基于列车定位应用的北斗导航系统RAIM技术研究

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北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BD S)作为我国自主研发的导航系统正在日益受到重视和应用。基于BDS的列车定位技术因其成本低、维护方便、减少轨旁设备等优点也得到了不断发展。以卫星导航作为主用方式的列车定位系统中,导航系统除了需要提供基本的定位服务外,还需在其发生故障后及时向列车发播告警信息,即具备完好性监测的能力。接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring, RAIM)无需外部设备、反应迅速且容易实现,是目前应用较为广泛的一种完好性监测方法。本文根据列车定位中对卫星导航系统完好性的应用需求,对BDS的完好性进行了研究,并讨论RAIM预测方法和卫星故障检测方法,最后设计开发了一套适用于铁路环境的RAIM系统,从而保障列车定位系统的可靠性,主要内容如下:(1)阐述了北斗卫星导航系统的伪距定位原理和相关概念,介绍了相应的需求标准,并且利用北斗接收机RINEX (Receiver Independent Exchang e)数据做了列车位置解算的方法流程设计,为之后的RAIM研究奠定基础;(2)针对列车定位中因可见卫星数目少或几何分布结构不良所导致的RAIM覆盖空洞问题,本文除了采用水平保护级别方法对RAIM的可用性进行预测外,考虑到铁路沿线各点列车的航向角因素,还定义了沿股道方向的保护水平计算方法,并且以线路作为对象进行RAIM可用性判断,使预测的结果更具实用性;在列车实际运行过程中,定位系统的卫星可能出现软故障(如由于外界干扰等因素导致伪距等测量有误差)或者硬故障(卫星本身故障,概率比较小)问题,会导致列车的定位结果出现严重偏差,本文对由观测量误差得到的距离残差矢量进行卡方检验,从而检测和排除故障卫星。(3)采用C#语言设计开发了一套应用于列车定位的RAIM系统软件,而且对各个功能模块做了详细部署,并使用实验室数据和铁路的现场数据对RAIM算法做了Matlab仿真验证。通过对上述内容的研究,结果表明:本文所讨论的方法能够有效地对RAIM可用性进行预测和对卫星故障进行处理,所设计开发的系统可以实现RAIM预测和实时分析的功能,从而为列车定位中BDS的完好性研究提供参考。
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