GPS局域增强系统的完善性监测技术研究

论文摘要

为了能够将GPS作为主要的导航手段应用到民用航空的精密进场与着陆阶段,需要进一步提高系统的定位精度、连续性、完善性和可用性等性能。20世纪90年代提出的局域增强系统,它采用载波平滑的差分定位技术,极大地提高了GPS系统的定位精度,因此引起了相关领域学者和民用航空机构的广泛关注。实践已经证明,LAAS很容易满足Ⅰ类精密进场的性能要求,但是对于Ⅱ类和Ⅲ精密进场阶段,则还需进一步完善系统的结构和功能。在飞机精密进场阶段所需的各种性能指标中,最难满足的是完善性方面的性能需求。完善性监测的主要目的是保证系统工作在正常状态,提高导航数据的可信度。常用的完善性监测手段包括LAAS地面站设备的完善性监测和接收机自主完善性检测。本文主要针对GPS局域增强系统的完善性技术进行研究,通过一些监测手段和算法的改进,以有效降低完善性监测存在的风险。论文主要研究工作如下:1.对LGF广播修正误差在非零均值高斯分布和非高斯分布下膨胀系数的确定方法进行了深入研究。对于非零均值的高斯分布模型,通过向量范数的不等式转化关系,得到了标准差膨胀和均值膨胀两种确定方法;对于修正误差的非高斯分布模型,通过高斯混合模型拟合修正误差的概率密度分布,进而将非高斯分布下确定标准差的膨胀系数转化为高斯混合模型下确定标准差的膨胀系数,采用EM算法估计高斯混合模型的参数,通过BIC准则和SEM算法对模型的结构进行选择和优化,通过仿真试验证明在这种处理方法下得到的修正误差的高斯混合模型满足确定膨胀系数的要求,并给出相应的膨胀系数计算公式。2.结合修正误差的有限采样点限制和不同分布模型的影响,给出了LGF广播标准差的总膨胀系数,在伪卫星增强、采用相对精确的标准差模型以及采用膨胀的标准差等情况下,计算垂直保护水平,并得到如下结论:如果修正误差的标准差不进行膨胀,则无论是否使用伪卫星增强,GPS局域增强系统能够满足各阶段精密进场的性能要求,但这种计算结果很难保证定位误差小于保护水平,从而产生完善性风险;如果采用膨胀的标准差计算VPL,无论是否使用伪卫星增强,系统只满足CATⅠ的可用性要求,但是伪卫星增强后,系统可用性明显提高,而且性能更加稳定;如果使用相对精确的标准差模型计算VPL,在伪卫星增强后,系统可以满足CATⅡ的可用性要求,但是这只能用于理论分析。3.对广播修正误差的标准差和均值监测进行了深入的研究,针对CUSUM算法不能一步检测较大的标准差和均值偏移的缺陷,提出了应用Shewhart-CUSUM组合算法监测均值和标准差异常。以平均运行长度为指标,对CUSUM、Shewhart和Shewhart-CUSUM这三种算法的特性进行了详细地分析,结果表明,组合算法的检测门限只需比CUSUM算法稍大,便可以获得与CUSUM算法相近的失控状态平均运行长度。最后通过仿真试验验证了组合算法在标准差和均值监测中的性能,结果表明:组合算法可以一步检测较大的异常,在检测累积型异常时与CUSUM算法性能相同,并且失控状态下的平均运行长度与理论计算的相等。4.针对“快照”的奇偶空间的RAIM算法受到测量方程的数学模型限制,当测量误差是非零均值高斯分布或带有不确定的扰动输入时,故障检测的误警率和漏警率增大。改进测量方程的数学模型,在其中加入不确定输入项增加了算法的鲁棒性和抗干扰能力,通过估计方法将这种不确定性输入转化为确定性的输入,并利用双重最优解耦,将奇偶向量和故障向量分离。最后通过仿真证明了这种改进的RAIM算法的确可以有效降低卫星故障检测的漏警率和误警率。5.提出了一种多维累积RAIM算法—MCRAIM,它通过多维累积和处理奇偶残差,解决了“快照”的奇偶空间RAIM算法不能检测累积型故障的缺陷。针对GPS系统的特殊应用情况,将算法分为检测系统的累积型故障和检测卫星的累积型故障。通过仿真试验证明了算法在检测这两种累积型异常时的独特优势和性能,又对MCRAIM算法做进一步改进,形成了RAIM-MCRAIM组合算法,它既有“快照”RAIM一步检测较大故障的能力,又具有MCRAIM检测中等累积型故障的能力,并通过仿真试验对组合算法的这种性能进行了证明。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 GPS及在民用航空导航领域的应用
• 1.2.1 GPS系统概述
• 1.2.2 GPS在民用航空导航领域的应用
• 1.3 GPS局域增强系统发展概况
• 1.3.1 LAAS的发展概况和体系结构
• 1.3.2 LAAS完善性监测的发展概况
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 LGF的相关处理算法及完善性监测体系分析
• 2.1 引言
• 2.2 LAAS地面站设备的相关处理算法
• 2.2.1 载波平滑和差分修正
• 2.2.2 差分定位及误差模型
• 2.2.3 垂直保护水平的计算
• 2.3 LAAS地面站设备的完善性监测体系设计
• 2.3.1 监测执行Ⅰ及其监测过程
• 2.3.2 监测执行Ⅱ及其监测过程
• 2.4 伪卫星增强对LAAS系统性能的影响
• 2.4.1 伪卫星增强对定位性能的影响
• 2.4.2 伪卫星增强对完善性和可用性的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 LGF修正误差在不同分布下的标准差膨胀系数确定方法
• 3.1 引言
• 3.2 非零均值高斯分布下的标准差膨胀系数确定方法
• 3.2.1 标准差的膨胀方法
• 3.3.2 均值偏差的膨胀方法
• 3.3 非高斯分布下的标准差膨胀系数确定方法
• 3.3.1 高斯混合模型（GMM）
• 3.3.2 期望最大化（EM）算法
• 3.3.3 高斯混合模型分布下的标准差膨胀系数确定方法
• 3.4 标准差膨胀的VPL仿真试验和结果分析
• 3.4.1 标准差的总膨胀系数确定方法
• 3.4.2 标准差膨胀的VPL仿真试验和结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于Shewhart-CUSUM组合算法的标准差和均值监测研究
• 4.1 引言
• 4.2 Shewhart-CUSUM组合算法
• 4.2.1 Shewhart控制图算法
• 4.2.2 CUSUM控制图算法
• 4.2.3 Shewhart-CUSUM组合算法
• 4.2.4 平均运行长度及参数选择
• 4.3 标准差和均值监测的仿真试验与性能分析
• 4.3.1 标准差监测的仿真试验与性能分析
• 4.3.2 均值监测的仿真试验与性能分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于奇偶空间的GPS接收机自主完善性监测改进算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 奇偶空间的RAIM算法
• 5.2.1 奇偶残差的产生
• 5.2.2 故障检测准则
• 5.2.3 报警门限设置
• 5.2.4 仿真试验及结果分析
• 5.3 带有不确定输入的奇偶空间RAIM算法
• 5.3.1 数学模型的描述
• 5.3.2 不确定输入估计
• 5.3.3 双重最优解耦
• 5.3.4 故障检测准则和门限
• 5.3.5 仿真试验及结果分析
• 5.4 多维累积的奇偶空间RAIM算法
• 5.4.1 故障检测准则
• 5.4.2 报警门限设置
• 5.4.3 仿真试验及结果分析
• 5.4.4 RAIM-MCRAIM组合算法及仿真试验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢