留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

GNSS单系统及多系统组合完好性分析

赵昂 杨元喜 许扬胤 景一帆 杨宇飞 马越原 徐君毅

赵昂, 杨元喜, 许扬胤, 景一帆, 杨宇飞, 马越原, 徐君毅. GNSS单系统及多系统组合完好性分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(1): 72-80. doi: 10.13203/j.whugis20180425
引用本文: 赵昂, 杨元喜, 许扬胤, 景一帆, 杨宇飞, 马越原, 徐君毅. GNSS单系统及多系统组合完好性分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(1): 72-80. doi: 10.13203/j.whugis20180425
ZHAO Ang, YANG Yuanxi, XU Yangyin, JING Yifan, YANG Yufei, MA Yueyuan, XU Junyi. Integrity Analysis of GNSS Single System and Multi-system Combination[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(1): 72-80. doi: 10.13203/j.whugis20180425
Citation: ZHAO Ang, YANG Yuanxi, XU Yangyin, JING Yifan, YANG Yufei, MA Yueyuan, XU Junyi. Integrity Analysis of GNSS Single System and Multi-system Combination[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(1): 72-80. doi: 10.13203/j.whugis20180425

GNSS单系统及多系统组合完好性分析

doi: 10.13203/j.whugis20180425
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFB0501700

国家重点研发计划 2016YFB0501701

国家自然科学基金 41874016

国家自然科学基金 41474015

详细信息
    作者简介:

    赵昂, 硕士, 研究方向为接收机自主完好性监测。zhaoang3331@126.com

  • 中图分类号: P228

Integrity Analysis of GNSS Single System and Multi-system Combination

Funds: 

The National Key Research and Development Program of China 2016YFB0501700

The National Key Research and Development Program of China 2016YFB0501701

the National Natural Science Foundation of China 41874016

the National Natural Science Foundation of China 41474015

More Information
    Author Bio:

    ZHAO Ang, master, majors in GNSS receiver autonomous integrity monitoring (RAIM).E-mail:zhaoang3331@126.com

  • 摘要: 全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的发展和完善为多星座融合定位、导航和授时提供了重要基础,也为接收机自主完好性监测提供了更有利的外部条件。首先通过星座仿真,分别计算了单频和双频条件下GNSS单系统及组合系统的保护水平;然后分析了全球范围内GNSS不同频率及不同组合方式条件下的保护水平的基本分布情况;最后探讨了在不同频率和组合方式条件下接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)在不同进近阶段的可用性。计算结果表明,单系统单频或双频组合均不能满足垂直制导航性能(localizer performance with vertical guidance 200ft,LPV-200)进近阶段的要求;双系统双频组合可满足LPV-200进近阶段的要求;三系统双频组合可满足具有垂直引导(approach with vertical guidance II,APV-II)的进近阶段的要求,但无法满足精密进近要求;四系统组合相比于三系统组合改善效果不明显。
  • 图  1  单系统单频保护水平全球分布图

    Figure  1.  Global Distribution Maps of Protection Levels Under Single-Frequency for Single System

    图  2  双频条件下单系统保护水平全球分布图

    Figure  2.  Global Distribution Maps of Protection Levels Under Dual-Frequency for Single System

    图  3  单频条件下四系统组合保护水平全球分布图

    Figure  3.  Global Distribution Maps of Protection Levels Under Single-Frequency for Four-System Combination

    图  4  双频条件下四系统组合保护水平全球分布图

    Figure  4.  Global Distribution Maps of Protection Levels Under Dual-Frequency for Four-System Combination

    表  1  BDS-3、Galileo和GLONASS星座仿真参数表

    Table  1.   Constellation Simulation Parameters of BDS-3, Galileo and GLONASS

    轨道参数 BDS(MEO) BDS(IGSO) Galileo GLONASS
    高度/km 21 528 35 786 23 221 19 100
    倾角/(°) 55 55 56 64.8
    离心率 0 0 0 0
    近地点角距/(°) 0 0 0 0
    升交点赤经 0°,120°,240° 0°,120°,240° 0°,120°,240° 0°,120°,240°
    平近点角 3个轨道仿真起始时刻的平近点角分别为0°、15°、30°;其余卫星依次增加45° 3个轨道仿真起始时刻的平近点角分别为0°、13°20′、26°40′;其余卫星依次增加45° 3个轨道仿真起始时刻的平近点角分别为0°、15°、30°;其余卫星依次增加45°
    下载: 导出CSV

    表  2  各类导航进近阶段性能要求

    Table  2.   Requirements of All Kinds of Navigation Approaching Phases

    进近阶段 精度(95%) 完好性 故障最大概率
    告警限值 告警时间/s
    垂直/m 水平/m 垂直/m 水平/m 完好性 连续性
    NPA 220~740 (1.85~3.7)×103 10~15 1×10-7/h 1×10-4/h
    LNAV/VNAV 20 220 50 556 10 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
    LPV-250 20 16 50 40 10 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
    APV-I 20 16 35 40 10 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
    APV-II 8 16 20 40 6 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
    LPV-200 4 16 35 40 6 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
    PA CAT-I 4 16 10 40 6 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
    PA CAT-II < 2.9 < 6.9 < 5.3 < 17 < 2 < 1×10-9/150 s < 4×10-6/15 s
    注:NPA(non-precision approach)表示非精密进近;LNAV表示水平方向导航;VNAV表示垂直方向导航;PA CAT-I/II表示精密进近(precision approach, PA)的两个阶段
    下载: 导出CSV

    表  3  单系统单频用户保护水平(95%)及GDOP均值

    Table  3.   Protection Levels (95%) and Mean Value of GDOP Under Single-Frequency for Single System

    系统 HPL/m VPL/m GDOP
    BDS-3 56.662 106.836 2.531
    GPS 62.504 123.956 2.908
    GLONASS 66.231 125.116 2.817
    Galileo 60.131 115.707 2.805
    下载: 导出CSV

    表  4  双频条件下单系统用户保护水平(95%)及各阶段完好性可用性

    Table  4.   Protection Levels (95%) and RAIM Availability of All Phases Under Dual-Frequency for Single System

    系统 HPL/m VPL/m LPV-250阶段可用性/% (VAL=50 m) LPV-200阶段可用性/% (VAL=35 m) APV-II阶段可用性/% (VAL=20 m)
    BDS-3 13.877 25.756 100 100 9.37
    GPS 15.458 29.849 100 92.65 0
    GLONASS 16.133 29.289 100 70.8 0
    Galileo 15.067 28.361 100 100 0
    下载: 导出CSV

    表  5  双系统单频组合用户保护水平(95%)及GDOP均值

    Table  5.   Protection Levels (95%) and Mean Value of GDOP Under Single-Frequency for Double-System Combination

    系统组合 HPL/m VPL/m GDOP
    BDS-3 + GLONASS 39.740 71.816 1.666
    BDS-3 + GPS 36.151 67.718 1.546
    BDS-3 + Galileo 39.173 73.163 1.737
    GPS + GLONASS 37.722 69.550 1.640
    GPS + Galileo 38.263 71.524 1.668
    GLONASS + Galileo 41.872 76.862 1.799
    下载: 导出CSV

    表  6  双系统双频组合用户保护水平(95%)及各阶段完好性可用性

    Table  6.   Protection Levels (95%) and RAIM Availability of All Phases Under Dual-Frequency for Double-System Combination

    系统组合 HPL/m VPL/m LPV-250阶段可用性/% (VAL=50 m) LPV-200阶段可用性/% (VAL=35 m) APV-II阶段可用性/% (VAL=20 m)
    BDS-3 + GLONASS 9.254 17.042 100 100 93.95
    BDS-3 + GPS 8.216 15.917 100 100 99.44
    BDS-3 + Galileo 9.237 17.587 100 100 95.47
    GPS + GLONASS 8.830 16.692 100 100 99.25
    GPS + Galileo 8.789 17.078 100 100 99.09
    GLONASS + Galileo 9.867 18.366 100 100 77.86
    下载: 导出CSV

    表  7  三系统单频组合用户保护水平(95%)及GDOP均值

    Table  7.   Protection Levels (95%) and Mean Value of GDOP Under Single-Frequency for Triple-System Combination

    系统组合 HPL/m VPL/m GDOP
    BDS-3+GPS+ GLONASS 29.333 53.320 1.286
    BDS-3+ GLONASS + Galileo 31.904 58.106 1.220
    BDS-3+ GPS + Galileo 29.593 54.806 1.347
    GPS + GLONASS + Galileo 30.571 55.608 1.249
    下载: 导出CSV

    表  8  双频三系统组合用户保护水平(95%)及各阶段完好性可用性

    Table  8.   Protection Levels (95%) and RAIM Availability of All Phases Under Dual-Frequency for Triple-System Combination

    系统组合 HPL/m VPL/m LPV-250阶段可用性/%
    (VAL=50 m)
    LPV-200阶段可用性/%
    (VAL=35 m)
    APV-II阶段可用性/%
    (VAL=20 m)
    BDS-3+GPS+ GLONASS 6.594 12.522 100 100 100
    BDS-3+ GLONASS + Galileo 7.310 13.750 100 100 100
    BDS-3+ GPS + Galileo 6.614 12.828 100 100 100
    GPS + GLONASS + Galileo 6.911 13.150 100 100 100
    下载: 导出CSV

    表  9  四系统组合用户保护水平(95%)及各阶段完好性可用性

    Table  9.   Protection Levels (95%) and RAIM Availability of All Phases for Four-System Combination

    频率条件 HPL/m VPL/m LPV-250阶段可用性/%
    (VAL=50 m)
    LPV-200阶段可用性/%
    (VAL=35 m)
    APV-II阶段可用性/%
    (VAL=20 m)
    单频 25.624 46.541 63.8 19.34 0
    双频 5.682 10.845 100 100 100
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨元喜, 许扬胤, 李金龙, 等.北斗三号系统进展与性能预测——试验验证数据分析[J].中国科学:地球科学, 2018, 48(5):67-78

    Yang Yuanxi, Xu Yangyin, Li Jinlong, et al. Progress and Performance Evaluation of BeiDou Global Navigation Satellite System: Data Analysis Based on BDS-3 Demonstration System[J]. Scientia Sinica Terrae, 2018, 48(5):67-78
    [2] Lee Y C. Analysis of Range and Position Comparison Methods as Means to Provide GPS Integrity in the User Receiver[C]. The User Receiver Us Institute of Navigation Annual Meeting, Washington D C, USA, 1986
    [3] Parkinson B W, Axelrad P. Autonomous GPS Integrity Monitoring Using the Pseudorange Residual[J]. Navigation, 1988, 35(2):255-274 doi:  10.1002/j.2161-4296.1988.tb00955.x
    [4] Sturza M A. Navigation System Integrity Monitoring Using Redundant Measurements[J]. Navigation, 1988, 35(4): 483-501 doi:  10.1002/j.2161-4296.1988.tb00975.x
    [5] 杨元喜, 徐君毅.基于抗差估计的GNSS接收机自主完好性监测研究[J].中国科学:地球科学, 2016, 7(2): 117-123

    Yang Yuanxi, Xu Junyi. GNSS Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) Algorithm Based on Robust Estimation[J]. Scientia Sinica Terrae, 2016, 7(2): 117-123
    [6] Sturza M A, Brown A K. Comparison of Fixed and Variable Threshold RAIM Algorithms[C]. ION-90, Colorado, USA, 1990
    [7] 李国重, 李建文, 李军正, 等.基于圆概率误差的RAIM可用性算法研究[J].武汉大学学报·信息科学版, 2011, 36(4):461-466 http://ch.whu.edu.cn/CN/abstract/abstract517.shtml

    Li Guozhong, Li Jianwen, Li Junzheng, et al. Research on RAIM Availability Algorithm Based on Circular Error Probable[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2011, 36(4):461-466 http://ch.whu.edu.cn/CN/abstract/abstract517.shtml
    [8] Angus J E. RAIM with Multiple Faults[J]. Navigation, 2006, 53(4):249-257 doi:  10.1002/j.2161-4296.2006.tb00387.x
    [9] GEAS Panel Study. GNSS Evolutionary Architecture Study GEAS Phase Ⅱ-Panel Report[R]. US: FAA, 2010
    [10] Ene A. Utilization of Modernized Global Navigation Satellite Systems for Aircraft-based Navigation Integrity[D]. Stanford: Stanford University, 2009
    [11] 徐君毅, 杨元喜, 李金龙, 等.COMPASS与其他GNSS组合导航完好性分析[J].中国科学:地球科学, 2013, 43(10):1 632-1 642 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-cd201310007

    Xu Junyi, Yang Yuanxi, Li Jinlong, et al. Integrity Analysis of COMPASS and Other GNSS Combined Navigation[J]. Scientia Sinica Terrae, 2013, 43(10):1 632-1 642 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-cd201310007
    [12] Department of Defense of United States of America.Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard[OL]. 4th ed.http://pnt.gov/public/docs/2008.spsps2008.pdf, 2008
    [13] Kuranov V.GLONASS Interface Control Document[EB/OL]. https://www.unavco.org/help/glossary/docs/ICD_GLONASS_4.0_(1998)_en.pdf, 1998
    [14] Blanch J, Walker T, Enge P, et al. Baseline Advanced RAIM User Algorithm and Possible Improvement[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2015, 51(1):713-732 doi:  10.1109/TAES.2014.130739
  • [1] 张文渊, 郑南山, 张书毕, 丁楠, 戚铭心, 王昊.  附加高水平分辨率PWV约束的GNSS水汽层析算法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(11): 1627-1635. doi: 10.13203/j.whugis20210055
    [2] 张文渊, 张书毕, 左都美, 丁楠, 刘鑫.  GNSS水汽层析的自适应代数重构算法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(9): 1318-1327. doi: 10.13203/j.whugis20190387
    [3] 刘一, 谷守周, 边少锋, 秘金钟, 崔聪聪.  一种基于观测数据集密度中心的新型RAIM算法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(12): 1900-1906. doi: 10.13203/j.whugis20210234
    [4] 赵昂, 杨元喜, 许扬胤, 景一帆, 马越原.  一种使用抗差估计的保护水平重构方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(1): 96-102. doi: 10.13203/j.whugis20190043
    [5] 罗欢, 翁多杰, 陈武.  一种改进的手机阴影匹配定位方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(12): 1907-1915. doi: 10.13203/j.whugis20210275
    [6] 郭春喜, 聂建亮, 田婕, 王斌, 靳鑫洋, 赵大江.  GNSS水准高程变化自适应融合的垂直形变分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(1): 7-12. doi: 10.13203/j.whugis20180408
    [7] 郭磊, 王甫红, 桑吉章, 张万威.  一种新的利用历元间位置变化量约束的GNSS导航算法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(1): 21-27. doi: 10.13203/j.whugis20190062
    [8] 张辉, 郝金明, 刘伟平, 周蕊, 田英国.  估计接收机差分码偏差的GPS/BDS非组合精密单点定位模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(4): 495-500, 592. doi: 10.13203/j.whugis20170119
    [9] 张双成, 戴凯阳, 南阳, 张勤, 瞿伟, 李振宇, 赵迎辉.  GNSS-MR技术用于雪深探测的初步研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(2): 234-240. doi: 10.13203/j.whugis20150236
    [10] 姚宜斌, 赵庆志, 罗亦泳.  附加虚拟信号精化水汽层析模型的方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(11): 1658-1664. doi: 10.13203/j.whugis20150444
    [11] 黄志勇, 赵冬青, 张爽娜, 吴昊, 田翌君.  基于粗时段导航与RAIM算法的A-GNSS室内定位 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(3): 321-327. doi: 10.13203/j.whugis20140941
    [12] 杨建雷, 金天, 黄智刚, 秦红磊, 崔吉慧.  GNSS信号多径误差非包络评估方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(2): 262-268. doi: 10.13203/j.whugis20140073
    [13] 姚铮, 刘琳琳, 张晓明, 陆明泉.  面向多接收模式的GNSS互操作信号调制 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2012, 37(5): 621-625.
    [14] 任锴, 宋小勇, 贾小林, 欧阳桂崇.  一种区域卫星导航系统导航策略 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2012, 37(11): 1356-1359.
    [15] 金力, 崔晓伟, 陆明泉, 冯振明.  带相位和频率反馈环路的GNSS弱信号跟踪技术研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2011, 36(4): 417-421.
    [16] 孟领坡, 吴杰, 袁义双.  载波相位差分接收机自主完好性监测研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2011, 36(3): 271-275.
    [17] 李博峰, 沈云中, 冯延明.  利用三频GNSS进行长距离实时精密导航 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2009, 34(7): 782-786.
    [18] 刘希康, 丁志峰, 李媛, 刘志广.  EMD在GNSS时间序列周期项处理中的应用 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 0, 0(0): 0-0. doi: 10.13203/j.whugis20210029
    [19] 曹新运, 沈飞, 李建成, 张守建.  BDS-3/GNSS非组合精密单点定位 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 0, 0(0): 0-0. doi: 10.13203/j.whugis20210198
    [20] 陈祥, 杨志强, 田镇, 杨兵, 梁沛.  GA-VMD与多尺度排列熵结合的GNSS坐标时序降噪方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 0, 0(0): 0-0. doi: 10.13203/j.whugis20210215
  • 加载中
图(4) / 表(9)
计量
  • 文章访问数:  900
  • HTML全文浏览量:  103
  • PDF下载量:  263
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-21
  • 刊出日期:  2020-01-05

GNSS单系统及多系统组合完好性分析

doi: 10.13203/j.whugis20180425
    基金项目:

    国家重点研发计划 2016YFB0501700

    国家重点研发计划 2016YFB0501701

    国家自然科学基金 41874016

    国家自然科学基金 41474015

    作者简介:

    赵昂, 硕士, 研究方向为接收机自主完好性监测。zhaoang3331@126.com

  • 中图分类号: P228

摘要: 全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的发展和完善为多星座融合定位、导航和授时提供了重要基础,也为接收机自主完好性监测提供了更有利的外部条件。首先通过星座仿真,分别计算了单频和双频条件下GNSS单系统及组合系统的保护水平;然后分析了全球范围内GNSS不同频率及不同组合方式条件下的保护水平的基本分布情况;最后探讨了在不同频率和组合方式条件下接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)在不同进近阶段的可用性。计算结果表明,单系统单频或双频组合均不能满足垂直制导航性能(localizer performance with vertical guidance 200ft,LPV-200)进近阶段的要求;双系统双频组合可满足LPV-200进近阶段的要求;三系统双频组合可满足具有垂直引导(approach with vertical guidance II,APV-II)的进近阶段的要求,但无法满足精密进近要求;四系统组合相比于三系统组合改善效果不明显。

English Abstract

赵昂, 杨元喜, 许扬胤, 景一帆, 杨宇飞, 马越原, 徐君毅. GNSS单系统及多系统组合完好性分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(1): 72-80. doi: 10.13203/j.whugis20180425
引用本文: 赵昂, 杨元喜, 许扬胤, 景一帆, 杨宇飞, 马越原, 徐君毅. GNSS单系统及多系统组合完好性分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(1): 72-80. doi: 10.13203/j.whugis20180425
ZHAO Ang, YANG Yuanxi, XU Yangyin, JING Yifan, YANG Yufei, MA Yueyuan, XU Junyi. Integrity Analysis of GNSS Single System and Multi-system Combination[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(1): 72-80. doi: 10.13203/j.whugis20180425
Citation: ZHAO Ang, YANG Yuanxi, XU Yangyin, JING Yifan, YANG Yufei, MA Yueyuan, XU Junyi. Integrity Analysis of GNSS Single System and Multi-system Combination[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(1): 72-80. doi: 10.13203/j.whugis20180425
  • 全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)的迅速发展与完善为多GNSS融合定位、导航和授时(positioning navigation and time, PNT)提供了重要基础。北斗全球卫星导航系统, 简称北斗三号系统(BDS-3),从2017年11月5日开始发射组网卫星[1],到2018年底,已有19颗BDS-3卫星在轨运行,按照北斗卫星系统发展规划,要在2018年为“一带一路”沿线及周边国家用户提供基本服务,到2020年将向全球用户提供完整星座(30颗卫星)的开放服务;美国的GPS系统正处于现代化建设阶段,目前在轨运行卫星超过30颗,新增了L5和L2C两个民用信号,导航性能进一步提升;俄罗斯的GLONASS系统通过近几年的卫星发射和现代化改造,重获覆盖全球的导航能力,并可提供三频码分多址(code division multiple address, CDMA)信号;截至2017年底,欧洲的伽利略(Galileo)系统已有18颗卫星在轨运行,预计2020年将达到30颗。全球卫星导航系统的进一步发展增加了卫星数量,优化了几何构型,多种频率的发播为用户提供了更多的导航信息,为提高定位精度提供了更好的保障,同时也对民用航空完好性监测产生了重大的影响。

    接收机自主完好性监测可分为两部分,一是卫星故障的监测和识别,二是接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring, RAIM)的判定。在卫星故障监测识别方面,主要有距离比较法[2]、最小二乘法[3]和奇偶矢量法[4], 但其对斜坡故障检测效果差; 卫星数量的增多增加了多颗卫星发生故障的概率,杨元喜等[5]基于粗差探测和剔除理论以及稳健估计理论提出了多星故障探测和识别算法。在RAIM的判定方面,Sturza等[6]提出了单故障诊断的有最大精度因子变化方法; 李国重等[7]将圆概率误差应用于RAIM的计算中;在多故障条件下,Angus[8]提出了扩展RAIM法; 为了充分利用目前多频多星座的导航定位资源,减少对地面监测系统的依赖,美国航空局GNSS演化架构研究小组(GNSS evolutionary architecture study, GEAS)提出了先进接收机自主完好性监测算法(advanced RAIM,ARAIM)算法[9];Ene[10]分析了Galileo和GPS组合双频条件下所能达到的垂直保护水平(vertical protection level, VPL),发现在多星座条件下,无需增强系统就可满足垂直制导航性能(localizer performance with vertical guidance 200ft, LPV-200)甚至满足具有垂直引导(approach with vertical guidance II, APV-II)阶段的完好性需求;徐君毅等[11]通过仿真分析了COMPASS、GPS和Galileo组合系统的完好性性能,结果表明双频条件下多系统组合可提供APV-II阶段的完好性服务。

    四大全球卫星导航系统发展迅速,未来进入全运行状态后会对导航定位产生重大影响,因此,对四大导航系统及其组合系统进行全球完好性分析是有重大意义的。本文通过星座仿真,分别计算了在单频和双频条件下四大全球卫星导航系统独立运行以及系统组合后的保护水平,分析了保护水平在全球范围内的变化,以及RAIM在不同进近阶段的可用性。

    • 线性化的GNSS观测方程可表示为:

      $$ \mathit{\boldsymbol{L}}=\mathit{\boldsymbol{A}}\mathit{\boldsymbol{X}}+\mathit{\boldsymbol{\varepsilon }}, \bf{ }\mathit{\boldsymbol{P}} $$ (1)

      式中,L为观测伪距与近似计算伪距之差;$ \mathit{\boldsymbol{\varepsilon }}$为伪距观测误差;P为观测权矩阵;X为未知参数向量,包含接收机三维位置和接收机钟差;A为设计矩阵。

      由最小二乘定理可知,其未知参数向量的最小二乘解为:

      $$ \mathit{\boldsymbol{{\hat X }}} ={\left({\mathit{\boldsymbol{A}}}^{\mathrm{T}}\mathit{\boldsymbol{P}}\mathit{\boldsymbol{A}}\right)}^{-1}{\mathit{\boldsymbol{A}}}^{\mathrm{T}}\mathit{\boldsymbol{P}}\mathit{\boldsymbol{L}} $$ (2)

      式中,$ \mathit{\boldsymbol{P}}$为观测量的权矩阵,计算公式为:

      $$ \mathit{\boldsymbol{P}}=\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{g}\left(\frac{{\sigma }_{0}^{2}}{{\sigma }_{1}^{2}}, \frac{{\sigma }_{0}^{2}}{{\sigma }_{2}^{2}}\cdots \frac{{\sigma }_{0}^{2}}{{\sigma }_{n}^{2}}\right) $$ (3)

      式中,σ0为单位权标准差,其值为1 m;σi为:

      $$ {\sigma }_{i}^{2}={\sigma }_{\mathrm{e}\mathrm{p}\mathrm{h}, i}^{2}+{\sigma }_{\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}, i}^{2}+{\sigma }_{\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{p}, i}^{2} $$ (4)

      式中,σeph为星历和钟差误差的标准差,在GPS、BDS-3和Galileo中,该值为2.4 m[12],在GLONASS中,该值为5 m[13]σion为电离层延迟误差的标准差;σtrop为对流层延迟误差的标准差。三者均采用航空无线电技术委员会(radio technical commission for aeronautics, RTCA)推荐的计算方法获取[14]

      在故障检测前,需要对该时刻的可见卫星数和可见卫星几何构型进行验证,计算用户保护水平,判断是否能够满足故障检测的需求,即进行RAIM的可用性判断。可利用RTCA推荐的计算公式进行用户保护水平的计算[10]。将式(2)中法矩阵的逆矩阵进行变换得:

      $$ {\mathit{\boldsymbol{Q}}}_{\mathit{\boldsymbol{{\hat X }}} }=\left[\begin{array}{cccc}{d}_{\mathrm{E}}^{2}& {d}_{\mathrm{E}\mathrm{N}}& {d}_{\mathrm{E}\mathrm{U}}& {d}_{\mathrm{E}\mathrm{T}}\\ {d}_{\mathrm{E}\mathrm{N}}& {d}_{\mathrm{N}}^{2}& {d}_{\mathrm{N}\mathrm{U}}& {d}_{\mathrm{N}\mathrm{T}}\\ {d}_{\mathrm{E}\mathrm{U}}& {d}_{\mathrm{N}\mathrm{U}}& {d}_{\mathrm{U}}^{2}& {d}_{\mathrm{U}\mathrm{T}}\\ {d}_{\mathrm{E}\mathrm{T}}& {d}_{\mathrm{N}\mathrm{T}}& {d}_{\mathrm{U}\mathrm{T}}& {d}_{\mathrm{T}}^{2}\end{array}\right] $$ (5)

      式中,下标E、N、U、T分别表示东方向(east)、北方向(north)、天顶方向(up)以及时间分量(time)。

      则水平保护水平(horizontal protection level, HPL)计算公式为:

      $$ \mathrm{H}\mathrm{P}\mathrm{L}={K}_{H}\sqrt{\frac{{d}_{\mathrm{E}}^{2}+{d}_{\mathrm{N}}^{2}}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{d}_{\mathrm{E}}^{2}+{d}_{\mathrm{N}}^{2}}{2}\right)}^{2}+{d}_{\mathrm{E}\mathrm{N}}^{2}}} $$ (6)

      式中,KH为服从高斯分布的乘数因子,其值为6.18(相应的完好性风险概率为5×10-9)[14]

      垂直保护水平计算公式为:

      $$ \mathrm{V}\mathrm{P}\mathrm{L}={K}_{V}{d}_{\mathrm{U}} $$ (7)

      式中,KV为服从高斯分布的乘数因子,其值为5.33(相应的完好性风险概率为1×10-7)[14]

      假设总采样点为N,则RAIM的可用性可以表示为:

      $$ {A}_{\mathrm{R}\mathrm{A}\mathrm{I}\mathrm{M}}=\frac{n}{N} $$ (8)

      式中,n为采样点中满足$ \mathrm{H}\mathrm{P}\mathrm{L}\ll \mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{L} $,且$ \mathrm{V}\mathrm{P}\mathrm{L}\ll \mathrm{V}\mathrm{A}\mathrm{L}$的点数,其中,HAL(horizontal alarm limit)为水平保护限值,VAL(vertical alarm limit)为垂直保护限值。

    • 为了分析BDS-3与其他导航系统组合的完好性水平,对BDS-3、GPS、GLONASS及Galileo星座进行模拟仿真。对BDS-3按30颗卫星进行仿真,包括24颗中圆地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星、3颗倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星和3颗地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星,3颗GEO卫星分别位于80°E、110.5°E和140°E。GPS仿真采用2018-05-15的YUMA星历。分别对Galileo和GLONASS的24颗中圆轨道卫星进行了仿真,具体星座参数见表 1。根据式(6)和式(7)进行全球范围用户保护水平计算,并分析RAIM的可用性。按经纬度5°×5°的采样率进行空间采样,卫星高度截止角为5°;仿真时间1 d,时间间隔300 s。为方便比较分析,本文采用以下4种方案,方案1:单系统仿真分析;方案2:双系统组合仿真分析;方案3:三系统组合仿真分析;方案4:四系统组合仿真分析。每种方案均在单频和双频两种模式下解算。表 2给出了民用航空中各类导航进近阶段的性能要求,将各方案结果分别与表 2中的要求进行对比,进而对保护水平进行分析。

      表 1  BDS-3、Galileo和GLONASS星座仿真参数表

      Table 1.  Constellation Simulation Parameters of BDS-3, Galileo and GLONASS

      轨道参数 BDS(MEO) BDS(IGSO) Galileo GLONASS
      高度/km 21 528 35 786 23 221 19 100
      倾角/(°) 55 55 56 64.8
      离心率 0 0 0 0
      近地点角距/(°) 0 0 0 0
      升交点赤经 0°,120°,240° 0°,120°,240° 0°,120°,240° 0°,120°,240°
      平近点角 3个轨道仿真起始时刻的平近点角分别为0°、15°、30°;其余卫星依次增加45° 3个轨道仿真起始时刻的平近点角分别为0°、13°20′、26°40′;其余卫星依次增加45° 3个轨道仿真起始时刻的平近点角分别为0°、15°、30°;其余卫星依次增加45°

      表 2  各类导航进近阶段性能要求

      Table 2.  Requirements of All Kinds of Navigation Approaching Phases

      进近阶段 精度(95%) 完好性 故障最大概率
      告警限值 告警时间/s
      垂直/m 水平/m 垂直/m 水平/m 完好性 连续性
      NPA 220~740 (1.85~3.7)×103 10~15 1×10-7/h 1×10-4/h
      LNAV/VNAV 20 220 50 556 10 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
      LPV-250 20 16 50 40 10 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
      APV-I 20 16 35 40 10 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
      APV-II 8 16 20 40 6 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
      LPV-200 4 16 35 40 6 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
      PA CAT-I 4 16 10 40 6 (1~2)×10-7/150 s (4~8)×10-6/15 s
      PA CAT-II < 2.9 < 6.9 < 5.3 < 17 < 2 < 1×10-9/150 s < 4×10-6/15 s
      注:NPA(non-precision approach)表示非精密进近;LNAV表示水平方向导航;VNAV表示垂直方向导航;PA CAT-I/II表示精密进近(precision approach, PA)的两个阶段
    • 图 1为各系统单频条件下的保护水平全球分布图。表 3为各导航系统单频条件下全球范围内用户保护水平以及几何精度因子(geometric dilution of precision, GDOP)值。

      图  1  单系统单频保护水平全球分布图

      Figure 1.  Global Distribution Maps of Protection Levels Under Single-Frequency for Single System

      表 3  单系统单频用户保护水平(95%)及GDOP均值

      Table 3.  Protection Levels (95%) and Mean Value of GDOP Under Single-Frequency for Single System

      系统 HPL/m VPL/m GDOP
      BDS-3 56.662 106.836 2.531
      GPS 62.504 123.956 2.908
      GLONASS 66.231 125.116 2.817
      Galileo 60.131 115.707 2.805

      图 1的分布图和表 3计算结果中可看出:(1)各单一卫星导航系统完好性的保护水平分布情况相似,水平保护水平均大于55 m,垂直保护水平均大于100 m,无法满足LPV-250进近阶段的要求。(2)中纬度地区的保护水平优于低纬度和高纬度地区的保护水平。(3)BDS-3系统由于3颗GEO卫星的存在,在50°E至150°E范围内的保护水平优于其他3个系统。(4)由于BDS-3卫星数量最多,其GDOP值最小,在4个系统中的保护水平值最小。

    • 图 2为双频条件下独立系统保护水平全球分布图。表 4为各卫星导航系统在双频条件下独立运行时全球范围内用户保护水平以及各阶段的RAIM可用性。

      图  2  双频条件下单系统保护水平全球分布图

      Figure 2.  Global Distribution Maps of Protection Levels Under Dual-Frequency for Single System

      表 4  双频条件下单系统用户保护水平(95%)及各阶段完好性可用性

      Table 4.  Protection Levels (95%) and RAIM Availability of All Phases Under Dual-Frequency for Single System

      系统 HPL/m VPL/m LPV-250阶段可用性/% (VAL=50 m) LPV-200阶段可用性/% (VAL=35 m) APV-II阶段可用性/% (VAL=20 m)
      BDS-3 13.877 25.756 100 100 9.37
      GPS 15.458 29.849 100 92.65 0
      GLONASS 16.133 29.289 100 70.8 0
      Galileo 15.067 28.361 100 100 0

      图 2表 4中可看出:(1)双频消除电离层延迟误差后,与单频相比,保护水平得到了显著的改善,水平保护水平小于20 m,垂直保护水平小于30 m。(2)GLONASS由于星座构型的特点,其在高纬度的垂直保护水平优于其他系统。(3)BDS-3因其可见卫星数更多,保护水平在全球大部分范围内优于其他系统。(4)4个系统独立运行时均可满足LPV-250阶段的要求,除GLONASS外,其他3个系统在全球大部分区域可满足LPV-200阶段的要求,但是无法满足APV-II阶段的要求。

    • 表 5为双系统单频组合模式下的全球范围内用户保护水平以及GDOP值。从表 5中可以看出:(1)经过双系统组合,可见卫星数量增多,GDOP值降低,卫星几何构型得到增强,与单系统相比,保护水平得到优化,各组合系统的水平保护水平平均值均小于45 m,垂直保护水平平均值均小于80 m。(2)保护水平全球分布情况与单系统相同,低纬度地区保护水平最差。(3)在少部分区域可满足LPV-250进近阶段的要求,其中,BDS-3和GPS组合可用性最高,为26.6%。

      表 5  双系统单频组合用户保护水平(95%)及GDOP均值

      Table 5.  Protection Levels (95%) and Mean Value of GDOP Under Single-Frequency for Double-System Combination

      系统组合 HPL/m VPL/m GDOP
      BDS-3 + GLONASS 39.740 71.816 1.666
      BDS-3 + GPS 36.151 67.718 1.546
      BDS-3 + Galileo 39.173 73.163 1.737
      GPS + GLONASS 37.722 69.550 1.640
      GPS + Galileo 38.263 71.524 1.668
      GLONASS + Galileo 41.872 76.862 1.799
    • 表 6为双系统双频组合模式下的全球范围内用户保护水平以及各阶段的RAIM可用性。从表 6中结果可以看出:(1)利用双频消除电离层延迟一阶项之后,保护水平得到进一步优化,在全球绝大部分范围内,水平保护水平小于12 m,垂直保护水平小于20 m。(2)在全球范围内,双系统双频LPV-250进近阶段和LPV-200进近阶段的RAIM可用性为100%。(3)除GLONASS和Galileo组合外,其他组合在全球绝大部分区域可满足APV-II进近阶段的要求。

      表 6  双系统双频组合用户保护水平(95%)及各阶段完好性可用性

      Table 6.  Protection Levels (95%) and RAIM Availability of All Phases Under Dual-Frequency for Double-System Combination

      系统组合 HPL/m VPL/m LPV-250阶段可用性/% (VAL=50 m) LPV-200阶段可用性/% (VAL=35 m) APV-II阶段可用性/% (VAL=20 m)
      BDS-3 + GLONASS 9.254 17.042 100 100 93.95
      BDS-3 + GPS 8.216 15.917 100 100 99.44
      BDS-3 + Galileo 9.237 17.587 100 100 95.47
      GPS + GLONASS 8.830 16.692 100 100 99.25
      GPS + Galileo 8.789 17.078 100 100 99.09
      GLONASS + Galileo 9.867 18.366 100 100 77.86
    • 表 7为三系统单频组合模式下的全球范围用户保护水平以及GDOP均值。从表 7中的结果可以看出:(1)三系统组合进一步增加了可见卫星数量,与双系统组合相比,保护水平又得到了进一步优化,水平保护水平小于35 m,垂直保护水平小于65 m。(2)RAIM在LPV-250进近阶段的可用性得到显著提高,BDS-3+GPS+GLONASS组合的可用性为55.17%;BDS-3+ GLONASS + Galileo组合的可用性为41.91%;BDS-3 +GPS+ Galileo组合的可用性为54.2%;GPS + GLONASS + Galileo组合的可用性为50.27%。

      表 7  三系统单频组合用户保护水平(95%)及GDOP均值

      Table 7.  Protection Levels (95%) and Mean Value of GDOP Under Single-Frequency for Triple-System Combination

      系统组合 HPL/m VPL/m GDOP
      BDS-3+GPS+ GLONASS 29.333 53.320 1.286
      BDS-3+ GLONASS + Galileo 31.904 58.106 1.220
      BDS-3+ GPS + Galileo 29.593 54.806 1.347
      GPS + GLONASS + Galileo 30.571 55.608 1.249
    • 表 8为双频三系统组合全球范围用户保护水平及各阶段RAIM可用性。与双频双系统组合相比,双频三系统保护水平均值有所降低,但改善效果不明显;但从RAIM在3个阶段的可用性上可以看出,三系统组合进一步提高了RAIM在进近阶段的可用性。

      表 8  双频三系统组合用户保护水平(95%)及各阶段完好性可用性

      Table 8.  Protection Levels (95%) and RAIM Availability of All Phases Under Dual-Frequency for Triple-System Combination

      系统组合 HPL/m VPL/m LPV-250阶段可用性/%
      (VAL=50 m)
      LPV-200阶段可用性/%
      (VAL=35 m)
      APV-II阶段可用性/%
      (VAL=20 m)
      BDS-3+GPS+ GLONASS 6.594 12.522 100 100 100
      BDS-3+ GLONASS + Galileo 7.310 13.750 100 100 100
      BDS-3+ GPS + Galileo 6.614 12.828 100 100 100
      GPS + GLONASS + Galileo 6.911 13.150 100 100 100
    • 图 3图 4分别为单频和双频条件下四系统组合保护水平全球分布图。表 9为四系统在不同频率模式下的全球范围保护水平各阶段的RAIM可用性。从图 3图 4以及表 9中可以看出:(1)相比较三系统组合,四系统可见卫星数量进一步增加,保护水平有少许降低,但优化效果不明显。(2)四系统单频组合的水平保护水平为25.624 m,垂直保护水平为46.541 m。(3)四系统双频组合的水平保护水平为5.682 m,垂直保护水平为10.845 m,可满足3个阶段进近需求。(4)从3个阶段RAIM可用性分析,单频条件下,在LPV-250进近阶段的可用性超过50%,部分区域可满足LPV-200进近阶段的要求,但无法满足APV-II阶段的要求。

      图  3  单频条件下四系统组合保护水平全球分布图

      Figure 3.  Global Distribution Maps of Protection Levels Under Single-Frequency for Four-System Combination

      图  4  双频条件下四系统组合保护水平全球分布图

      Figure 4.  Global Distribution Maps of Protection Levels Under Dual-Frequency for Four-System Combination

      表 9  四系统组合用户保护水平(95%)及各阶段完好性可用性

      Table 9.  Protection Levels (95%) and RAIM Availability of All Phases for Four-System Combination

      频率条件 HPL/m VPL/m LPV-250阶段可用性/%
      (VAL=50 m)
      LPV-200阶段可用性/%
      (VAL=35 m)
      APV-II阶段可用性/%
      (VAL=20 m)
      单频 25.624 46.541 63.8 19.34 0
      双频 5.682 10.845 100 100 100
    • 本文在北斗全球系统进行全球组网的背景下,通过模拟仿真,分析了四大全球导航系统单独运行以及组合下的全球完好性,得出以下结论:

      1) 单频条件下,单系统保护水平较差,垂直保护水平大于100 m,经系统组合后,卫星数量增多,卫星几何构型变好,保护水平得到优化;四系统组合后,水平保护水平为25.624 m,垂直保护水平为46.541 m,RAIM在LPV-250进近阶段的可用性为63.8%,在LPV-200阶段的可用性为19.34%。所以,在单频条件下, 四系统组合仍无法满足具有垂向引导能力的航空进近的要求。

      2) 双频条件下,由于消除了电离层延迟一阶项的影响,定位精度得到提高,保护水平得到极大的改善,RAIM的可用性也获得了很大的提高。仅在单一系统情况下,水平保护水平优于20 m,垂直保护水平优于30 m,全球大部分区域可满足LPV-200进近阶段的要求。

      3) 双系统双频组合水平保护水平优于10 m,垂直保护水平优于20 m,全球绝大部分区域已满足APV-II进近阶段的要求。

      4) 四系统组合相对于三系统组合尽管保护水平得到进一步优化,但提升效果不明显。

      5) 四系统双频组合条件下,RAIM可满足非精密进近阶段的完好性要求,但无法满足精密进近阶段的要求。

参考文献 (14)

目录

    /

    返回文章
    返回