[發明專利]一種電離層閃爍下航空導航性能預測的方法

有效

• 申請號: 201510033744.8
• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104596544B
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 劉楊
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01S19/23
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

技術領域

本發明涉及航空導航性能評估領域，具體涉及一種電離層閃爍下航空導航性能預測的方法。

背景技術

電離層閃爍是指電波信號穿越電離層時由于電離層等離子體結構的不均勻和時空非平穩而引起的電波幅度、相位和時延的波動。強電離層閃爍則會引起大規模的導航通信中斷。歷史數據表明，2003年10月下旬到11月上旬出現的電離層風暴和強閃爍現象曾導致美國的廣域增強系統(WAAS，Wide Area Argumentation System)關閉長達30小時，嚴重影響其內陸航空運輸。為解決上述問題,研究電離層閃爍對航空導航性能的影響成為近年來相關領域的熱點和難點。目前而言，開展電離層閃爍對導航性能影響的研究主要依賴于實驗方法，由于電離層閃爍事件具有較強的突發性和無規則性，其實驗數據獲取難度大，導致其研究無法普適化。而航空密集流量、復雜環境下高安全性運行對其導航終端的性能要求不斷提升，在此情況下，如何對電離層閃爍下的航空導航性能進行準確預測,成為亟待突破的技術難題。

根據國際民用航空所需性能導航(Performance Based Navigation)的規定，航空導航性能主要包括精度、完好性、連續性和可用性。理論而言，導航誤差是評估導航性能的重要參數。傳統的導航性能預測方法往往基于基本的導航誤差特點，分別獨立去評估和預測各種導航性能。事實上，導航環境和導航信號接收模型不但影響導航誤差本身，還使得各種導航性能之間存在較強的相關性。在電離層閃爍下，導航信號傳播的電磁環境受到較大的改變，這使得傳統的導航信號接收模型存在局限性，同樣也改變了導航誤差的一些統計特性，在此情況下，傳統的導航性能預測方法將失效。盡管部分研究人員針對特定的場景，通過飛行實驗等方法獲得了電離層閃爍下導航誤差的統計經驗參數，但該方法不具有強普適性，導致其它研究人員在從事該研究過程中仍面臨較多障礙。因此，設計并實現普適、自主、靈活的電離層閃爍下航空導航性能預測的方法是本領域研究人員致力解決的難題之一。

發明內容

本發明要解決的技術問題為：克服現有技術的不足，提出一種電離層閃爍下航空導航性能預測方法，建立導航環境關聯表征的導航接收機跟蹤環路模型，進而計算導航量測誤差和導航跟蹤環路的平均失鎖時間，由平均失鎖時間來推演電離層閃爍導致導航信號跟蹤失鎖的頻次，建立該頻次的統計模型，再結合用戶飛行軌跡、飛行時間對用戶的航空導航性能進行預測，以有效保障導航性能。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：一種電離層閃爍下航空導航性能預測的方法，所述方法適用于電離層閃爍下，航空飛行過程中，導航性能由導航誤差、導航完好性和可用性等參數來描述，導航性能預測結果由航空導航終端計算，其特征在于可在電離層閃爍時任意場景和設定參數下，提供準確的航空導航性能參數計算及預測結果，以確保航空導航的有效性和安全性，該方法同樣可用于評估各種航空導航終端受電離層閃爍的影響程度，為高性能航空導航終端的研制提供理論和實證依據。所述方法包括如下步驟：

步驟A、設定電離層閃爍的幅度閃爍和相位閃爍參數，設定導航信號的種類；

步驟B、建立導航接收機的跟蹤環路模型，并計算跟蹤碼偽距測量誤差和載波相位測量誤差；

步驟C、對所測量的誤差進行后置濾波，獲得導航接收機的輸出測量誤差；

步驟D、根據所設定的電離層閃爍參數和所建立的導航接收機跟蹤環路模型，計算跟蹤環路的平均失鎖時間；

步驟E、建立平均失鎖時間關于電離層閃爍下導航信號中斷頻度的關聯表達式，計算導航信號失鎖頻度；

步驟F、根據用戶飛行軌跡、飛行時間計算導航衛星位置，獲得衛星的幾何參數；

步驟G、根據具體的飛行運行需求，計算導航終端的自主完好性監測可用性預測；

步驟H、計算飛行過程中的導航保護級，將其與運行需求中所規定的導航告警限進行比較，判斷是否可用；

步驟I、根據設定時間段的導航性能參數計算結果，對該時間段的導航可用性進行預測。

其中，所述步驟A中：電離層閃爍的幅度閃爍參數為S₄，其取值范圍為[0.1,2]，相位閃爍參數為τ，其取值范圍為[0.1,1]，導航信號指GNSS中頻數字信號，種類包括GPS、GALILEO、GLONASS和北斗導航信號。

其中，所述步驟B中：導航接收機跟蹤環路模型由一階、二階或三階跟蹤環路構成，其跟蹤碼偽距通過下面的公式來計算：