一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法，步骤包括：1)根据航线选择定位点；2)计算地形遮蔽角；3)预测可见卫星；4)确定需要监测的故障模式；5)计算定位误差方差、标称偏差的影响系数和解分离检验统计量的方差；6)计算解分离检验的阈值，计算保护级，判断可用性。本发明专利技术提供的一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法，可以根据地形模型数据，计算地形遮蔽角，根据星历或历书数据预测可见卫星，进而计算保护级，判断可用性；通过考虑地形遮挡对可见卫星预测的影响，可以提升可用性预测的准确度，保证飞机运行的安全性。保证飞机运行的安全性。保证飞机运行的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法


[0001]本专利技术涉及卫星导航
，尤其是涉及一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法。

技术介绍

[0002]民用航空作为全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的高端集团客户，不但需要极高的精度，而且对完好性提出了近乎苛刻的要求。完好性指航空用户在利用导航系统进行相应操作的过程中，当导航系统所提供的定位信息无法满足相应操作所需的性能要求时，系统及时给出告警的能力。
[0003]高级接收机自主完好性监测(Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitor，ARAIM)是一项面向双频多星座(Dual Frequency Multi
‑
Constellation，DFMC)卫星导航系统的空基增强技术，用于确保航路、终端区及进近等全运行阶段的导航完好性。完整的ARAIM系统由三部分组成：导航星座、机载接收机和生成完好性支持信息(Integrity Support Message，ISM)的地面监测站。ARAIM机载接收机利用冗余卫星观测量及完好性支持电文快速检测和排除卫星和星座故障，并及时向用户告警。
[0004]系统可用性是指系统为运载体提供可用的导航服务时间与该航行阶段时间的百分比。在飞机起飞前，需要对系统可用性进行预测，以避免发生安全事故。为更好地满足生命安全应用对卫星导航系统的需求，提高系统可用性预测的准确度至关重要。民用航空器的一次完整的飞行过程大致包含五个主要阶段，由于各个阶段具有不同的物理特性以及所处空域属性不同，为确保飞行安全，对支撑技术如导航技术、通信技术等的性能要求也不相同。针对飞行器的某个运行阶段，ARAIM的可用性可通过定位误差基于某一置信度的上限值，即保护级(Protection Level，PL)来判断。若ARAIM机载接收机在某一历元的保护级低于运行要求的告警限(Alert Limit，AL)，则该历元ARAIM可用；反之，则为不可用。因此，ARAIM可用性预测的关键在于保护级预测。
[0005]ARAIM的保护级由参与定位的卫星的位置和性能决定。导航卫星的实际位置可以根据卫星播发的星历或历书计算得到；卫星性能随时间变化缓慢，表征卫星性能的参数来自于各星座服务提供者(Constellation Service Provider，CSP)的性能承诺或历史播发的完好性支持参数。在预测ARAIM的可用性时，首先需要预测接收机的可见卫星，随后通过可见卫星的性能计算保护级。因此，可见卫星预测的准确度直接决定了ARAIM可用性预测的正确性。然而，仅根据接收机位置和卫星的星历或历书来判断接收机是否能接收到该卫星的信号是不严谨的，因为卫星信号可能受到庞大障碍物的遮挡，例如山脉等。现有的ARAIM可用性预测方法均未考虑地形遮挡带来的影响。事实上，若飞行航路距离山脉较近，或进近位于峡谷间的机场(如中国林芝机场和拉萨机场)，导航卫星在飞机运行过程中极易受到遮挡。经统计，在考虑地形遮挡影响后，部分地区可见卫星持续时间将缩短5％，可用性空洞时间甚至可提升至4倍。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法，根据地形模型数据，如数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，计算地形遮蔽角，根据星历或历书数据预测可见卫星，进而计算保护级，判断可用性；通过考虑地形遮挡对可见卫星预测的影响，可以提升可用性预测的准确度，保证飞机运行的安全性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法，步骤包括：
[0008]1)根据飞行器运行航线选择定位点；
[0009]2)计算地形遮蔽角；
[0010]3)预测可见卫星；
[0011]4)确定需要监测的故障模式；
[0012]5)计算定位误差方差、标称偏差的影响系数和解分离检验统计量的方差；
[0013]6)计算解分离检验的阈值，计算保护级，判断可用性。
[0014]优选的，基于地形模型数据的全方向所述地形遮蔽角计算方法是：确定方向角搜索步长，利用地形模型数据计算各方向角的所述地形遮蔽角。
[0015]优选的，所述地形遮蔽角计算方法中的所述地形模型数据选取范围的设置方法为：选取以用户位置点A为中心的圆形或方形区域的所述地形模型数据，搜索范围的直径或边长不低于50km。
[0016]优选的，所述地形遮蔽角计算方法中所述方向角搜索步长的设置方法是：均匀分配搜索方向角，所述搜索步长不大于π/180。
[0017]优选的，基于所述地形模型数据的最大仰角位置点搜索方法是：对于所述方位角θ，基于所述方向角搜索步长β，搜索中心点对于所述用户位置点A的所述方向角在[θ
AB
‑
β/2，θ
AB
+β/2]内的像素块，并计算所述像素块中心点对于所述用户位置点的仰角，搜索所述最大仰角；取仰角最大值为所述方位角θ的所述地形遮蔽角。
[0018]优选的，基于所述地形模型数据的所述仰角的计算方法是，所述用户位置点A、点B为所述地形模型数据采样中心点，则以点B为中心点的所述地形模型数据采样像素块内任意一点相对于点A的所述仰角计算公式为：
[0019][0020]优选的，考虑地形影响的所述可见卫星预测方法是：根据卫星所述星历或历书计算卫星位置，筛除所述仰角低于所述地形遮蔽角和接收机遮蔽角的卫星，得到预测的可见卫星集合；
[0021]筛选规则为：用户接收机观测卫星C的所述方向角记为θ
AC
，所述仰角记为α
AC
，所述方向角对应的所述地形遮蔽角记为α
AB
，所述方向角对应的所述接收机遮蔽角记为α
rc
，若卫星C满足
[0022][0023]则卫星C为可见卫星；反之，则卫星C不可见。
[0024]优选的，考虑地形影响的ARAIM被监测故障模式选取方法是：利用所述地形模型数据计算全方向角的所述地形遮蔽角，预测得到所述可见卫星集合，根据ISM中的单颗卫星主服务故障概率和两颗及以上卫星所述主服务故障概率，计算不同故障模式的所述故障概率，筛选故障模式较大的所述故障模式作为所述被监测故障模式，筛选原则为未监测故障模式总概率不超过预设值。
[0025]优选的，考虑地形影响的ARAIM连续性风险方法是：利用所述地形模型数据计算所述全方向角的所述地形遮蔽角，预测得到所述可见卫星集合，选取所述被监测故障模式，将所述连续性风险预算等分至每个所述被监测故障模式。
[0026]优选的，考虑地形影响的保护级预测方法为：利用所述地形模型数据计算所述全方向角的所述地形遮蔽角，预测得到所述可见卫星集合，并利用所述可见卫星性能参数，计算得到保护级。
[0027]因此，本专利技术提供的一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法，其特征在于，步骤包括：1)根据飞行器运行航线选择定位点；2)计算地形遮蔽角；3)预测可见卫星；4)确定需要监测的故障模式；5)计算定位误差方差、标称偏差的影响系数和解分离检验统计量的方差；6)计算解分离检验的阈值，计算保护级，判断可用性。2.根据权利要求1所述的一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法，其特征在于，所述地形遮蔽角是基于地形模型数据的全方向上的，计算方法是：确定方向角搜索步长，利用地形模型数据计算各方向角的所述地形遮蔽角。3.根据权利要求2所述的一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法，其特征在于，所述地形模型数据选取范围的设置方法为：选取以用户位置点A为中心的圆形或方形区域的所述地形模型数据，搜索范围的直径或边长不低于50km。4.根据权利要求2所述的一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法，其特征在于，所述地形遮蔽角计算方法中所述方向角搜索步长的设置方法为：均匀分配搜索方向角，所述搜索步长不大于π/180。5.根据权利要求1所述的一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法，其特征在于，基于所述地形模型数据的最大仰角位置点搜索方法是：设所述方位角为θ，基于所述方向角搜索步长为β，搜索中心点对于所述用户位置点A的所述方向角在[θ
AB
‑
β/2，θ
AB
+β/2]内的像素块，并计算所述像素块中心点对于所述用户位置点的仰角，搜索所述最大仰角；取仰角最大值为所述方位角θ的所述地形遮蔽角。6.根据权利要求5所述的一种复杂地形环境下ARAIM可用性预测方法，其特征在于，基于所述地形模型数据的所述仰角的计算方法是，所述用户位置点A、点B为所述地形模型数据采样中心点，则以点B为中心点的所述地形模型数据采样像素...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱衍波，王志鹏，方堃，杜镜天，王虹霞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：