基于星上自主完好性监测和星间链路的北斗全球系统完好性新算法研究

Integrity relates to the trust that can be placed in the correctness of information supplied by a navigation system and provides a valid alarm to the user if the error in the position solution has exceeded a fixed threshold. This service is considered essential in the safety critical application domain, particularly in aviation. The main problem with integrity is how to determine what can be considered safe. The unique system design of BDS (such as independent time synchronization of two-way radio-wave time transfer system) and the complex ground control segment, bring new challenges to the traditional theory of integrity monitoring. In order to ensure the integrity service, some new strategy and technology like satellite autonomous integrity monitoring and high precision inter-satellite links measurement are first time used by the new generation BDS satellites. We will explore the new strategies and algorithms for integrity monitoring that could be applied to global BDS, including Satellite Autonomous Integrity Monitoring (SAIM), Ground Integrity Channel (GIC) using data from both inter-satellite and satellite-ground links, combined integrity approach with both SAIM and GIC, and Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM). We will also study mathematic models for multi-GNSS integrity information combination. We propose to optimize the global BDS integrity monitoring system. The performance of BDS integrity service will be investigated with real observation.

完好性是指导航系统发生任何故障或误差超过允许限值时，系统向用户提供及时告警的能力。GNSS完好性是航空等用户最关注的服务性能之一。我国北斗卫星导航系统BDS具有的独特设计（如采用双向时频传递直接测定卫星钟差），以及复杂的地面运行控制模式，给传统的完好性理论提出新的问题。为保障完好性服务，新一代BDS全球组网卫星首次采用了星上自主完好性监测、高精度星间链路测量等创新性手段以弥补区域BDS地面监测网的有限覆盖。本课题研究星上自主完好性监测的策略与算法；星间链路/地面监测的联合完好性监测策略与算法；卫星自主完好性与地面监测完好性信息的融合处理算法；用户端的自主完好性监测算法。研究目标是优化完善BDS全球系统的基本完好性和广域差分完好性监测方案，针对多GNSS系统的兼容互操作要求，研究多系统完好性信息的用户兼容处理方法。本课题将结合BDS星地、星间实测数据，对完好性算法及服务性能进行充分验证。

北斗全球卫星导航系统首次在实际卫星导航系统中实现了卫星自主完好性监测技术。本课题基于实际空间环境，首次验证了我国北斗系统星上自主完好性监测数据正确性，研究了卫星自主完好性监测算法与相应地面验证算法，对卫星自主完好性星上监测算法可行性进行了评估，设计星地对比告警试验，验证北斗卫星自主完好性告警实时性为6秒，全面评估了我国北斗系统卫星自主完好性监测能力，为我国北斗系统星上自主完好性监测功能开启提供了重要支持，使北斗系统首次实现境外信号完好性监测能力。. 研究了星间链路与地面监测链路联合下广播星历与钟差预测完好性参数SISA处理算法，将SISA对广播星历预报误差的包络能力从99%提升至99.999%，满足了北斗系统RNSS服务完好性风险指标要求；设计了卫星自主完好性与地面监测完好性信息的融合处理算法，优化了DIF/AIF电文参数实现算法，优化前北斗系统实时电文的漏警率和虚警率为1%，优化后没有再出现数据处理造成的漏警和虚警，研究成果应用于我国北斗系统信息处理系统实际工程。研究成果为我国北斗系统RNSS服务在国际民航组织标准化认证工作提供了重要支撑，使北斗系统的SISA处理算法、单星完好性风险指标、星座完好性风险指标三项完好性指标都通过了国际民航组织国际技术专家验证。. 研究了用户完好性监测RAIM和增强用户完好性监测ARAIM算法。针对多GNSS系统的兼容互操作要求和国际民航组织的服务标准规范要求，研究卫星导航系统完好性信息的用户处理方法。利用北斗系统全球测站的实测数据，采用斯坦福图分析方法，对完好性用户算法及系统完好性服务性能进行充分验证，试验结果表明，北斗系统能够满足国际民航非精密进近（NPA）完好性服务要求。