm,高程方向均值为2.2cm。相较于北斗单独精密定位,20个监测站收敛后组合定位精度从5cm左右提升到3cm左右。加入低轨卫星可大大加快PPP收敛速度,提升定位精度,验证了低轨卫星在增强PPP精度和收敛速度上的优越性,同时仿真验证系统可支持全链路闭环仿真验证。     

Position Error Bound Calculation for GNSS using Measurement Residuals

In safety-of-life applications of satellite navigation, the protection level (PL) equation translates what is known about the pseudo-range errors into a reliable limit on the positioning error. The current PL equations for satellite-based augmentation systems (SBAS) rely on Gaussian statistics. This approach is very practical: the calculations are simple and the receiver computation load is small. However, when the true distributions are far from Gaussian, such a characterization forces an inflation of the PLs that degrades performance. This happens in particular with errors with heavy tail distributions or for which there is not enough data to evaluate the distribution density up to small quantiles. We present a way of computing the optimal protection level when the pseudo-range errors are characterized by a mixture of Gaussian modes. First, we show that this error characterization adds a new flexibility and helps account for heavy tails without losing the benefit of tight core distributions. Then, we state the positioning problem using a Bayesian approach. Finally, we apply this method to PL calculations for the wide area augmentation system (WAAS) using real data from WAAS receivers. The results are very promising: vertical PLs are reduced by 50% without degrading integrity.