导航系统完好性指标分析与算法研究
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1.1 研究背景 ........................................................1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 ........................................2
1.2.1 接收机自主完好性监测.......................................2 1.2.2 地面完好性通道技术.........................................2 1.2.3 卫星自主完好性监测.........................................4 1.2.4 发展趋势...................................................4 1.3 研究内容 ........................................................5 第二章 多故障 RAIM 算法研究.............................................7 2.1 单故障 RAIM 算法 .................................................7 2.1.1 基于最小二乘残差法的故障检测和识别.........................8 2.1.2 基于奇偶空间法的故障检测和识别[6,14]..........................9 2.1.3 RAIM 算法的可用性判断 .....................................11 2.2 多故障 RAIM 算法研究 ............................................13 2.2.1 两颗卫星故障时的 RAIM 算法.................................13 2.2.2 改进的多个 RAIM 故障算法...................................15 2.3 算例分析 .......................................................17 2.4 小结 ...........................................................18 第三章 基于卫星导航系统的完好性方程构建及指标分析.....................19 3.1 完好性计算误差源与故障树模型 ...................................19 3.1.1 完好性异常来源............................................19 3.1.2 Galileo 系统级完好性假设 ..................................19 3.1.3 完好性分配的故障树模型....................................20 3.2 结合导航系统特征的完好性指标分析 ...............................22 3.2.1 异质星座下的完好性风险计算模型............................22 3.2.2 异质星座下的完好性指标分析................................23 3.3 最差用户位置 WUL 改进算法 .......................................25 3.3.1 划分危险圆方法............................................26 3.3.2 WUL 方向误差精度分析 ......................................27 3.3.3 WUL 改进算法 ..............................................28
第I 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
3.3.4 WUL 的计算结果分析 ........................................29 3.4 基于卫星完好性的监测站网络布局 .................................31
3.4.1 监测站网络的求解..........................................31 3.4.2 Powell 算法简介 ...........................................32 3.4.3 监测站网络仿真结果........................................33 3.4.4 监测网络 SISMA 值与 PDOP 值的比较 ...........................35 3.5 小结 ...........................................................36 第四章 多组合导航的完好性协同策略.....................................37 4.1 GPS 完好性概念及计算............................................37 4.1.1 GPS+SBAS 完好性信息 .......................................37 4.1.2 GPS+SBAS 完好性方程 .......................................38 4.2 Galileo 完好性概念及计算........................................39 4.2.1 Galileo 完好性概念 ........................................39 4.2.2 Galileo 完好性风险的计算 ..................................39 4.3 GPS 系统、Galileo 系统及北斗系统的完好性协同策略 ................41 4.3.1 GPS+Galileo+COMPASS 系统的完好性信息 ......................42 4.3.2 GPS+Galielo+COMPASS 系统的完好性方程 ......................42 4.3.3 组合星座下的定位精度及完好性分析..........................45 4.4 GPS+Galileo+COMPASS 的完好性协同算例分析.......................46 4.5 小结 ...........................................................49 第五章 结论与展望.....................................................50 致 谢..................................................................51 参考文献 ...............................................................52 作者在学习期间获得学习成果 .............................................55
第 III 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
图目录
图 1.1 研究内容框架............................................................................................................6 图 2.1 RAIM 算法流程 .......................................................................................................12 图 3.1 高层完好性风险的分配..........................................................................................20 图 3.2 非局部完好性分发失效模式的完好性风险分配..................................................21 图 3.3 多重 SIS 失效模式的完好性风险分配 ..................................................................22 图 3.4 WUL 计算示意图.....................................................................................................26 图 3.5 Powell 算法流程图...................................................................................................32 图 3.6 maxSISMA的变化图 ............................................................................................34 图 3.7 SISMA 值与监测站数目的关系图..........................................................................35 图 3.8 迭代过程中 PDOP 的 CV 值 ..................................................................................35 图 4.1 独立 GPS 系统的 HPL(m) ......................................................................................47 图 4.2 GPS+Galileo 协同的 HPL(m) ..................................................................................47 图 4.3 GPS+Galileo+COMPASS 协同的 HPL(m) .............................................................47 图 4.4 独立 Galileo 系统的完好性风险 ............................................................................47 图 4.5 Galileo +GPS 协同的完好性风险 ...........................................................................48 图 4.6 Galileo+ GPS+COMPASS 协同的完好性风险.......................................................48
分类号 ＵＤＣ
P228.4
学号 密级
09020010 公开
理学硕士学位论文
卫星导航系统完好性指标分析与算法研究
硕士生姓名 学科专业 研究方向 指导教师
蒋凯
系统源自文库学 装备系统分析、评估
与优化
段晓君 副教授
国防科学技术大学研究生院 二〇一一年十一月
论文书脊
卫 星 导 航 系 统 完 好 性 指 标 分 析 与 算 法 研 究
A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements
for the degree of Master of Science in Systems Science
Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China November，2011
国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院
The Analysis of Integrity Indicators on Navigation Satellite System with Algorithm
Research
Candidate：Kai Jiang Supervisor：Associate Prof. Xiaojun Duan
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
目录
摘 要..................................................................i ABSTRACT ..............................................................iii 第一章 绪论............................................................1
第 II 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
表目录
表 2.1 单颗故障卫星下不同偏差的识别率......................................................................17 表 2.2 两颗故障卫星下不同偏差的识别率......................................................................17 表 3.1 海南岛(108.5°,18.5°)的完好性风险在一个周期下的参数比例变化 ....................24 表 3.2 新疆(80.5°,41.5°)的完好性风险在一个周期下的参数比例变化 ..........................24 表 3.3 海南岛(108.5°,18.5°)的完好性风险在一个周期下的参数比例变化 ....................25 表 3.4 赤道附近产生的最大用户误差..............................................................................30 表 3.5 北极附近产生的最大用户误差..............................................................................30 表 3.6 监测站网络的坐标..................................................................................................34 表 4.1 第 4 个小时坐标点（0.5°,1.5°）在不同导航系统下的各个方向上的方差........48 表 4.2 第 8 个小时不同的坐标点在不同的组合导航系统下的 PDOP 的比较值...........48
1.2.1 接收机自主完好性监测.......................................2 1.2.2 地面完好性通道技术.........................................2 1.2.3 卫星自主完好性监测.........................................4 1.2.4 发展趋势...................................................4 1.3 研究内容 ........................................................5 第二章 多故障 RAIM 算法研究.............................................7 2.1 单故障 RAIM 算法 .................................................7 2.1.1 基于最小二乘残差法的故障检测和识别.........................8 2.1.2 基于奇偶空间法的故障检测和识别[6,14]..........................9 2.1.3 RAIM 算法的可用性判断 .....................................11 2.2 多故障 RAIM 算法研究 ............................................13 2.2.1 两颗卫星故障时的 RAIM 算法.................................13 2.2.2 改进的多个 RAIM 故障算法...................................15 2.3 算例分析 .......................................................17 2.4 小结 ...........................................................18 第三章 基于卫星导航系统的完好性方程构建及指标分析.....................19 3.1 完好性计算误差源与故障树模型 ...................................19 3.1.1 完好性异常来源............................................19 3.1.2 Galileo 系统级完好性假设 ..................................19 3.1.3 完好性分配的故障树模型....................................20 3.2 结合导航系统特征的完好性指标分析 ...............................22 3.2.1 异质星座下的完好性风险计算模型............................22 3.2.2 异质星座下的完好性指标分析................................23 3.3 最差用户位置 WUL 改进算法 .......................................25 3.3.1 划分危险圆方法............................................26 3.3.2 WUL 方向误差精度分析 ......................................27 3.3.3 WUL 改进算法 ..............................................28
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3.3.4 WUL 的计算结果分析 ........................................29 3.4 基于卫星完好性的监测站网络布局 .................................31
3.4.1 监测站网络的求解..........................................31 3.4.2 Powell 算法简介 ...........................................32 3.4.3 监测站网络仿真结果........................................33 3.4.4 监测网络 SISMA 值与 PDOP 值的比较 ...........................35 3.5 小结 ...........................................................36 第四章 多组合导航的完好性协同策略.....................................37 4.1 GPS 完好性概念及计算............................................37 4.1.1 GPS+SBAS 完好性信息 .......................................37 4.1.2 GPS+SBAS 完好性方程 .......................................38 4.2 Galileo 完好性概念及计算........................................39 4.2.1 Galileo 完好性概念 ........................................39 4.2.2 Galileo 完好性风险的计算 ..................................39 4.3 GPS 系统、Galileo 系统及北斗系统的完好性协同策略 ................41 4.3.1 GPS+Galileo+COMPASS 系统的完好性信息 ......................42 4.3.2 GPS+Galielo+COMPASS 系统的完好性方程 ......................42 4.3.3 组合星座下的定位精度及完好性分析..........................45 4.4 GPS+Galileo+COMPASS 的完好性协同算例分析.......................46 4.5 小结 ...........................................................49 第五章 结论与展望.....................................................50 致 谢..................................................................51 参考文献 ...............................................................52 作者在学习期间获得学习成果 .............................................55
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图 1.1 研究内容框架............................................................................................................6 图 2.1 RAIM 算法流程 .......................................................................................................12 图 3.1 高层完好性风险的分配..........................................................................................20 图 3.2 非局部完好性分发失效模式的完好性风险分配..................................................21 图 3.3 多重 SIS 失效模式的完好性风险分配 ..................................................................22 图 3.4 WUL 计算示意图.....................................................................................................26 图 3.5 Powell 算法流程图...................................................................................................32 图 3.6 maxSISMA的变化图 ............................................................................................34 图 3.7 SISMA 值与监测站数目的关系图..........................................................................35 图 3.8 迭代过程中 PDOP 的 CV 值 ..................................................................................35 图 4.1 独立 GPS 系统的 HPL(m) ......................................................................................47 图 4.2 GPS+Galileo 协同的 HPL(m) ..................................................................................47 图 4.3 GPS+Galileo+COMPASS 协同的 HPL(m) .............................................................47 图 4.4 独立 Galileo 系统的完好性风险 ............................................................................47 图 4.5 Galileo +GPS 协同的完好性风险 ...........................................................................48 图 4.6 Galileo+ GPS+COMPASS 协同的完好性风险.......................................................48
分类号 ＵＤＣ
P228.4
学号 密级
09020010 公开
理学硕士学位论文
卫星导航系统完好性指标分析与算法研究
硕士生姓名 学科专业 研究方向 指导教师
蒋凯
系统源自文库学 装备系统分析、评估
与优化
段晓君 副教授
国防科学技术大学研究生院 二〇一一年十一月
论文书脊
卫 星 导 航 系 统 完 好 性 指 标 分 析 与 算 法 研 究
A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements
for the degree of Master of Science in Systems Science
Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China November，2011
国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院
The Analysis of Integrity Indicators on Navigation Satellite System with Algorithm
Research
Candidate：Kai Jiang Supervisor：Associate Prof. Xiaojun Duan
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
目录
摘 要..................................................................i ABSTRACT ..............................................................iii 第一章 绪论............................................................1
第 II 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
表目录
表 2.1 单颗故障卫星下不同偏差的识别率......................................................................17 表 2.2 两颗故障卫星下不同偏差的识别率......................................................................17 表 3.1 海南岛(108.5°,18.5°)的完好性风险在一个周期下的参数比例变化 ....................24 表 3.2 新疆(80.5°,41.5°)的完好性风险在一个周期下的参数比例变化 ..........................24 表 3.3 海南岛(108.5°,18.5°)的完好性风险在一个周期下的参数比例变化 ....................25 表 3.4 赤道附近产生的最大用户误差..............................................................................30 表 3.5 北极附近产生的最大用户误差..............................................................................30 表 3.6 监测站网络的坐标..................................................................................................34 表 4.1 第 4 个小时坐标点（0.5°,1.5°）在不同导航系统下的各个方向上的方差........48 表 4.2 第 8 个小时不同的坐标点在不同的组合导航系统下的 PDOP 的比较值...........48