● 摘要
全球定位系统（GPS）具有成为民用航空主用导航系统的能力。尽管大部分时间其定位精度极佳，但是它缺少关乎生命安全系统的一个基本特点：它不能够提供定位不准确度的完好性误差包络，导致定位误差在不告知用户的情况下可能会很大。因此，各种增强技术应运而生。星基增强系统（SBAS）作为增强方式之一，可以提供广阔覆盖范围内用户测距误差改正和完好性误差包络。在卫星定位的所有误差源中，电离层延迟误差是其中最大并且最难估计的部分。SBAS中地面参考站采用双频接收机获得倾斜电离层延迟观测值，主控站利用这些有限并随机分布的数据，实时计算电离层格网点（IGP）的延迟估计值和完好性误差包络，并采用地球同步轨道卫星广播，以用于服务区域内单频用户的电离层延迟校正和完好性误差包络的计算。由此可见，IGP电离层延迟的准确估计和其误差的有效包络直接影响并决定着SBAS用户的定位精度和完好性。现有的SBAS系统均是对GPS的增强，其电离层延迟校正方法也仅针对GPS星座设计，并且过于保守，因此使得系统的导航性能受限。随着下一代全球导航卫星系统（GNSS）的发展，不久的将来天空中将会有上百颗可用卫星，最少可用卫星数目也会多达24颗。由于各独立卫星系统的星座规模有限，提供的卫星定位服务的性能有时无法得到保障，加之多个卫星导航系统比单个卫星系统可以提供更好的服务已经得到了认同。因此，对于星基增强系统而言，融合多个卫星系统组成的混合星座的观测信息，也势必会大大提高系统的民用航空导航性能。本论文结合我国国情，研究了北斗卫星导航系统和GPS系统并存情况下，如何校正SBAS中单频航空用户的电离层延迟，以及如何计算电离层延迟校正后用户的完好性误差包络。具体研究内容和创新点如下：针对不同卫星导航系统电离层延迟观测值的方差估计问题，提出了计算参考站电离层延迟双频观测值方差的方法。SBAS参考站数据预处理中采用载波相位平滑码伪距减小伪距观测值中的噪声，之后由平滑后的双频观测值计算参考站电离层穿透点的电离层延迟值，进而由主控站计算电离层格网点的电离层延迟值和误差包络，最后向用户广播。考虑到电离层延迟受导航信号频率的影响，经理论推导，平滑后参考站电离层双频延迟值的方差除了与载波相位观测噪声方差相关外，亦受到频率的影响，因此，不同频率的卫星信号的电离层双频延迟值方差不同，其准确估计为后续混合星座电离层延迟观测信息的融合、SBAS电离层延迟的准确校正以及误差的有效包络奠定了基础。针对混合星座电离层延迟观测值的融合问题，提出了混合星座电离层延迟反距离加权改正方法。考虑到导航卫星信号的频率对电离层延迟值的影响，在主控站融合混合星座的电离层延迟观测值时，首先将各个频率上的电离层延迟值和方差归一化到指定频率上，之后在GPS单星座电离层延迟校正方法的基础之上，提出了混合星座的电离层延迟校正方法。该方法可以大幅增加可用IGP的数目，同时提高了电离层延迟校正精度和完好性。针对北斗卫星导航系统中部分电离层穿透点静止不动的特性，提出了采用滤波方法计算IGP的延迟值和误差包络。由于北斗卫星导航系统的星座设计中包含5颗GEO卫星，参考站观测这些卫星形成的电离层穿透点位置不变。因此，本文在分析了电离层的空间相关性的基础上，建立了电离层格网点延迟估计模型，并且将一个更新间隔内的电离层穿透点的延迟值进行滤波处理，得到IGP的电离层延迟和完好性信息。该方法削减了电离层空间梯度对格网点电离层延迟估计精度的影响，与传统的方法相比，可以得到更紧的完好性误差包络，同时，电离层延迟改正精度也有所提高。在分析并处理中国地壳运动观测网中基准站的实测数据基础之上，对本文所提出的方法进行了验证。考虑到我国SBAS尚未建成，地壳运动观测网络基准站分布基本上符合SBAS参考站分布特征，首先对25个基准站的RINEX接收机观测文件和导航文件进行读取和预处理，并统计分析了全天电离层延迟双频观测值之间的空间相关性，经验证，满足空间距离相关。之后，分别采用反距离加权、平面拟合和滤波处理三种方法对电离层平静期和有磁暴时电离层延迟校正效果进行了评估，得到滤波算法最优的结论。