[发明专利]民航卫星导航完好性增强系统误差的实时包络方法

说明书

本发明公开了一种民航卫星导航完好性增强系统误差的实时包络方法，其利用时间序列模型对伪距误差的时间相关性进行分析，得到消除时间相关性的厚尾误差样本，并利用广义自回归条件异方差模型GARCH对厚尾误差样本归一化处理后进行包络计算，从而建立了时间相关误差的平稳模型；确定伪距误差标准差的置信上限，并确定最优伪距误差序列长度，实现了对上述模型的不确定性与误差非平稳性的处理。本方法并不会引入额外的完好性风险，由于包络更紧的原因，实时计算的保护级要小于利用传统方法计算出的，从而提高了卫星导航增强系统的可用性。

技术领域

本发明涉及卫星导航增强系统技术领域，尤其涉及一种民航卫星导航完好性增强系统误差的实时包络方法。

背景技术

卫星导航地基增强系统GBAS(Ground Based Augmentation System)包括卫星子系统、地面子系统和机载子系统，在机载子系统中机载用户(通常指飞机)进近和起飞的过程中，机载用户和地面子系统的监测站的距离较近，利用定位误差在空间和时间上的相关性(即认为机载用户和监测站在一定空间和时间范围内的定位误差基本相同)，机载用户可以根据监测站播发的伪距校正值和完好性信息来提高导航的精度和提供完好性监测能力，其中完好性指的是系统出现故障及时告警的能力。具体实现原理为：卫星子系统各卫星产生卫星导航信号并发送给地面子系统和机载子系统；地面子系统中监测站中的各接收机接收卫星导航信号，测得各接收机到各卫星的距离(该距离为含有测量误差的伪距观测值)，同时根据卫星导航信号计算出卫星的位置，进而结合已知的监测站中各接收机的精确位置计算出各接收机到各卫星的真实距离，监测站将各接收机到各卫星的伪距观测值和真实距离进行比较，计算出各卫星的伪距校正值，并通过完好性监测算法获得GBAS的完好性信息，地面子系统将伪距校正值以及完好性信息作为增强信息发送给机载子系统；机载子系统中机载用户接收机接收卫星导航信号，测得含有伪距测量误差的伪距观测值，再根据接收的地面子系统发送的增强信息，利用定位误差的相关性，通过空地差分方法减小机载用户的定位误差，完成精确位置解算，提高定位精度并提供完好性监测能力。

保护级(Protection Level,PL)在卫星导航地基增强系统GBAS的完好性监视中起着重要作用。保护级指的是定位误差的置信上限，其通过与给定的告警限(Alert Limit，AL)进行比较实现对完好性的监测。导航卫星的几何结构时刻变化，定位域误差的特性也会随之改变。因此，通常是在伪距域对误差进行统计建模分析，再利用当时的卫星几何结构投影到定位域进行保护级的计算。以无故障(H0)假设下GBAS的垂直保护级(VerticalProtection Level，VPL)为例，其计算公式如下所示：

其中，H0假设表示在测距过程中不存在故障，S是从伪距域向定位域投影的投影矩阵，K_ffmd是由无故障漏检概率确定的放大系数，σ_i是第i颗可见卫星的伪距误差标准差。

在上述保护级计算公式中隐含着一个前提假设：伪距误差服从高斯分布，然而卫星导航增强系统的伪距误差具有如下3个特点：

非平稳性：作为GBAS的主要误差源之一，多径误差与卫星仰角有关，因此伪距误差的统计特性无法在卫星仰角的变化过程中保持稳定；

时间相关性：由于GBAS中Hatch滤波等原因的存在，伪距误差样本具有强烈的相关性；

厚尾分布特性：实际误差可能不服从高斯分布，也没有足够的样本证明误差服从高斯分布，因此有必要考虑误差分布厚尾的情况以保证计算出的保护级比实际的要大，从而保障系统运行安全。