一种兼顾电离层闪烁影响的GBAS完好性风险建模方法

本发明属于导航，尤其涉及一种兼顾电离层闪烁影响的gbas完好性风险建模方法。

背景技术：

1、全球卫星导航系统（global navigation satellite system, gnss）因其全天候、高精度、广覆盖等优势，已成为航空导航领域的关键技术，尤其是在飞机进近着陆阶段，对导航的精度、完好性和可用性提出了极为苛刻的要求。其中，iii类精密进近对完好性风险的要求高达10-7量级，这在现有gnss单点定位精度下难以直接满足。为了满足这一需求，地基增强系统（ground based augmentation system, gbas）应运而生，通过在机场附近部署地面参考站，接收gnss信号，计算差分校正数和完好性信息，并通过甚高频数据链播发给机载用户。这种差分校正技术显著提升了导航定位的精度和完好性，使其具备满足iii类精密进近性能要求的潜力。目前，国际民航组织（international civil aviationorganization, icao）已将gbas认定为关键精密进近技术，并将其纳入全球空中航行计划（global air navigation plan, ganp），明确其作为未来航空导航核心技术手段之一。全球范围内，gbas地面站的部署正在加速，其飞行引导服务能力也随着gnss卫星迭代和终端信号处理能力的提升而逐步增强。然而，gbas在提供精密飞行引导服务时，仍面临诸多挑战。除了卫星、地面与机载端异质误差源外，复杂的大气环境，特别是电离层异常，对gbas的性能构成严重威胁。

2、电离层是gnss信号传播路径上的重要介质，其电子密度的变化会导致信号的延迟和畸变。gbas的电离层监测一直是保障其完好性和可用性的核心技术挑战。当前gbas框架下的电离层监测主要关注两种形式的异常：总电子含量（total electron content, tec）空间梯度异常和等离子体不规则体异常。针对tec空间梯度异常，gbas采用了多种监测方法，包括基于单频信号的码载波分歧（code carrier diversion, ccd）算法和双解电离层梯度监测算法，以及基于双频信号的电离层梯度监测（ionospheric gradientmonitoring, igm）算法。这些算法通过检测gnss信号在不同频率或不同接收机上的伪距和载波相位差异，来感知电离层tec梯度的变化。在gbas完好性风险模型中，电离层异常的风险主要来源于电离层梯度。现有的处理方法包括对电离层梯度进行威胁建模、通过双频无电离层组合消除影响，以及通过约束卫星星座几何构型来抑制影响。

3、然而，这些方法存在明显的局限性。当前gast d地面端采用的电离层梯度标准差通常是事前基于长期观测数据或特定电离层异常事件确定的固定值。这种保守的固定阈值虽然能保证安全，但其慢变性导致在非极端情况下过于严格，严重限制了gbas系统的可用性。尽管近年来有研究开始探索电离层梯度的动态威胁模型，以减少对保守假设的依赖，例如通过实时监测网络动态更新威胁参数。但当空间天气事件导致电离层梯度在短时间内剧变时，现有电离层梯度标准差的更新周期往往难以满足如此快速的变化，从而可能导致潜在的完好性风险。更为关键的是，上述梯度监测算法主要对电离层的大尺度空间梯度变化敏感，对中小尺度、不规则的电离层电子密度波动，即电离层闪烁的监测能力严重不足。

4、电离层闪烁是指gnss信号穿过电离层中的小尺度不规则体时，由于折射率的随机变化导致信号的幅度和相位发生快速、随机的波动。这种波动可以表现为信号的深度衰落，甚至导致信号失锁。目前，国内外尚未形成针对电离层闪烁异常的完备监测方法体系。现行gbas框架没有明确考虑电离层闪烁带来的影响，缺少电离层闪烁完好性风险模型。当电离层闪烁发生时，其对gbas系统的可用性和完好性造成严重冲击。闪烁引起的信号强度衰落和相位快速抖动，会使得gnss接收机跟踪环路噪声增大，导致现有的gbas信号功率监测模块（signal quality monitor, sqm）或码载波平滑一致性监测器（code-carriersmoothing monitor, cscit）由于采用固定监测阈值而频繁触发告警。在强闪烁期间，频繁的误警（false alarm）可能导致卫星信号被长时间排除，系统无法提供服务，从而显著降低gbas的可用性。特别是在低纬度地区，由于电离层活跃性高，电离层闪烁频繁发生，gbas的可用性远低于icao要求。此外，闪烁会增加接收机跟踪环路误差，导致伪距和载波观测量误差，并传递到定位域。然而，现有的gbas系统完好性模型中，对于电离层造成的误差仅考虑了电离层梯度部分，对闪烁引起的误差并未明确定义和包络。这意味着在闪烁场景下，现有保护级（protection level, pl）的计算可能无法完全覆盖实际的定位误差，从而存在潜在的完好性风险，危及飞行安全。

5、当前gbas框架在电离层监测方面存在显著缺陷，尤其是在电离层闪烁影响下，现有监测器固定的监测阈值导致系统可用性大幅下降，而完好性风险模型中对电离层闪烁误差项的缺失则对飞行安全构成潜在威胁。因此，如何克服这些挑战，在闪烁频发区域实现gbas电离层异常的精准监测，并提供稳健的精密进近服务，已成为亟待解决的关键问题。针对现有gbas完好性监测框架存在的上述技术问题，特别是现有电离层监测机制仅侧重于tec梯度变化而忽视电离层闪烁影响的缺陷，本发明提出了一种考虑电离层闪烁影响的gbas完好性监测与监测阈值动态优化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种兼顾电离层闪烁影响的gbas完好性风险建模方法，用于解决现有gbas框架由于未考虑电离层闪烁导致的频繁误报警及系统可用性急剧下降的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种兼顾电离层闪烁影响的gbas完好性风险建模方法，该方法包括：获取地基增强系统gbas参考接收机的原始观测数据和电离层闪烁监测接收机的实时闪烁参数，该实时闪烁参数包括幅度闪烁指数、相位闪烁谱斜率、相位谱强度和载噪比；基于所述实时闪烁参数构建接收机跟踪环路误差模型，解耦计算闪烁环境下的码跟踪环路误差标准差和载波跟踪环路误差标准差；利用码跟踪环路误差标准差和载波跟踪环路误差标准差对信号质量监测器sqm的第一监测阈值与载波平滑一致性监测器的第二监测阈值进行动态自适应调整；基于调整后的第一监测阈值和第二监测阈值对原始观测数据执行故障检测并剔除异常卫星；基于码跟踪环路跟踪误差标准差与载波跟踪环路跟踪误差标准差得到电离层闪烁误差项；根据电离层闪烁误差项、接收机内部噪声和多路径误差得到修正后的地面系统误差标准差并通过数据广播单元播发。

3、本发明的有益效果如下：

4、1、通过引入幅度闪烁指数、相位谱参数及载噪比等实时监测数据，实现了对电离层小尺度不规则体强度的直接量化，增强了gbas地面站对复杂电离层环境的感知维度，突破了传统方法仅依赖tec梯度而无法有效识别闪烁干扰的局限性；

5、2、通过解耦幅度闪烁与相位闪烁对码跟踪环路及载波跟踪环路的具体影响，实现了对接收机观测值中热噪声、晶振噪声与闪烁噪声的精确区分与量化，为后续的监测阈值调整与误差建模提供了准确的理论输入；

6、3、通过利用实时估计的码跟踪环路跟踪误差对检测门限进行自适应膨胀，实现了监测阈值随电离层活跃程度的实时动态调整，有效解决了传统固定阈值在闪烁场景下因信号幅度波动导致的频繁误警问题；

7、4、通过分析闪烁噪声在载波平滑滤波器中的传递特性并构建阈值修正项，实现了在保证对阶跃、斜坡等故障检测灵敏度的前提下显著降低虚警率，避免了因非故障性环境干扰造成的系统可用性下降；

8、5、通过建立从闪烁参数到平滑伪距误差的显式传递链路，实现了对定位域闪烁误差标准差的定量计算，明确了电离层闪烁对最终测距精度的具体贡献，消除了传统模型中对环境误差处理的模糊性；

9、6、通过在地面系统误差标准差的计算中加入电离层闪烁误差项，实现了完好性模型对环境因素的全面覆盖，填补了现有gbas框架中未考虑电离层闪烁完好性风险的空白；

10、7、通过对历史闪烁数据的统计分析确定高置信水平下的误差边界，实现了对极端闪烁环境下误差分布的有效包络，确保了生成的保护级能够满足精密进近对完好性的严苛要求；

11、8、通过动态阈值降低误报率与误差建模修正保护级的双重手段，实现了gbas系统在低纬度电离层活跃地区的稳健运行，解决了系统在复杂电离层环境下可用性与完好性难以兼顾的矛盾。