多星座卫星导航系统的航空GNSS接收机自主完好性监测技术研究

With the development of GPS, Galileo, GLONASS, and BeiDou satellite navigation systems, it will be inevitable trend to use the multi-constellation satellite navigation systems in aviation navigation. Using measurements from multi-constellation can obviously improve satellite geometry and increase more redundant measurements, however, it increases the complex of satellite selection for airborne GNSS receiver and causes the problems of multiple fault and small fault detection and isolation for Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM). To solve this problem, firstly, the project deeply investigates the distribution characteristics of the pseudo-range residual for multi-constellation satellite navigation systems, and constructs the effective fitting model. And, the project is to get rules of dilution of precision from the relationship between satellite constellation configuration and the number of visible satellites, set up high-performance airborne receiver satellite selection algorithm of multi-constellation satellite navigation system, research on constructing the reasonable satellite group subsets, and combining with the least squares residual algorithm, the likelihood ratio algorithm, hypothesis testing approach and the improved particle filter algorithm to rapidly detect and isolate the multiple fault satellites. Then, RAIM availability evaluation algorithms are researched. The RAIM algorithms are verified by FPGA. And also it could design the experiments on the general aviation. The research achievements are carried on to promote multi-constellation satellite navigation system in more demanding precision approach phases to aviation navigation. Therefore, it is believed that this project is of significance to theory research and application value.

随着GPS、Galileo、GLONASS和BeiDou等系统的发展，综合使用多星座卫星导航系统成为航空导航技术发展的必然趋势。虽然多星座卫星导航系统具有改善卫星几何结构、提供更多的冗余观测量等优点，但同时增加了航空GNSS接收机选星复杂度，给接收机自主完好性监测（RAIM）带来了多故障和小故障的检测与隔离问题。针对上述问题，本课题首先研究不同卫星导航系统伪距残差的分布特性，建立有效拟合模型；研究精度因子随卫星星座配置及卫星个数的变化规律，建立航空接收机选星优化算法；研究构建合适的卫星分组子集，结合最小二乘残差法、似然比方法、假设检验法及改进粒子滤波算法对多故障卫星进行快速检测和隔离；针对研究的RAIM算法，设计RAIM可用性预测算法；采用FPGA 进行算法硬件验证研究；利用通航飞机进行搭载实验。课题的研究对推动GNSS为航空导航非精密进近以上阶段的需求服务具有重要的理论意义和应用价值。

随着GPS、Galileo、GLONASS和BDS等系统的发展，综合使用多星座卫星导航系统成为航空导航技术发展的必然趋势。本项目结合航空领域对卫星导航完好性性能要求，针对多星座卫星导航系统航空接收机自主完好性监测技术等挑战问题开展深入研究。首先，研究了GNSS接收机伪距误差分布特性；然后，研究评估卫星导航应用于垂直引导进近飞行阶段性能；针对伪距残差非高斯噪声分布问题，研究了基于智能优化算法的改进粒子滤波的完好性监测算法以及完好性可用性评估；在保证多星座组合导航系统总的完好性指标的前提下，研究了多星座卫星导航系统完好性垂直保护级计算方法；研究了多星座组合导航智能优化选星算法；最后，利用通用航空飞机采集飞行阶段的实测数据和接收机算法验证平台进行实验验证。. 本项目研究取得的重要成果包括以下几方面：（1）通过IGS提供的数据和飞行采集的数据，统计分析测量伪距误差和扰动服从的不是严格的高斯分布，误差分布呈现厚尾、非高斯特性。（2）提出一种能够支持垂直引导进近的双星座BDS/GPS组合导航RAIM算法，研究的多假设解分离算法求解完好性垂直保护级方法，使得在满足定位精度要求的前提下提高了导航可用性。（3）针对伪距残差非高斯噪声问题，提出将混沌粒子群优化粒子滤波与似然比方法有机结合应用于卫星导航接收机自主完好性监测，利用混沌扰动克服粒子群优化局部最优问题，其故障检测性能得到提高。（4）针对多星座卫星导航系统的完好性垂直保护级计算方法保守问题，提出动态分配优化危险误导信息概率和误警率的方法，得到了更精确的垂直保护级结果，提高了RAIM的可用性。（5）提出一种粒子群优化算法的组合导航选星方法，引入自适应及模拟退火算法调整进化参数，增强了算法跳出局部极值的能力；提出人工鱼群粒子群优化选星算法，改进算法解决了选星算法搜索结果不稳定问题，实现了快速选星。（6）通过通用航空飞机采集飞行阶段的实测数据和接收机算法验证平台进行验证分析，在硬件平台下验证了完好性算法的有效性。. 本项目研究结果对多星座组合导航尤其是北斗卫星导航系统服务于航空导航应用具有重要的参考价值和借鉴意义。