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IOWAS算法的衛(wèi)星分組策略研究
來源：電子技術應用2011年第8期
郭 婧， 陸明泉， 馮振明
（清華大學 電子工程系，北京100084）
摘要： 探討了IOWAS算法中的衛(wèi)星分組策略優(yōu)化問題。通過分析各種精度因子參數(shù)之間的關系，并借鑒已有的針對GDOP最小時衛(wèi)星最佳分布的研究成果，給出了優(yōu)化的衛(wèi)星分組策略：使每個分組內的衛(wèi)星分布都盡量與最佳分布相似，從而使每個分組都獲得盡量小的VDOP值。仿真結果表明，分組策略的優(yōu)化可以進一步提高IOWAS算法的可用性，尤其是在垂向告警線比較小的時候，性能改善更為顯著。
中圖分類號：TN 967.1
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)08-078-04
Research on satellite grouping strategy for IOWAS algorithm
Guo Jing, Lu Mingquan, Feng Zhenming
Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract： The satellite grouping strategy for IOWAS algorithm is discussed. By analyzing the relationship between different DOP parameters and using the existing results of the optimal satellite geometries which can obtain the smallest GDOP values, we propose an optimized satellite grouping strategy. The main idea is to make the satellite geometries for each group most similar to the optimal geometries which can obtain the VDOP values as small as possible. Simulation results show that the optimized satellite grouping strategy can further increase the availability of IOWAS algorithm and the improvement is more significant when the vertical protection level is small.
Key words : receiver autonomous integrity monitoring; satellite grouping; dilution of precision; availability


　　全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）的基本功能是向具有適當接收設備的各類用戶提供實時、準確、連續(xù)的三維位置、速度和時間信息，具有精度高、實時性強、作用范圍廣、全天候等優(yōu)點?？紤]到系統(tǒng)的各部分都存在出現(xiàn)異常情況的可能，還必須采取一定的機制來保證這些功能是可靠的，與此相對應的指標就是完好性。完好性是當系統(tǒng)不能可靠使用時及時向用戶發(fā)出告警的能力，對于航空應用非常重要：一方面由于用戶的航行速度很高，一旦發(fā)生異常情況將很快偏離航路；另一方面由于它關乎生命安全。
　　衛(wèi)星導航系統(tǒng)有多種完好性監(jiān)測或增強的方式，其中接收機自主完好性監(jiān)測(RAIM)是在用戶端獨立實現(xiàn)的完好性監(jiān)測方法，因其對故障反應迅速、實現(xiàn)簡單等顯著優(yōu)點成為了一種基本的、必不可少的完好性監(jiān)測方式。美國聯(lián)邦航空局(FAA)規(guī)定，當GPS用作航空輔助導航設備時必須包含RAIM功能[1]。
　　早期的接收機自主完好性監(jiān)測算法，大多使用GPS單星座單頻點的衛(wèi)星信號，并且基于單星故障的假設，設計目標是保證民用航空飛行中航路到非精密進近階段的完好性。然而，隨著GNSS的發(fā)展，未來的民用導航接收機將可以使用多星座多頻點的衛(wèi)星信號進行定位和導航?？梢娦l(wèi)星數(shù)量大大增加，一方面能夠改善衛(wèi)星的幾何布局，顯著提高定位精度和完好性，另一方面也使得多星故障發(fā)生的概率增加，原本的單星故障假設不再能夠滿足更高級別的完好性要求。越來越多的RAIM算法開始考慮多星故障的問題，本人也提出了一種雙星故障假設下的多星座RAIM算法——IOWAS[2],該算法基于對衛(wèi)星進行分組和在定位域加權的基本思路，能夠兼容任意多個衛(wèi)星星座，充分利用全部的衛(wèi)星信號，支持民航的垂直引導進近(APV)飛行階段。然而算法中缺乏對衛(wèi)星分組策略的探討，從而無法獲得更高的可用性。為了拓展IOWAS算法的使用范圍，進一步提高算法在各飛行階段的可用性，本文探討了IOWAS算法中的衛(wèi)星分組策略優(yōu)化問題。
 
其中：σv為加權平均解xA的垂向定位誤差標準差，σv-max為各飛行階段規(guī)定的95%垂向定位精度所對應的最大垂向定位誤差標準差。在對完好性要求非常嚴格的APV飛行階段，定位解的完好性通常比精度更難保證，所以算法以犧牲一定的定位精度為代價，換取了更高的可用性，這樣的權衡是必要且合理的。

    通過仿真，給出一段時間內的各種精度因子數(shù)據(jù)。用戶位置設為清華大學校園內的某已知位置，衛(wèi)星位置采樣了GPS 25星在24小時內的1 440個歷元的位置信息，仰角遮蔽角設為5°。圖2給出了不同時刻的GDOP、PDOP、HDOP和VDOP分布曲線，圖3給出了對應的可見衛(wèi)星數(shù)。

    從圖中可以看出，在絕大多數(shù)時間里，可見衛(wèi)星數(shù)都在6顆或6顆以上。VDOP值通常比HDOP值大，平均HDOP值為1.072 4，平均VDOP值為1.597 3，這也驗證了衛(wèi)星導航接收機的水平定位精度優(yōu)于垂向定位精度。GDOP、PDOP和VDOP隨時間的變化趨勢完全一致，因此，當希望每個分組內的衛(wèi)星都具有最小的VDOP值時，即可以轉化為使每個分組的衛(wèi)星都具有最小的GDOP值,從而可以利用現(xiàn)有的很多針對GDOP的研究成果，探討衛(wèi)星的最佳分組策略。
2.2 衛(wèi)星分組策略
    根據(jù)參考文獻[3]中給出的結論，當若干顆衛(wèi)星位于天頂位置，其他衛(wèi)星均勻分布在仰角為遮蔽角的底圓圓周上時，衛(wèi)星具有最佳分布，即對應最小的GDOP值。因此，衛(wèi)星的最佳分布可以用位于天頂?shù)男l(wèi)星數(shù)來表示，表1給出了衛(wèi)星具有最佳分布時，位于天頂?shù)男l(wèi)星個數(shù)與可見衛(wèi)星總數(shù)之間的關系[3]。

    受到衛(wèi)星的實際運行軌道的限制，不可能真正存在若干顆衛(wèi)星位于天頂，其他衛(wèi)星均勻分布在仰角為遮蔽角的底圓圓周上的最佳分布，因此，可以用高仰角的衛(wèi)星來代替位于天頂?shù)男l(wèi)星，并且使其他衛(wèi)星的方位角盡量在0~360°之間均勻分布，即可獲得與最佳分布相似的分布，從而得到較小的GDOP值。在IOWAS算法中，對衛(wèi)星分組優(yōu)化的基本策略是使每個分組內的衛(wèi)星分布都盡量與最佳分布相似，從而使每個分組都獲得盡量小的VDOP值。下面給出具體的衛(wèi)星分組過程：
    (1) 計算所有可見衛(wèi)星的仰角和方位角。
    (2)將可見衛(wèi)星總數(shù)除以3，確定每個分組的衛(wèi)星數(shù)。如果余數(shù)為0，則每組衛(wèi)星數(shù)相同；如果余數(shù)為1，則第三個分組的衛(wèi)星數(shù)比其他組多一個；如果余數(shù)為2，則第二和第三組的衛(wèi)星數(shù)相同，都比第一組多一個。
    (3)查表得到每個分組的衛(wèi)星數(shù)對應的位于天頂?shù)男l(wèi)星數(shù)N1、N2、N3。
    (4) 根據(jù)每個分組的衛(wèi)星數(shù)和位于天頂?shù)男l(wèi)星數(shù)，計算得到每個分組中剩余的衛(wèi)星數(shù)L1，L2，L3。
    (5) 將所有衛(wèi)星的仰角進行排序，選擇其中仰角最大的(N1+N2+N3)顆衛(wèi)星輪流分配給每組。仰角最大衛(wèi)星的分配給第一組，第二大的分配給第二組，第三大的分配給第三組，以此類推，直到每個分組中得到的高仰角衛(wèi)星個數(shù)分別達到N1、N2和N3。
    (6) 將剩余衛(wèi)星的方位角進行排序，按從小到大的順序輪流分配給每組。方位角最小的衛(wèi)星分配給第一組，第二小的分配給第二組，第三小的分配給第三組，以此類推，直到每個分組中得到的衛(wèi)星個數(shù)分別達到L1、L2和L3，從而使每個分組中除高仰角以外的剩余衛(wèi)星的方位角都盡量在0~360°范圍內均勻分布。
3 仿真分析
　    在這一節(jié)中，通過仿真來分析衛(wèi)星分組策略優(yōu)化對IOWAS算法性能的影響。在仿真中，衛(wèi)星定位系統(tǒng)采用GPS 24星、Galileo 27星和GLONASS 24星的三星座兼容方式，共采樣1 440個歷元的衛(wèi)星位置(24 h，一個/min)；用戶位置遍歷全球24個用戶地點，它們取自于RTCA規(guī)定的GPS“最小操作性能標準”[4]；仰角遮蔽角設為5°；偽距誤差模型參見參考文獻[5]。表2給出了國際民航組織(ICAO)對不同飛行階段的垂向定位精度、告警限和可用性要求。

    分別考察在雙頻定位模式和WAAS雙頻定位模式下衛(wèi)星分組策略對IOWAS算法可用性的影響。仿真結果如圖4所示。圖中實線是簡單按星座進行分組的IOWAS算法可用性曲線，虛線是使用了第2節(jié)中介紹的衛(wèi)星分組策略之后的算法可用性曲線?？梢钥吹?，分組策略的優(yōu)化可以進一步提高IOWAS算法的可用性，尤其是在垂向告警限比較小的時候，性能改善更為顯著。

    表3總結了IOWAS算法在不同飛行階段的可用性?？梢钥闯?，在雙頻定位模式下，IOWAS算法無論采用哪種衛(wèi)星分組策略，都只能支持一類垂直引導進近（APV-I）和二類垂直引導進近（APV-II）兩個飛行階段，在一類精密進近（CAT-I）飛行階段，分組策略的優(yōu)化可以使IOWAS算法的可用性提高7.15%。在WAAS雙頻定位模式下，無論采用哪種衛(wèi)星分組策略，IOWAS算法都能夠支持APV-I、APV-II和CAT-I三個飛行階段，在每個飛行階段，優(yōu)化分組策略都能提高算法的可用性。

    本文探討了IOWAS算法的衛(wèi)星分組策略優(yōu)化問題，通過分析各種精度因子參數(shù)之間的關系，并借鑒已有的針對GDOP最小時衛(wèi)星最佳分布的研究成果，給出了優(yōu)化的衛(wèi)星分組策略：使每個分組內的衛(wèi)星分布都盡量與最佳分布相似，從而使每個分組都獲得盡量小的VDOP值。仿真結果表明，分組策略的優(yōu)化可以進一步提高IOWAS算法的可用性，尤其是在垂向告警限比較小的時候，性能改善更為顯著。使用優(yōu)化衛(wèi)星分組策略的IOWAS算法，在雙頻定位模式下，能夠以極高的可用性支持APV-I、APV-II兩個飛行階段，并將按星座進行分組的IOWAS算法在CAT-I飛行階段的可用性提高了7.15%。在WAAS雙頻定位模式下，IOWAS算法無論采用哪種衛(wèi)星分組策略，都能以極高的可用性支持APV-I、APV-II和CAT-I三個飛行階段。
參考文獻
[1] TSO-C129a. Airborne supplemental navigation equipment  using the global positioning system（GPS）[S]. FAA Aircraft Certification Service, Federal Aviation Administration,Washington D.C., 1996.
[2] 郭婧，崔曉偉，陸明泉，等. 支持垂直引導進近的多星座RAIM算法[J]. 清華大學學報（自然科學版），2011(2)：156-160.
[3] Zhang Miaoyan, Zhang Jun. A fast satellite selection algorithm: beyond four satellites[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2009,3(5):740-747.
[4] Document RTCA/DO-208. Minimum operational performance standards for airborne supplemental navigation equipment using global positioning system (GPS)[S]. USA:RTCA,1991.
[5] LEE Y, BRAFF R, FERNOW J, et al. GPS and galileo with RAIM or WAAS for vertically guided approaches[C]//Proc of ION GNSS 2005. Long Beach, CA, USA, 2005:1801-1825.
 

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