一种电离层闪烁下航空导航性能预测的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及航空导航性能评估领域，具体设及一种电离层闪烁下航空导航性能预 测的方法。
【背景技术】
[0002] 电离层闪烁是指电波信号穿越电离层时由于电离层等离子体结构的不均匀和时 空非平稳而引起的电波幅度、相位和时延的波动。强电离层闪烁则会引起大规模的导航通 信中断。历史数据表明，2003年10月下旬到11月上旬出现的电离层风暴和强闪烁现象曾 导致美国的广域增强系统（WAAS，Wide Area Argumentation System)关闭长达30小时，严 重影响其内陆航空运输。为解决上述问题，研究电离层闪烁对航空导航性能的影响成为近 年来相关领域的热点和难点。目前而言，开展电离层闪烁对导航性能影响的研究主要依赖 于实验方法，由于电离层闪烁事件具有较强的突发性和无规则性，其实验数据获取难度大， 导致其研究无法普适化。而航空密集流量、复杂环境下高安全性运行对其导航终端的性能 要求不断提升，在此情况下，如何对电离层闪烁下的航空导航性能进行准确预测，成为亟 待突破的技术难题。
[000引根据国际民用航空所需性能导航（Performance Based化vigation)的规定，航空 导航性能主要包括精度、完好性、连续性和可用性。理论而言，导航误差是评估导航性能的 重要参数。传统的导航性能预测方法往往基于基本的导航误差特点，分别独立去评估和预 测各种导航性能。事实上，导航环境和导航信号接收模型不但影响导航误差本身，还使得各 种导航性能之间存在较强的相关性。在电离层闪烁下，导航信号传播的电磁环境受到较大 的改变，该使得传统的导航信号接收模型存在局限性，同样也改变了导航误差的一些统计 特性，在此情况下，传统的导航性能预测方法将失效。尽管部分研究人员针对特定的场景， 通过飞行实验等方法获得了电离层闪烁下导航误差的统计经验参数，但该方法不具有强普 适性，导致其它研究人员在从事该研究过程中仍面临较多障碍。因此，设计并实现普适、自 主、灵活的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法是本领域研究人员致力解决的难题之 0
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题为；克服现有技术的不足，提出一种电离层闪烁下航空 导航性能预测方法，建立导航环境关联表征的导航接收机跟踪环路模型，进而计算导航量 测误差和导航跟踪环路的平均失锁时间，由平均失锁时间来推演电离层闪烁导致导航信号 跟踪失锁的频次，建立该频次的统计模型，再结合用户飞行轨迹、飞行时间对用户的航空导 航性能进行预测，W有效保障导航性能。
[0005] 本发明的目的通过W下技术方案来实现；一种电离层闪烁下航空导航性能预测的 方法，所述方法适用于电离层闪烁下，航空飞行过程中，导航性能由导航误差、导航完好性 和可用性等参数来描述，导航性能预测结果由航空导航终端计算，其特征在于可在电离层 闪烁时任意场景和设定参数下，提供准确的航空导航性能参数计算及预测结果，w确保航 空导航的有效性和安全性，该方法同样可用于评估各种航空导航终端受电离层闪烁的影响 程度，为高性能航空导航终端的研制提供理论和实证依据。所述方法包括如下步骤：
[0006] 步骤A、设定电离层闪烁的幅度闪烁和相位闪烁参数，设定导航信号的种类；
[0007] 步骤B、建立导航接收机的跟踪环路模型，并计算跟踪码伪距测量误差和载波相位 测量误差；
[000引步骤C、对所测量的误差进行后置滤波，获得导航接收机的输出测量误差；
[0009] 步骤D、根据所设定的电离层闪烁参数和所建立的导航接收机跟踪环路模型，计算 跟踪环路的平均失锁时间；
[0010] 步骤E、建立平均失锁时间关于电离层闪烁下导航信号中断频度的关联表达式，计 算导航信号失锁频度；
[0011] 步骤F、根据用户飞行轨迹、飞行时间计算导航卫星位置，获得卫星的几何参数；
[0012] 步骤G、根据具体的飞行运行需求，计算导航终端的自主完好性监测可用性预测；
[0013] 步骤H、计算飞行过程中的导航保护级，将其与运行需求中所规定的导航告警限进 行比较，判断是否可用；
[0014] 步骤I、根据设定时间段的导航性能参数计算结果，对该时间段的导航可用性进行 预测。
[0015] 其中，所述步骤A中：电离层闪烁的幅度闪烁参数为S4,其取值范围为[0. 1，2]，相 位闪烁参数为T，其取值范围为[0. 1，1]，导航信号指GNSS中频数字信号，种类包括GPS、 GALILEO、化ONASS和北斗导航信号。
[0016] 其中，所述步骤B中；导航接收机跟踪环路模型由一阶、二阶或=阶跟踪环路构 成，其跟踪码伪距通过下面的公式来计算：
[0017] 码跟踪误差表示为：
【主权项】
1. 一种电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于，该方法步骤如下： 步骤A、设定电离层闪烁的幅度闪烁和相位闪烁参数，设定导航信号的种类； 步骤B、建立导航接收机的跟踪环路模型，并计算跟踪码伪距测量误差和载波相位测量 误差； 步骤C、对所测量的误差进行后置滤波，获得导航接收机的输出测量误差； 步骤D、根据所设定的电离层闪烁参数和所建立的导航接收机跟踪环路模型，计算跟踪 环路的平均失锁时间； 步骤E、建立平均失锁时间关于电离层闪烁下导航信号中断频度的关联表达式，计算导 航信号失锁频度； 步骤F、根据用户飞行轨迹、飞行时间计算导航卫星位置，获得卫星的几何参数； 步骤G、根据具体的飞行运行需求，计算导航终端的自主完好性监测可用性预测； 步骤H、计算飞行过程中的导航保护级，将其与运行需求中所规定的导航告警限进行比 较，判断是否可用； 步骤I、根据设定时间段的导航性能参数计算结果，对该时间段的导航可用性进行预 测。
2. 根据权利要求1所述的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于：所述 步骤A中：电离层闪烁的幅度闪烁参数为S4,其取值范围为[0. 1，2]，相位闪烁参数为T，其 取值范围为[0. 1，1]，导航信号指GNSS中频数字信号，种类包括GPS、GALILEO、化ONASS和 北斗导航信号。
3. 根据权利要求1所述的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于：所述 步骤B中；导航接收机跟踪环路模型由一阶、二阶或=阶跟踪环路构成，其跟踪码伪距通过 下面的公式来计算： 码跟踪误差表示为：
其中B"d为码跟踪环路的跟踪带宽， L为跟踪环路的预检测积分时间，C/N。为导航信号的载噪比，d为码跟踪环路的相关间距； 载波跟踪误差表示为：=<< +為，
其中B。。为载波跟踪环路的 跟踪带宽，k为跟踪环路阶数，P为相位功率谱密度的频谱系数，，f。为载波跟踪环路的自由 振荡频率。
4. 根据权利要求1所述的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于：所述 步骤C中：码伪距和载波跟踪量测量的后置滤波采用卡尔曼滤波方法，其状态方程为： A = A-1牛的-A-i) + v*，其中A、在_1分别为k时刻和k-1时刻的伪距估计值，（K、 4k_i分别为k时刻和k-1时刻的载波相位量测量，其量测误差服从[0, 0 J的高斯分布；
其观测方程可表示为： 其中Pk为伪距量测量，其量测误差Wk服从[0, 0 J的高斯分布。
5. 根据权利要求1所述的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于：所述 步骤D中；假设每次跟踪环路的输出值e的概率密度函数为Pk(〇,跟踪环路的误差限为 ± 0 b，则跟踪环路能够稳定跟踪的次数可表示为：
平均失锁时间可计 算为马《? 其中T为环路的更新时间，一般情况下等同于预检测积分时间L。
6. 根据权利要求1所述的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于：所述 步骤E中：分别计算正常情况下的平均失锁时间Ti和电离层闪烁情况下的平均失锁时间 T,，则电离层闪烁频次与平均失锁时间的关系为：
其中，m为固定系数，其取 值与电离层闪烁的程度有关。
7. 根据权利要求1所述的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于：所述 步骤E中：电离层闪烁频次在统计上服从泊松分布，其分布参数的计算方法为： 入。二P A wsdnTsp。。，其中Nsci。为同时因电离层闪烁导致跟踪失锁的卫星数目，P为相 关系数，表征了 NwJi卫星信号通道的相关程度，I\p。。为飞行时间，设导航终端的信号失锁 重新捕获时间为T,。。。。，则在飞行时间内NwJi卫星信号的失锁时间为T自1。。,=入。Tu。。。。
8. 根据权利要求1所述的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于：所述 步骤F中；卫星的几何参数可用矩阵H来描述，且
[a。aj分别为用户与第i颗卫星在东北天方向的单位向 量，n为可见卫星总数。
9. 根据权利要求1所述的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于：所述 步骤G中；导航终端的自主完好性监测可用性预测的计算方法为：
将町。。。,1、VPLsi。。。分别与水平告警限和垂直告警限比较，若大于告警限，则导航终端自 主完好性不可用。
10. 根据权利要求1所述的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于：所述 步骤H中；导航保护级的计算方法为； 首先计算馬=化'PH) -iH'P，其中
计算Ax =馬A Z，其中A Z 为伪距残差，满足高斯分布[0,曰。]，令 hii= bn 321 …aj，hn= [a。322 …a也化。=[a。323 …aj 丫 = [ O 1 O 2 …0 n]
垂直保护级为；VPL = I A X31 + a 2 ? du。
11. 根据权利要求1所述的电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，其特征在于：所述 步骤I中；导航可用性判断方法为： 在一定时间段内，W单位时间步长计算得到的导航保护级与运行需求中的导航告警限 进行比较，若保护级大于告警限，则该时刻导航不可用；在该时间段内，设比较总次数为Ni， 保护级大于告警限的次数为馬，则可用性计算方法为：
【专利摘要】本发明公开了一种电离层闪烁下航空导航性能预测的方法，所述方法适用于电离层闪烁下，航空飞行过程中，导航性能由导航误差、导航完好性和可用性等参数来描述，导航性能预测结果由航空导航终端计算。通过建立电离层闪烁参数与导航接收机的跟踪环路之间的映射关系，来分析闪烁环境下的导航测距误差和平均失锁时间，计算导航失锁频度。根据航空用户轨迹和飞行运行需求，对导航精度、自主完好性及可用性进行评估。本方法的优势为可在电离层闪烁时任意场景和设定参数下，提供准确的航空导航性能参数计算及预测结果，以确保航空导航的有效性和安全性，该方法同样可用于评估各种航空导航终端受电离层闪烁的影响程度，为高性能航空导航终端的研制提供理论和实证依据。
【IPC分类】G01S19-23, G01C25-00
【公开号】CN104596544
【申请号】CN201510033744
【发明人】刘杨
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月23日