[发明专利]基于载波相位的卫星导航完好性监测装置及应用的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于载波相位的卫星导航完好性监测装置及应用于该装置的方法，属于卫星导航完好性监测的技术领域。

背景技术

全球导航卫星系统（GNSS）在当今国民经济和国防建设中都起着不可或缺的作用，是导航定位领域的重要发展方向。美国的GPS和俄罗斯的GLONASS已经运行多年，正在全天候的提供着全球卫星信号。目前，美国正在积极推进GPS的现代化建设，计划将GPS发展成为三频观测系统；基于国家安全及导航系统自主性等因素考虑，俄罗斯也决定继续维持GLONASS正常运行，并研制新卫星发展新一代的GLONASS三频系统。欧盟正在部署Galileo系统，将发射多频信号以提供全方位的导航定位服务；我国已经建成了“北斗一号”区域卫星导航系统，目前正在建设“北斗二号”全球卫星导航系统——Compass，也将提供多频信号。对于未来具备多频信号的卫星系统，统称为新一代GNSS，将提供比现在GPS加倍的卫星、更多的观测量以及更好的信号品质，进而提升导航定位的性能。

GNSS导航性能可以从精度、完好性、连续性和可用性4个方面来衡量，这4个性能需求具有紧密的内在联系，任一性能变化都会影响其它性能。本项目研究基于新一代多频载波相位的GNSS及其增强系统完好性监测，在相关的研究中，都会涉及或影响其它三个性能。完好性是指GNSS使用过程中，发生故障或性能变坏所导致的误差超过可接受的限值时，为用户提供及时、有效告警信息的能力。目前GNSS的精度已受到广泛重视，但完好性（包括可用性、连续性）在GNSS系统建设的初期并未受到充分重视，然而在使用过程中却表现出了极其重要的作用，尤其是对于导航性能要求较高的领域，如航空飞行、飞机进近与着陆、战机导航、武器制导、交通管理等。由于GNSS信号不可避免地会受到遮挡和各种干扰，有时甚至还相当严重，尤其是对生命攸关的应用领域带来重大风险，造成严重的后果。因此，完好性监测对于GNSS导航定位是非常必要的。

实现GNSS完好性监测的方法主要分为3类：一是内部完好性监测，二是外部完好性监测，三是卫星自主完好性监测（SAIM）。内部完好性监测又可分为接收机自主完好性监测（RAIM）和传感器增强监测，前者仅仅使用GNSS接收机自身的冗余观测信息，后者利用增强信息（惯性信息、气压高度计等）来实现完好性监测，如飞机导航的机载增强系统（ABAS）；外部完好性监测是在GNSS系统之外，利用外部的陆基或天基增强系统进行完好性监测，陆基增强如民用的局域增强系统（LAAS）、军用的联合精确进近着陆系统（JPALS）等，天基增强如广域增强系统（WAAS）、欧洲静止轨道导航重叠服务系统（EGNOS）等；SAIM指的是将完好性监测和告警系统集成在GNSS卫星自身上，实现发现故障并及时向用户告警的目的，该方法目前还处于概念原理研究阶段。

测码伪距和载波相位是GNSS系统的两类基本观测量。基于伪距观测（包括绝对模式和差分模式）不能满足如飞机自动着舰、空中加油、机场地面运动、船舶自动进坞、交汇对接、精密进近等高精度导航需求。对于更高性能应用，如机场地面运动，其性能指标为导航精度0.5m，完好性风险7.25×10^-9/90s，告警限值小于1.4m，告警时间小于1s；美国的海基联合精确进近着陆系统，提出的导航精度优于0.3m，完好性风险10^-7，告警限值小于1.1m，告警时间小于2s；飞机自动空中加油导航精度优于0.1m，告警限值小于1.0m，告警时间小于2s。显然，对于这些高性能导航领域，基于伪距观测是不能满足要求的。而于载波相位观测具有更高精度，具有厘米级甚至毫米级的潜在性能，已经在高精度导航定位、大地测量等领域得到了广泛应用，并发挥着不可或缺的重要作用, 但其完好性是当前亟待解决的问题。因此，深入研究基于载波相位的GNSS完好性监测，对于高精度、高完好性、高连续性、高可用性的导航定位领域具有重要意义。