一种卫星导航地基增强系统仿真性能评估方法技术方案

本发明专利技术提供了一种卫星导航地基增强系统仿真性能评估方法，提取观测数据，统计计算和卫星仰角相关的误差函数，建立误差模型；通过星历和时间进行卫星位置定位解算，得到与观测时间相对应的卫星位置，计算出播发的伪距修正量；得到定位误差，得到保护级计算结果，通过统计得到的定位误差和保护级结果，得到GBAS系统准确性、可用性和完好性评估结果。本发明专利技术避免了花费大量经济成本和时间成本进行外场设备安装测试，提高了对新方法和设备进行迭代和改进的效率，大大节约实测成本。

A simulation performance evaluation method for ground-based augmentation system of satellite navigation

【技术实现步骤摘要】
一种卫星导航地基增强系统仿真性能评估方法
本专利技术涉及卫星导航数据处理，尤其涉及卫星导航地基增强系统(GBAS)性能评估方法。
技术介绍
在对GBAS进行性能评估时，系统的完好性、可用性和准确性是非常重要的评估指标。系统完好性、可用性和准确性的评估和系统环境的真实性以及用于评估数据的量有关。系统测试运行时间越长，则可用于评估的数据量就越大，系统测试运行所处的环境与真实运行环境越相近，则评估的结果越准确，评估的可信度也就越高。对于民航GBAS设备传统的评估方法有两种，一种是处在技术研究阶段时，主要采用模拟器产生的GNSS信号搭建仿真实验环境，采取注入人工模拟各种误差场景的方式，计算出定位误差和保护级进而验证和评估新的方法和设备性能；另一种方法是在适航取证阶段，通过实际设备在现实运行环境中的长期运行(一般大于1年)，通过监测设备收集足够数据，测量的误差和保护级统计评估系统性能。上述常规评估方法有其自身的缺点。第一种使用模拟器的方法虽然采用人工各种误差场景，但真实运行环境更为复杂，人工模拟的误差场景不能对实际情况做到全面覆盖，使得仿真评估的结果和真实环境中运行的结果存在差异，无法有效的对所采用方法和设备的实际运行情况做出评估。第二种使用实际设备在现实运行环境中长期运行收集数据进行评估的方法，虽然结果可信度较高，但在适航取证阶段一般不能对设备进行更改，所以如果需要对方法和设备进行调整和改进，就需要重新开始收集数据。这种方法由于需要外场安装设备，并进行长期监测，所以测试评估成本在百万元左右每年，而且评估周期极其漫长，时间成本高昂。不适用于对需要快速迭代和改进的新技术新方法进行评估。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种卫星导航地基增强系统仿真性能评估方法，既使用真实运行环境下的测量数据建立误差模型，也节省了外场设备安装和长期持续监测的经济成本和时间成本。能够满足新方法和新设备在GBAS研究中有效进行性能评估并进行快速迭代和改进的需求。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤1：提取距离在5-40公里范围内的两个GNSS观测站的同时间段内1年以上接收到的的所有观测数据，观测数据包括伪距观测数据、载波观测数据、星历数据和历书数据，为了保证对于后续处理的一致性和通用性，提取的观测数据均应为RENIX格式；步骤2：将步骤1中提取的两个GNSS观测站的观测数据作为输入，统计计算和卫星仰角相关的误差函数，建立误差模型；具体实施步骤为首先计算平滑后的码伪距减载波距(SCMC)，用于接收机噪声和多径噪声的估计；然后通过归一化的方法，去除卫星仰角变化对SCMC的影响，通过系数膨胀的方法确保归一化的SCMC数据被0均值高斯分布包络并确定接收机误差模型；步骤3：将步骤1中其中一个GNSS观测站的数据作为GBAS地面设备接收到的数据，通过星历和时间进行卫星位置定位解算，得到与观测时间相对应的卫星位置，载波平滑伪距，根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑，然后利用平滑后伪距通过加权最小二乘的方法计算作为GBAS地面设备的GNSS观测站的位置，利用RTCADO-245A标准中规定的差分伪距校正算法仿真计算出播发的伪距修正量；步骤4：而没有作为GBAS地面设备的GNSS观测站，其数据则作为飞机用户收到的机载接收机的观测数据，通过卫星定位解算和载波平滑(可以根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑)，利用步骤3中作为GBAS地面设备的观测站数据得到的伪距修正值依据RTCADO-253D标准进行伪距修正，然后依据RTCADO-253D标准利用修正后伪距进行定位计算，与被作为飞机用户的GNSS观测站已知精确位置比较，得到定位误差，依据RTCADO-253D标准并通过步骤2中得到的误差模型得到保护级计算结果；步骤5：统计得到的定位误差和保护级结果，得到GBAS系统准确性、可用性和完好性评估结果；所述步骤2中详细步骤为：所述计算平滑后的码伪距减载波距(SCMC)方法如下：a.用步骤1中提取的伪距观测数据和载波测量数据，根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑计算出平滑伪距；b.使用步骤a中平滑后伪距减去步骤1中提取的载波测量值得到平滑后伪距和载波距差值；c.计算出步骤b中平滑后伪距和载波距差值的均值；d.使用步骤b中平滑后伪距和载波距差值减去步骤c中得到的均值，得到结果就是平滑后的码伪距减载波距(SCMC)；归一化的方法如下：a、用步骤1中提取的星历数据计算每个采样时刻的卫星位置；b、用已知的观测站位置数据和步骤a中的卫星位置计算与观测站位置和采样时刻相对应的卫星仰角；c、将卫星仰角以5度为一个区间分开，然后将平滑后的码伪距减载波距分配到对应的卫星仰角区间中，并计算每个区间中的平滑后的码伪距减载波距的标准差，然后用多项式拟合每个区间得到的标准差，得到角度和码伪距减载波距的标准差的函数关系。系数膨胀的方法如下：a、计算所有平滑后的码伪距减载波距的概率密度分布；b、使用标准高斯分布乘以膨胀系数的方法，以1为起始值，0.01为步长增加膨胀系数，直到膨胀后的高斯分布将所有平滑后的码伪距减载波距的概率密度包络，此时的膨胀系数为最终需要的膨胀系数；c、将乘以最终需要的膨胀系数的标准差作为新的标准差，修改归一化的步骤c中得到角度和标准差的函数关系，得到最终的角度角度和标准差的函数关系，该函数关系为所需的误差模型。所述步骤5中的计算步骤为：所述准确性指标测试值计算方法为，取步骤4得到的所有提取数据的定位误差集合，将定位误差集合内的定位误差值升序排序，取排序后定位误差集合内95％置信度所对应的定位误差值，该定位误差值即准确性指标测试值，垂直定位误差表示为VPE；所述可用性指标测试值是运行区间内的可用服务数据百分比，计算方法如下：a、步骤4中得到的所有提取数据的垂直保护级VPL；b、将保护级与ICAO附件十标准中规定的保护级门限VAL比较，如果满足VPL≤VAL条件，则认为服务可用，否则服务不可用；c、取步骤4中得到的所有提取数据的，分别统计数据总包数、服务可用包数及服务不可用包数，通过下式计算可用性指标测试值：P_avail＝1-Pa_unavail/Pa_total其中P_avail为可用性指标测试值，Pa_unavail为服务不可用包数，Pa_total为数据总包数；完好性指标测试值指通过危险误导信息统计来判断设备的服务性能是否满足完好性指标要求，其计算方法如下：d、步骤4中得到的所有提取数据垂直保护级VPL；e、当满足同一时刻的数据，有VPL＜VAL＜VPE条件时，则认此数据为落在危险误导信息(HMI)区域内；f、取步骤4中得到的所有提取数据，统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星导航地基增强系统仿真性能评估方法，其特征在于包括下述步骤：/n步骤1：提取距离在5-40公里范围内的两个GNSS观测站的同时间段内1年以上接收到的的所有观测数据，观测数据包括伪距观测数据、载波观测数据、星历数据和历书数据，为了保证对于后续处理的一致性和通用性，提取的观测数据均应为RENIX格式；/n步骤2：将步骤1中提取的两个GNSS观测站的观测数据作为输入，统计计算和卫星仰角相关的误差函数，建立误差模型；具体实施步骤为首先计算平滑后的码伪距减载波距(SCMC)，用于接收机噪声和多径噪声的估计；然后通过归一化的方法，去除卫星仰角变化对SCMC的影响，通过系数膨胀的方法确保归一化的SCMC数据被0均值高斯分布包络并确定接收机误差模型；/n步骤3：将步骤1中其中一个GNSS观测站的数据作为GBAS地面设备接收到的数据，通过星历和时间进行卫星位置定位解算，得到与观测时间相对应的卫星位置，载波平滑伪距，根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑，然后利用平滑后伪距通过加权最小二乘的方法计算作为GBAS地面设备的GNSS观测站的位置，利用RTCA DO-245A标准中规定的差分伪距校正算法仿真计算出播发的伪距修正量；/n步骤4：而没有作为GBAS地面设备的GNSS观测站，其数据则作为飞机用户收到的机载接收机的观测数据，通过卫星定位解算和载波平滑(可以根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑)，利用步骤3中作为GBAS地面设备的观测站数据得到的伪距修正值依据RTCA DO-253D标准进行伪距修正，然后依据RTCA DO-253D标准利用修正后伪距进行定位计算，与被作为飞机用户的GNSS观测站已知精确位置比较，得到定位误差，依据RTCA DO-253D标准并通过步骤2中得到的误差模型得到保护级计算结果；/n步骤5：统计得到的定位误差和保护级结果，得到GBAS系统准确性、可用性和完好性评估结果。/n...

【技术特征摘要】
1.一种卫星导航地基增强系统仿真性能评估方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：提取距离在5-40公里范围内的两个GNSS观测站的同时间段内1年以上接收到的的所有观测数据，观测数据包括伪距观测数据、载波观测数据、星历数据和历书数据，为了保证对于后续处理的一致性和通用性，提取的观测数据均应为RENIX格式；
步骤2：将步骤1中提取的两个GNSS观测站的观测数据作为输入，统计计算和卫星仰角相关的误差函数，建立误差模型；具体实施步骤为首先计算平滑后的码伪距减载波距(SCMC)，用于接收机噪声和多径噪声的估计；然后通过归一化的方法，去除卫星仰角变化对SCMC的影响，通过系数膨胀的方法确保归一化的SCMC数据被0均值高斯分布包络并确定接收机误差模型；
步骤3：将步骤1中其中一个GNSS观测站的数据作为GBAS地面设备接收到的数据，通过星历和时间进行卫星位置定位解算，得到与观测时间相对应的卫星位置，载波平滑伪距，根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑，然后利用平滑后伪距通过加权最小二乘的方法计算作为GBAS地面设备的GNSS观测站的位置，利用RTCADO-245A标准中规定的差分伪距校正算法仿真计算出播发的伪距修正量；
步骤4：而没有作为GBAS地面设备的GNSS观测站，其数据则作为飞机用户收到的机载接收机的观测数据，通过卫星定位解算和载波平滑(可以根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑)，利用步骤3中作为GBAS地面设备的观测站数据得到的伪距修正值依据RTCADO-253D标准进行伪距修正，然后依据RTCADO-253D标准利用修正后伪距进行定位计算，与被作为飞机用户的GNSS观测站已知精确位置比较，得到定位误差，依据RTCADO-253D标准并通过步骤2中得到的误差模型得到保护级计算结果；
步骤5：统计得到的定位误差和保护级结果，得到GBAS系统准确性、可用性和完好性评估结果。


2.根据权利要求1所述的一种卫星导航地基增强系统仿真性能评估方法，其特征在于：
步骤2中，所述计算平滑后的码伪距减载波距(SCMC)方法如下：
a.用步骤1中提取的伪距观测数据和载波测量数据，根据仿真评估的需要使用Hatch单频载波平滑伪距、IFree双频平滑或者DFree双频平滑计算出平滑伪距；
b.使用步骤a中平滑后伪距减去步骤1中提取的载波测量值得到平滑后伪距和载波距差值；
c.计算出步骤b中平滑后伪距和载波距差值的均值；
d.使用步骤b中平滑后伪距和载波距差值减去步骤c中得到的均值，得到结果就是平滑后的码伪距减载波距(SCMC)；
归一化的方法如下：
a、用步骤1中提取的星历数据计算每个采样时...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岸石，褚映红，赵毓譞，陈楚天，胡耀坤，苏从兵，陈武广，王雪峰，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十研究所，中电科西北集团有限公司西安分公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61