導(dǎo)航學(xué)4-2-2012

1、導(dǎo)導(dǎo) 航航 學(xué)學(xué) 主講：朱 智 勤( (測(cè)繪工程專業(yè)）測(cè)繪工程專業(yè)）GNSS的完備性監(jiān)測(cè)的完備性監(jiān)測(cè)導(dǎo)航性能的要求導(dǎo)航性能的要求精度精度連續(xù)性連續(xù)性完備性完備性可用性可用性當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生任何當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生任何故障或定位超過允許故障或定位超過允許限值時(shí)不能勝任規(guī)定限值時(shí)不能勝任規(guī)定的導(dǎo)航工作時(shí)，系統(tǒng)的導(dǎo)航工作時(shí)，系統(tǒng)能在給定的時(shí)間內(nèi)及能在給定的時(shí)間內(nèi)及時(shí)報(bào)警時(shí)報(bào)警 假定系統(tǒng)在初始階假定系統(tǒng)在初始階段是可用的，那么段是可用的，那么其可用性將在運(yùn)行其可用性將在運(yùn)行階段被保持階段被保持衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航的性能的性能系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)載體提系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)載體提供的位置供的位置/速度和其速度和其真實(shí)位置真實(shí)位置/速度的

2、重速度的重合度合度系統(tǒng)可用于提供導(dǎo)系統(tǒng)可用于提供導(dǎo)航服務(wù)的概率航服務(wù)的概率導(dǎo)航性能要求導(dǎo)航性能要求(ICAO/SARPS 2004)GNSS的完備性監(jiān)測(cè)的完備性監(jiān)測(cè)的定義和分類的定義和分類v定義 指當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生任何故障或者導(dǎo)航定位超過允許限值時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并通知用戶的能力v分類 外部增強(qiáng)系統(tǒng)的完備性監(jiān)測(cè) 局部增強(qiáng)系統(tǒng)LAAS（Local Area Augmentation System） 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS(Wide Area Augmentation System) 接收機(jī)自主完備性監(jiān)測(cè)（RAIM) RAIM, Receiver Autonomous Integrity

3、 Monitoring局域增強(qiáng)系統(tǒng)局域增強(qiáng)系統(tǒng)v局域增強(qiáng)系統(tǒng)(LAAS,Local Area Augmentation System) 局域增強(qiáng)系統(tǒng)是利用局域GPS差分技術(shù)并且在地面上設(shè)置少量發(fā)射源，該發(fā)射源類似于衛(wèi)星的功能，稱為偽衛(wèi)星（Pseudolite, PL），這樣即提高了用戶的定位幾何強(qiáng)度，又有效地提高了精度和完備性。 這種由地面參考站和地面數(shù)據(jù)通信鏈為用戶發(fā)送偽距改正信息和完備性信息的系統(tǒng)也稱為地基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS（Ground-Based Augmentation Systems）。LAAS 精密進(jìn)近的性能要求精密進(jìn)近的性能要求LAAS精密進(jìn)近精密進(jìn)近I類類II類類III類類精度

4、（精度（m）95%水平16.06.96.1高程7.72.02.0完備性完備性告警時(shí)間(s)322告警限值H:40H:17.3H:15.5V:10-15V:5.3V:5.3誤警/進(jìn)行210-7210-9210-9連續(xù)性連續(xù)性漏檢率510-5/進(jìn)行410-6/15s10-7/15s可用性可用性0.99-0.999990.99-0.999990.99-0.99999廣域增強(qiáng)系統(tǒng)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)v廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS,Wide Area Augmentation System ） 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)是完備性通道（GIC）和廣域GPS差分（WADGPS）的結(jié)合。 這種由地面參考站和地球同步組成的增強(qiáng)系統(tǒng)也稱為空

5、基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS（Space-Based Augmentation Systems）。廣域增強(qiáng)系統(tǒng)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)v 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)主要由空間部分、地面部分、用戶部分和數(shù)據(jù)鏈路組成。v 2007年7月，原來的兩顆GEO衛(wèi)星（Inmarsat AOR-W和Inmarsat POR）被Telsat ANIK-F1R和Intelsat GalaxyXV代替。v 2007年9月WAAS覆蓋了美國、加拿大和墨西哥地區(qū)（SatNavNews，2007）。WAAS由2個(gè)主控站、38個(gè)參考站、4個(gè)注入站、2顆地球同步衛(wèi)星（GEO）和GPS星座組成。v 現(xiàn)有的空基增強(qiáng)系統(tǒng)還有歐洲的EGNOS(European Ge

6、ostationary Navigation Overly Service)，不僅對(duì)GPS和GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行完備性監(jiān)測(cè)，而且還將對(duì)正在組建中的Galileo系統(tǒng)實(shí)施完備性監(jiān)測(cè)。接收機(jī)的自主完備性監(jiān)測(cè)（接收機(jī)的自主完備性監(jiān)測(cè)（RAIM）v 指用戶接收機(jī)不依賴外部增強(qiáng)系統(tǒng)，由接收機(jī)利用冗余偽距觀測(cè)的一致性檢測(cè)來發(fā)現(xiàn)故障（包括衛(wèi)星故障，星歷錯(cuò)誤、電離層暴和多路徑等原因造成的錯(cuò)誤）的功能。v 接收機(jī)的自主完備性監(jiān)測(cè)概念(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 最早出現(xiàn)在在上世紀(jì)80年代后期，最初稱為“Self-Contained”。v “RAIM”由R

7、.M.Kalafus (R.M.Kalafus,1987)提出，并且沿用至今。v RAIM要完成兩步工作： 一是確定當(dāng)前條件下RAIM是否可用，即RAIM的可用性，它由衛(wèi)星的幾何條件和完備性風(fēng)險(xiǎn)決定； 第二是如果RAIM可用，當(dāng)前的GNSS系統(tǒng)是否有故障，即故障檢測(cè)，并進(jìn)一步排除故障星。方向余弦ilimin202020)()()(0ZZYYXXRisisisi222()()()()iiiiisssRSXXYYZZc dtdt0000000)iiiiiisssRCSiiiXXYYZZRdXdYdZdtcdtRRR0iiiiiiiRcSvldXmdYndZdtRcdt導(dǎo)航定位數(shù)學(xué)模型 觀測(cè)方程觀測(cè)

8、方程誤差方程誤差方程11111110222222200111SSnnnnnnnRcSdXRcdtvlmndYRcdtvlmndZdtRcdtvlmn VB xL導(dǎo)航定位數(shù)學(xué)模型（多顆星） 誤差方程誤差方程VBxL參數(shù)估計(jì)參數(shù)估計(jì)20TV Vmnt觀測(cè)觀測(cè)值殘值殘差差11()TTRcdXdYxB DBB D LdZdt21200()TxxxxDmB DBm Q單位權(quán)單位權(quán)中誤差中誤差協(xié)因協(xié)因數(shù)陣數(shù)陣000XXdXYYdYZZdZ坐標(biāo)結(jié)果坐標(biāo)結(jié)果鐘差鐘差/RRcdtdtc導(dǎo)航定位數(shù)學(xué)模型 權(quán)陣 DGNSS導(dǎo)航定位及粗差對(duì)定位解的影響導(dǎo)航定位及粗差對(duì)定位解的影響0kTkjkkjBEED L =x+i

9、iBxeb L(0,0,1,0,0)TTierxyzct T-1-1T-1x(B D B) B D L()iirxyebzct T-1-1T-1x(B D B) B DLiiirixyxxebzct-1xADT-1-1TA(B D B) B觀測(cè)值誤差與殘差之間的關(guān)系觀測(cè)值誤差與殘差之間的關(guān)系V = Bx-LrxyzctT-1-1T-1-1x(B D B) B D LAD L11()TDB D Bx111()TTTVDDB B D BBDBNB111()TTVBIB B D BB D xLL1()VVBD D xLL= BLx1()VVD D 1()VD DS敏感性矩陣122iiviiiiivi

10、ss式中:是敏感矩陣對(duì)角線上的元素，也稱為觀測(cè)值的多余觀測(cè)分量；是觀測(cè)值的中誤差；是其對(duì)應(yīng)的殘差的中誤差當(dāng)觀測(cè)值之間相互隨機(jī)獨(dú)立時(shí)，觀測(cè)值的協(xié)方差矩陣D為對(duì)角矩陣11,2,niijjjijjjiiivsvvsjn 某一觀測(cè)值對(duì)應(yīng)的改正數(shù)與所有觀測(cè)值的誤差有關(guān):某一個(gè)觀測(cè)值誤差對(duì)所有改正數(shù)有影響，如觀測(cè)值L的誤差對(duì) 的影響為：適合適合RAIM粗差檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法粗差檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法1iVViiiiiiivD Debsb 2122(1,)Tn uTv D v2211Tiiivibe D D D e 22221 (1|)1cccThresholdProbability of faTlse ala

11、rmProbability of miss dTTTTFetectionnnuFu給定誤警概率 ，可以對(duì)統(tǒng)計(jì)量 進(jìn)行檢驗(yàn)，如果則認(rèn)為觀測(cè)值中沒有粗差。上式中 為檢測(cè)限值（）是中心化分布函數(shù)，是自由度，是顯著性水平（誤警概率：）。粗差被漏檢的概率（）為2檢驗(yàn)法:111TiTiVVie D VTe D D D e111iTiiiiTviiiiVViivve D Vwse D D D ew統(tǒng)計(jì)量 是標(biāo)準(zhǔn)化的殘差。在不存在粗差的情況下，服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。w檢驗(yàn)法:傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的RAIM粗差檢測(cè)和定位方法粗差檢測(cè)和定位方法vRAIM利用當(dāng)前歷元多余觀測(cè)值的自檢較來發(fā)現(xiàn)粗差的方法統(tǒng)稱為“快照”（Snapsh

12、ot）法，包括： 距離比較法（Y. Lee, 1986） 最小二乘殘差法（B. W. Parkinson，1988） 奇偶矢量法（M. A. Sturza，1988）最小二乘殘差法最小二乘殘差法v 當(dāng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量超出給定的誤警概率下的門限值時(shí)，表明觀測(cè)值中有粗差，從n顆可見衛(wèi)星中依次剔除一顆可見衛(wèi)星，用余下的n-1衛(wèi)星重新構(gòu)造統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量，然后再與門限值比較，直到不再檢測(cè)出有錯(cuò)誤觀測(cè)值為止。1iVViiiiiiivD Debsb 因此可以將殘差構(gòu)成假設(shè)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢驗(yàn)122(1,)Tn uTv D v距離比較法距離比較法v 距離比較法是利用必要偽距觀測(cè)求解出接收機(jī)的位置參數(shù)，然后反算出冗余觀測(cè)值

13、的預(yù)測(cè)偽距值，預(yù)測(cè)偽距值與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行比較，按照一定的準(zhǔn)則來判斷哪一個(gè)是錯(cuò)誤觀測(cè)。v 距離比較法中，計(jì)算門限值是由橢圓邊界值來確定的，橢圓邊界值的確定比較復(fù)雜，而且預(yù)測(cè)觀測(cè)值的計(jì)算是龐大的。 若觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)為7，u為4，那么按照上式計(jì)算的需要解算的偽距方程數(shù)為35；若GPS和GLONASS聯(lián)合導(dǎo)航，那么當(dāng)n為11，u為5的時(shí)候，需要解算的偽距方程數(shù)為462！!unnCunu向前或向后檢測(cè)法向前或向后檢測(cè)法v處理多個(gè)粗差的方法 一種處理多個(gè)粗差的方法是從全部觀測(cè)值參加平差出發(fā)，進(jìn)行數(shù)據(jù)探測(cè)，并去掉統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量最大的那個(gè)觀測(cè)值（如w-檢測(cè)）。在下一步由n-1個(gè)觀測(cè)值參加平差，又一次進(jìn)行數(shù)據(jù)探測(cè)，逐個(gè)地搜索并剔除粗差，這種方法稱為“向前選擇法”。殘差法即采用了“向前選擇法”。