论文摘要：区域增强系统完好性风险的高性能检测方法研究

随着民用航空（以下简称“民航”）的迅速发展，经济发达区域的机场分布密集程度日益增大，导致终端区拥挤，精密进近困难，严重影响飞行安全。卫星导航的应用使得在机场分布密集区域实现II/III 类（CAT II/III）精密进近成为可能，但也面临安全问题的考验。保证民航安全的关键技术指标是完好性，其包括保护级完好性和非保护级完好性。前者是在仅考虑监测站接收机故障的前提下对系统误差的精确估计；后者是对地面测距源故障、空间气候异常和双故障等小概率事件所带来完好性风险的检测。目前提高卫星导航系统完好性的方法主要有两种，第一种方法通过广域布站和全球格网对星历、星钟和电离层等误差进行监测并告知用户，其典型应用为星基增强系统（Satellite Based Augmentation System，SBAS），该系统可覆盖多个国家和地区，但完好性尚不满足CAT I；第二种方法利用局域范围内机载用户和监测站具有公共误差的特点，通过差分技术将其消除，其典型应用为地基增强系统（Ground Based Augmentation System，GBAS），可覆盖单个机场范围，完好性仅能满足CAT I。因此，现有方法无法在区域范围内达到CAT II/III精密进近的需求。面向卫星导航民航应用的未来需求，国家于2006年立项，开始进行区域范围内精密进近的研究，并提出了卫星导航区域增强系统（Regional Augmentation System, RAS）的概念，即在区域范围内布置多个监测站，使得用户可以使用相邻、部分或全部监测站的信息以及SBAS播发的信息，对区域范围内的完好性风险进行检测。现有关于RAS的工作主要集中于系统结构设计和完好性风险分配机制等方面。然而，与现有增强系统相似，RAS的重点和难点是对完好性风险的检测。由于不同故障源对完好性的影响机理不同，无法使用同一方法对其进行检测。本文首先针对监测站接收机故障提出了RAS保护级完好性风险检测方法，然后从地面测距源、空间气候异常和双卫星星历故障三个方面研究了非保护级完好性风险的检测。本文所取得的研究成果可以为SBAS和GBAS的兼容互操作提供参考，为实现机场分布密集地区的精密进近和着陆提供技术支撑。本文的研究成果和创新点包括：1、单监测站系统数据来源单一，缺乏比对和校正，导致对系统误差的估计精度不足。针对该问题，提出了保护级完好性风险检测方法。该方法利用来自SBAS、单个监测站和多个监测站的多源信息对误差进行精确估计：利用SBAS播发的完好性信息对较大电离层异常、信号分歧（Signal Divergence, SD）和码-载分歧（Code Carrier Divergence, CCD）进行监测，初步筛选可见卫星；利用单个监测站多台接收机的信息计算地面监测保护级，在地面监测站为机载用户选择可用卫星子集；利用多个监测站的信息，基于定位误差估计协方差矩阵设计权值，提出了机载用户加权保护级算法。仿真结果表明了所提方法的有效性。2、地面测距源方面，多径和热噪声等空地不相关误差在机载用户和监测站之间不存在相关性，无法通过差分技术消除；伪距加速度误差的累积可导致较难检测的多故障事件发生。针对该问题，首先提出一种C值辅助的伪距域空地不相关误差完好性风险检测方法，从伪距校正值矩阵的角度考虑，兼顾该矩阵各行各列元素的影响，克服了由于B值之间相关性所导致的漏检和误检概率较大的问题；然后基于统计学中的变点分析理论，提出了一种在伪距域检测伪距加速度故障完好性风险的方法，与传统方法中在定位域检测方法相比，该方法可尽早地检测到该类风险，仿真实验验证了所提方法的有效性。3、空间气候方面，电离层异常会引起电离层空间和时间梯度的变化，是影响增强系统完好性的主要因素。针对该问题，提出了一种基于泛Kriging算法的的电离层异常检测方法。首先分析、优化了现有Hatch滤波，仿真结果表明优化Hatch滤波的性能优于传统Hatch滤波但仍无法抑制较大梯度电离层异常的影响；然后提出利用泛Kriging算法对RAS格网电离层延迟进行估计，并结合系统为电离层异常分配的完好性风险值得到该估计值的阈值，以此检测是否有电离层异常发生；最后通过仿真实验表明，在监测站个数满足要求的前提下，该方法可以有效地检测电离层异常带来的风险。4、双故障方面，为实现CAT II/III精密进近，发生概率较大的双卫星星历故障事件不容忽略。针对该问题，提出了一种双卫星星历故障的完好性风险检测方法。首先基于单卫星星历故障保护级算法，提出了双卫星星历故障的保护级算法，同时给出了其关键参数——漏检概率系数和星历去相关参数的计算方法；然后考虑空地距离和星历故障大小的影响，分析了双卫星星历故障非保护级完好性风险；最后基于RAS结构，用单点静止和下降飞行两种场景仿真验证了所提方法的有效性。本文所提完好性风险检测方法可为未来全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System ,GNSS）在民航方面的应用提供参考。研究成果尤其适用于机场分布密集，单个GBAS无法覆盖的区域，对改善卫星导航在民航中的应用性能，以及提高航空安全性和飞行效率有重要的意义。