星基增强系统电离层延迟改正完好性技术研究

The accuracy and integrity of Global Navigation Satellite System are insufficient when applying in civil aviation, as a way of enhancement, Satellite Base Augmentation System (SBAS) can improve the positioning performance of civil aviation users among wide area. However, ionospheric delay error is the largest error source as well as most difficult to estimate; also it is the key technology in SBAS. In the future, Beidou global navigation system will certainly develop its SBAS technology, while up to now the research on ionospheric delay correction technology of SBAS is deficient. Thus, this subject will research on the ionospheric delay correction technology and the integrity monitoring methods in SBAS of Beidou. Firstly, we will analyze and process the observation data from GPS reference station, and obtain the statistics spatial correlation of ionsopheric delay over China. Secondly, the model of ionospheric delay in Beidou system will be built, and the integrity monitoring algorithm of ionospheric delay correction will be analyzed and discussed through simulation, also the algorithm performance will be evaluated. Finally, the ionospheric delay correction and monitoring methods under multi-constellation will be analyzed and researched through simulation. The development of the subject will lay the foundation for the implement of Beidou SBAS, and it will bring a bright future for the application of multiple satellite navigation systems in civil aviation.

全球导航系统应用于民用航空存在精度和完好性不足，星基增强系统（SBAS）作为其增强方式之一，可以提高广阔覆盖范围内民用航空用户的定位性能。然而，在影响定位的所有误差源中，电离层延迟误差是其中最大并且最难估计的部分，也是SBAS的关键技术环节。未来北斗全球导航系统势必要发展其星基增强技术，而目前国内对SBAS电离层延迟改正技术研究较为匮乏。因此，本课题拟研究北斗系统的SBAS电离层延迟改正及完好性监测方法。首先，分析并处理GPS基准站观测数据，得到中国上空的电离层延迟空间相关统计特性；其次，搭建北斗系统电离层延迟观测模型，仿真分析与研究电离层延迟改正的完好性监测算法，并评估算法性能。最后，仿真分析与研究多星座下电离层延迟改正和完好性监测方法，并评估算法性能。该课题的开展将为北斗系统星基增强技术的实施奠定理论与技术基础，为多卫星导航系统应用于我国民用航空带来光明前景。

全球定位系统（GPS）具有成为民用航空主用导航系统的能力。尽管大部分时间其定位精度极佳，但是它缺少关乎生命安全系统的一个基本特点：它不能够提供定位不准确度的完好性误差包络，导致定位误差在不告知用户的情况下可能会很大。因此，各种增强技术应运而生。星基增强系统（SBAS）作为增强方式之一，可以提供广阔覆盖范围内用户测距误差改正和完好性误差包络。在卫星定位的所有误差源中，电离层延迟误差是其中最大并且最难估计的部分。SBAS中地面参考站采用双频接收机获得倾斜电离层延迟观测值，主控站利用这些有限并随机分布的数据，实时计算电离层格网点（IGP）的延迟估计值和完好性误差包络，并采用地球同步轨道卫星广播，以用于服务区域内单频用户的电离层延迟校正和完好性误差包络的计算。由此可见，IGP电离层延迟的准确估计和其误差的有效包络直接影响并决定着SBAS用户的定位精度和完好性。. 现有的SBAS系统均是对GPS的增强，其电离层延迟校正方法也仅针对GPS星座设计，并且过于保守，因此使得系统的导航性能受限。随着下一代全球导航卫星系统（GNSS）的发展，不久的将来天空中将会有上百颗可用卫星，最少可用卫星数目也会多达24颗。由于各独立卫星系统的星座规模有限，提供的卫星定位服务的性能有时无法得到保障，加之多个卫星导航系统比单个卫星系统可以提供更好的服务已经得到了认同。因此，对于星基增强系统而言，融合多个卫星系统组成的混合星座的观测信息，也势必会大大提高系统的民用航空导航性能。本论文结合我国国情，研究了北斗卫星导航系统以及多星座情况下，星基增强系统电离层延迟改正关键技术，着重研究了中国上空的电离层延迟空间相关特性，在构建电离层延迟空间相关模型的基础上，研究了适合中国区域的星基增强系统电离层延迟改正方法，并利用仿真平台进行了分析验证，提出了适合中国区域的星基增强系统电离层延迟改正方案，为未来我国星基增强技术的发展和进一步实施提供技术支持。