CN101419275B - 基于多接收机的局域机场监视方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多接收机的局域机场监视方法和系统，方法包括：每个参考接收机接收卫星数据，根据卫星数据计算伪距信息，伪距信息包括广域增强系统伪距校正值、局域监测的伪距校正值和监视系统的伪距校正值，并将所述伪距信息发送到处理中心；处理中心对每个参考接收机的伪距信息进行检测，根据检测结果获取可用的卫星，计算可用的卫星对应的监视系统的终级伪距校正值，并将监视系统的终级伪距校正值发送给机载客户端；机载客户端根据监视系统的终级伪距校正值和机载用户的伪距值计算机载用户的位置。系统包括多个参考接收机、处理中心和机载客户端。本发明在保证系统精度的前提下，提高了系统的完好性、可用性和连续性。

Description

基于多接收机的局域机场监视方法和系统

技术领域

本发明涉及卫星导航技术，尤其涉及一种基于多接收机的局域机场监视方法和系统。

背景技术

随着卫星导航技术的不断发展，各国建设的卫星导航系统已经不能满足系统所要求的精度以及完好性、连续性和可用性等的性能指标，目前的卫星导航增强系统，如广域增强系统(Wide Area Augmentation System；以下简称：WAAS)、局域增强系统(Locaal Area Augmentation System；以下简称：LAAS)和欧洲静地星导航重叠服务器(European Geostationary NavigationOverlay Service；以下简称：EGNOS)等的发明均是用于增强卫星导航系统。其中，WAAS的研究始于20世纪90年代初，是在全球定位系统(GlobalPositioning System；以下简称：GPS)完善性通道(GPS Integrality Channel；以下简称：GIC)和广域差分GPS系统(Wide Area Differential GPS；以下简称：WADGPS)相结合的基础上，将用于广播监测信息的同步轨道卫星(Geostationary Orbit；以下简称：GEO)也发射测距信号供用户观测。WAAS已经通过了美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration；以下简称：FAA)的认证，其精度完全可以满足地基增强系统(Ground BasedAugmentation System；以下简称：GBAS)的服务等级(GBAS Service Levels；以下简称：GSL)C(此处C为服务等级)的需求，但其可用性却不能满足GSLC的标准。LAAS是FAA开发的一种GBAS，支持GPS差分精密进近和着陆。在正常情况下，LAAS可以大大提高定位精度，且其完好性、连续性和可用性也达到GSL C甚至GSL E的标准，但LAAS对电离层风暴的监测能力较差，因此也很难获得FAA的认证。

基于上述问题，目前，研究者又提出了一种局域机场监视系统(LocalAirport Monitor；以下简称：LAM)，LAM将WAAS和LAAS结合在一起，在提高卫星导航的定位精度以及各个性能的同时，消除电离层风暴对系统的影响。然而，现有技术中的LAM的设计是基于单接收机的，如果该接收机发生故障，将会影响LAM系统的完好性和可用性，从而不能保证系统的健壮性和连续性，不能满足系统所要求的性能指标。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种基于多接收机的局域机场监视方法和系统，提高系统对故障的监测和判断能力，在保证系统精度的前提下，提高系统的完好性、可用性和连续性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于多接收机的局域机场监视方法，包括：

每个参考接收机接收卫星数据，根据所述卫星数据计算伪距信息，所述伪距信息包括广域增强系统伪距校正值、局域监测的伪距校正值和监视系统的伪距校正值，并将所述伪距信息发送到处理中心；

所述处理中心对所述每个参考接收机的所述伪距信息进行检测，根据检测结果获取可用的卫星，计算所述可用的卫星对应的监视系统的终级伪距校正值，并将所述监视系统的终级伪距校正值发送给机载客户端；

所述机载客户端根据所述监视系统的终级伪距校正值和机载用户的伪距值计算机载用户的位置。

本发明还提供了一种基于多接收机的局域机场监视系统，包括多个参考接收机、处理中心和机载客户端，所述参考接收机用于接收卫星数据，根据所述卫星数据计算伪距信息，所述伪距信息包括广域增强系统伪距校正值、局域监测的伪距校正值和监视系统的伪距校正值，并将所述伪距信息发送到处理中心；

所述处理中心用于对所述参考接收机的所述伪距信息进行检测，根据检测结果获取可用的卫星，计算所述可用的卫星对应的监视系统的终级伪距校正值，并将所述监视系统的终级伪距校正值发送给机载客户端；

所述机载客户端用于根据所述监视系统的终级伪距校正值和机载用户的伪距值计算机载用户的位置。

本发明提供的一种基于多接收机的局域机场监视方法和系统，通过多个参考接收机接收卫星数据，根据卫星数据计算伪距信息并发送到处理中心，处理中心对多个参考接收机的伪距信息进行综合检测，并将综合后的监视系统的终极伪距校正值发送到机载客户端，机载客户端利用监视系统的终极伪距校正值对机载用户的伪距值进行校正并计算机载用户的位置，提高了系统对故障的监测和判断能力，在保证系统精度的前提下，提高了系统的完好性、可用性和连续性。

附图说明

图1为本发明基于多接收机的局域机场监视方法实施例的流程图；

图2为本发明基于多接收机的局域机场监视方法实施例中参考接收机的工作流程图；

图3为本发明基于多接收机的局域机场监视方法实施例中处理中心的工作流程图；

图4为本发明基于多接收机的局域机场监视方法实施例中机载客户端的工作流程图；

图5为本发明基于多接收机的局域机场监视系统实施例的结构图；

图6为本发明基于多接收机的局域机场监视系统的整体框架图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

随着卫星导航事业的蓬勃发展，世界各国都在建设自己的卫星导航系统，如美国的GPS系统，俄罗斯的全球导航卫星系统(GLObal NAvigationSatellite System；以下简称：GLONASS)，以及正在建设中的欧洲的伽利略(Galileo)系统。然而，由于电离层，对流层，多径效应和热噪声的影响，以及卫星导航系统自身的问题如星历误差，星钟误差等使得卫星导航在很多应用方面不能满足系统所要求的性能指标。例如，在民航飞机精密进近系统应用中，不仅对卫星导航精度提出了很高的要求，同时对其完好性，连续性和可用性的要求也很苛刻。

为了解决以上问题，导航领域的研究者发明了很多辅助系统来增强卫星导航系统。目前，典型的卫星导航增强系统有美国的WAAS和LAAS，欧盟的EGNOS，日本的星基增强系统(Multi-Functional Sateliite AugmentationSystem；以下简称：MSAS)等。其中，受到美国FAA青睐的系统是美国的WAAS和LAAS。WAAS的研究开始于20世纪90年代初，当时美国MITRE公司提出了GIC的监测方法，后被FAA采纳，并由航空无线电技术委员会成立了专门的研究组。GIC主要包括两个部分：地面监测和完善性信息广播。地面监测站采集GPS观测数据并集中处理产生GPS完善性信息，这些完善信息再通过同步卫星实时广播给用户。完善性信息主要指GPS卫星“可用”或“不可用”状态及与卫星有关的误差限值，用户由此可确定观测卫星是否可用并计算得到定位误差限值。将GIC与WADGPS组合，则地面已知参考接收机能同时监测得到GPS的完善性和各类误差改正数。为满足I类精密进近的需求，在GIC与WADGPS组合的基础上，用于广播监测信息的GEO也发射测距信号供用户观测，以提高可用性，由此则构成了GPS的WAAS系统。WAAS系统的完善性监测不但要对GPS状况进行监测，还要对广域差分改正数的完善性进行监测，作为测距源的同步卫星的状况及其误差改正的完善性也需要被监测。

目前，WAAS已经通过了FAA的认证，它的精度完全可以满足GSL C的需求，但是其可用性却不能满足GSL C的标准。LAAS是FAA开发的一种GBAS系统，支持GPS差分精密进近和着陆。LAAS在地面完好性测试(IntegrityMonitoring test；以下简称：IMT)中使用了数据质量监测(Data QualitvMonitoring；以下简称：DQM)、测量质量监测(Measurement QualityMonitoring；以下简称：MQM)、信号质量监测(Signal Quality Monitoring以下简称：SQM)以及两个阶段的监视执行判决(Executive Monitoring；以下简称：EXM)等一系列措施。这样，在正常情况下，LAAS在定位精度大大提高的同时，其完好性、连续性和可用性也到达了GSL C甚至GSL E的标准。但是，当发生电离层风暴时，由于LAAS本身的设计对电离层风暴的监测能力较差，使得LAAS的性能大大降低。针对这个问题，P.Y.Hwang设计的两种滤波器都可以消除电离层时间梯度的影响，但LAAS的电离层风暴问题仍然没有得到很好的解决，这就使得LAAS的认证变得复杂而且昂贵。

综上所述，尽管WAAS获得了认证，但其可用性不能满足GSL C的标准，LAAS由于无法解决电离层风暴而使得其认证变得很难，基于此，相关研究者提出了LAM系统。然而，现有技术中LAM系统的设计是基于单接收机的，如果接收机发生故障，这种系统的完好性很难得到保证。

因此，在LAM系统的基础上，本发明实施例提出了一种多接收机的局域机场监视系统(Multi-receiver LAM；以下简称：MLAM)，MLAM系统的接收机在接收到导航数据时，首先进行各自的数据处理，在处理完之后，再由一台计算机对多个接收机的处理结果进行完好性判断，以及交叉验证，只有通过验证的数据才通过甚高频数据链播发给机载用户。

图1为本发明基于多接收机的局域机场监视方法实施例的流程图，如图1所示，本实施例提供的一种基于多接收机的局域机场监视方法具体包括如下步骤：

步骤101，每个参考接收机接收卫星数据，根据该卫星数据计算伪距信息，并将伪距信息发送到处理中心。

在本发明实施例中，参考接收机可以具体为MLAM参考接收机，多个MLAM参考接收机中的每个MLAM参考接收机接收来自各自卫星的卫星数据，其中包括GPS星座中的卫星和GLONASS星座中的卫星，以及WAAS的静止轨道卫星(Geo-stationary Orbit；以下简称：GEO)。根据监视系统所在的地形条件以及系统对精度、完好度等的性能要求选择一个合适的卫星遮蔽角，根据该卫星遮蔽角从各个MLAM参考接收机的可见卫星中选择N颗定位卫星。需要指出的是，由于位于地面的各个MLAM参考接收机之间的距离很近，通常小于100米，而卫星与地球之间的距离为20000多公里，两者相比，各个MLAM参考接收机之间的距离完全可以忽略不计。因此，在本发明实施例中，各MLAM参考接收机的可见卫星是相同的。每个MLAM参考接收机接收来自各个可见卫星的卫星数据，卫星数据包括导航卫星的卫星信号、GEO卫星的卫星信号等，MLAM参考接收机根据这些卫星数据计算伪距信息，计算得到的伪距信息包括广域增强系统伪距校正值、局域监测的伪距校正值和监视系统的伪距校正值，并将上述伪距信息发送到处理中心。在本发明实施例中，处理中心可以为MLAM处理中心。

具体地，在步骤101中，根据卫星数据计算伪距信息可以具体为：首先，每个参考接收机根据卫星数据中的同步卫星数据计算广域增强系统伪距校正值。MLAM参考接收机根据接收到的卫星数据中的同步卫星数据，即接收到的GEO卫星信号来计算广域增强系统伪距校正值，此处的广域增强系统伪距校正值为定位卫星的WAAS伪距校正值。具体的计算过程包括：根据WAAS电文类型10中的信息，计算定位卫星的WAAS长期时钟校正值；根据航空无线电技术委员会的标准RTCA DO-229D中提供的方法和给出的模型计算定位卫星的WAAS对流层校正值；根据WAAS电文类型18和26中的信息，计算定位卫星的WAAS电离层校正值；根据WAAS电文类型2-5，7，24中的信息，计算定位卫星的WAAS快速误差校正值，并将WAAS快速误差校正值与WAAS长期时钟校正值、WAAS对流层校正值和WAAS电离层校正值相加得到定位卫星的WAAS伪距校正值PR_w。其次，每个参考接收机根据卫星数据中的导航卫星数据和广域增强系统伪距校正值计算局域监测的伪距校正值。MLAM参考接收机从接收到的卫星数据中提取导航卫星数据，并进一步提取定位卫星的伪距观测值和载波相位观测值，利用载波相位值对伪距观测值进行平滑，得到平滑后的伪距值R_S，再利用该伪距值和定位卫星与参考接收机之间的距离计算得到局域监测的伪距校正值PR_L。再次，每个参考接收机根据广域增强系统伪距校正值和局域监测的伪距校正值计算监视系统的伪距校正值。MLAM参考接收机利用定位卫星的WAAS伪距校正值PR_w对平滑后的伪距值R_S进行校正，得到监视系统的伪距校正值，即WLAM伪距校正值PR_ref。

步骤102，处理中心对每个参考接收机的伪距信息进行检测，根据检测结果获取可用的卫星，计算可用的卫星对应的监视系统的终级伪距校正值，并将监视系统的终级伪距校正值发送给机载客户端。

当各个MALAM参考接收机对接收到的卫星数据进行处理后，将计算得到的伪距信息，包括定位卫星的WAAS伪距校正值PR_w、局域监测的伪距校正值PR_L和WLAM伪距校正值PR_ref以及各个卫星的位置和仰角发送到MALM处理中心。MALM处理中心综合来自各MALAM参考接收机的上述伪距信息，对这些伪距信息进行完好性的综合处理，综合各个MALAM参考接收机产生的伪距校正值，使其进行相互检测。MALM处理中心根据检测结果来验证各和对应的定位卫星的可用性，计算可用的卫星对应的监视系统的终极伪距校正值PR_end，将该监视系统的终极伪距校正值PR_end发送给机载客户端。

具体地，在上述步骤102中，所述处理中心对所述每个参考接收机的所述伪距信息进行检测，根据检测结果获取可用的卫星可以具体包括如下步骤：首先，处理中心利用第一伪距检测方法对监视系统的伪距校正值进行检测，并利用第二伪距检测方法对广域增强系统伪距校正值和局域监测的伪距校正值进行检测。在本实施例中，第一伪距检测方法可以为B值检测方法，第二伪距检测方法可以为D值检测方法。MALM处理中心利用B值检测方法和D值检测方法的双重检测来对来自各个MALAM参考接收机的伪距信息检验，具体采用B值检测方法来检验WLAM伪距校正值PR_ref，采用D值检测方法来检验定位卫星的WAAS伪距校正值PR_w和局域监测的伪距校正值PR_L，检测MALAM参考接收机发生故障的情况，实现对MALAM参考接收机的可用性的检验。其次，处理中心根据第一伪距检测方法的检测结果和第二伪距检测方法的检测结果获取可用的伪距信息。MALM处理中心根据上述检测过程得到的检测结果，来从接收到的伪距信息中获取可用的伪距信息。需要指出的是，本步骤主要用于防止单个参考接收机出现故障时的漏检情况的发生，由于在通常情况下，单个参考接收机存在故障的先验概率为10^-5，则两个参考接收机出现故障的概率为10^-10，可见这种情况是几乎不可能发生的。再次，处理中心根据可用的伪距信息获取可用的卫星。MALM处理中心在B值和D值双重检测的基础上，排除经过检测发现的不可用的伪距信息，利用可用的伪距信息来获取得到对应的定位卫星的可用情况。

具体地，在上述步骤中，所述处理中心根据可用的伪距信息获取可用的卫星可以具体为：处理中心利用可用的伪距信息计算定位卫星的伪距域误差，并将定位卫星的伪距域误差转化为卫星组合的定位误差。MALM处理中心通过上述检测过程，获取到可用的接收机对应的可用的伪距信息。假设待检测的接收机个数为M，定位卫星个数为N，经过双重检测后，判决参考接收机m对应的定位卫星j的伪距信息不可用，则对于定位卫星j来说，其伪距域误差，即伪距校正值为对M-1个参考接收机的平均，而不是M个参考接收机的平均值。MALM处理中心利用转换矩阵将定位卫星的伪距域误差转化为卫星组合的定位误差，使得误差由伪距域转换到了定位域中。完成误差的转换之后，MALM处理中心判断定位误差是否大于定位误差门限值，如果是，则当前的定位卫星为可用的卫星。否则通过轮循去除方法从定位卫星中获取可用的卫星，其中，定位误差门限值为用户根据实际需求预先设定的常数，具体地，通过轮循去除方法从定位卫星中获取可用的卫星可以具体为：MALM处理中心按照预设顺序分别去除一颗卫星，此处所指预设顺序可以为按照卫星的仰角升序排序后的卫星的顺序，分别去除的含义为每次只去除其中一颗卫星，而不是依次去除。即当去除第一颗卫星时，卫星组合中剩余N-1颗，当去除第二颗卫星时，将去除的第一颗卫星再添加到卫星组合中，卫星组合中仍然剩余N-1颗。在卫星组合中分别去除一颗卫星后，分别计算剩余卫星的定位误差，即利用转换矩阵来得到剩余的N-1颗卫星组成的卫星组合的定位误差。MALM处理中心对每次计算得到的卫星组合的定位误差进行判断，当某个卫星组合的定位误差小于预设的定位误差门限值时，则该卫星组合中包含的剩余卫星为可用的卫星，且表明本次去除的卫星存在故障，为不可用卫星。

MALM处理中心获取到可用的卫星之后，计算可用的卫星对应的监视系统的终级伪距校正值PR_end，具体计算方法同WLAM伪距校正值PR_ref的计算类似，并将PR_end发送给机载客户端。

进一步地，本实施例还可以包括：当处理中心判断所有剩余卫星的定位误差大于定位误差门限值时，向机载客户端发送告警信息；机载客户端根据告警信息启用备用系统。MLAM处理中心经过轮询去除方法，分别去除一颗卫星，并计算剩余N-1颗卫星的定位误差均大于定位误差门限值时，则表明当前的N颗定位卫星均不存在故障，且该N颗定位卫星的定位误差不能满足系统对定位精度的要求，则向机载客户端发送告警信息，通知机载用户当前的N颗卫星组成的卫星导航定位系统不可用。机载客户端根据告警信息启用其他的备用系统，如惯性导航系统等。

更进一步地，本实施例还可以包括：处理中心检测剩余卫星的个数，当剩余卫星的个数小于预设最少卫星个数时，向机载客户端发送告警信息；机载客户端根据告警信息启用备用系统。MLAM处理中心在进行轮循去除法去除卫星时，对剩余卫星的个数进行检测，当剩余卫星的个数小于预设的最少卫星个数时，如当前剩余卫星的个数小于4个时，也向机载客户端发送告警信息，通知机载用户当前的N颗卫星组成的卫星导航定位系统不可用。机载客户端根据告警信息启用其他的备用系统。

步骤103，机载客户端根据监视系统的终级伪距校正值和机载用户的伪距值计算机载用户的位置。

机载客户端接收到MLAM处理中心发送的信号之后，同MALAM参考接收机的处理过程类似，机载客户端从导航卫星和GEO卫星中选择定位卫星，接收定位卫星的信号，并提取定位卫星的伪距观测值和载波相位观测值，利用载波相位观测值对伪距观测值进行平滑，得到平滑后的机载用户的伪距值R_s＇。机载客户端根据接收到的监视系统的终级伪距校正值PR_end，对机载用户的伪距值R_s＇进行校正，得到最终的用户伪距值R_use。机载客户端通过最终的用户伪距值R_use，利用最小二乘法来解算机载用户的位置。

本发明实施例提供了一种基于多接收机的局域机场监视方法，通过多个参考接收机接收卫星数据，根据卫星数据计算伪距信息并发送到处理中心，处理中心对多个参考接收机的伪距信息进行综合检测，并将综合后的监视系统的终极伪距校正值发送到机载客户端，机载客户端利用监视系统的终极伪距校正值对机载用户的伪距值进行校正并计算机载用户的位置，提高了系统对故障的监测和判断能力，在保证系统精度的前提下，提高了系统的完好性、可用性和连续性。

图1以及上述步骤描述的过程为本发明实施例的总体流程，以下将通过图2-图4对其中各个子流程的详细实施方式分别进行具体的介绍，其中包括多个参考接收机的工作流程、处理中心的工作流程以及机载客户端的工作流程。图2为本发明基于多接收机的局域机场监视方法实施例中参考接收机的工作流程图，如图2所示，在本发明实施例中，多个MLAM参考接收机中的每个参考接收机通过执行下面的步骤来完成对接收到的卫星数据的处理：

步骤201，各个MLAM参考接收机同时接收来自定位卫星的信号。

用户根据系统所在的地形条件以及系统对精度、完好性等的要求选择一个合适的卫星遮蔽角，进而从可见卫星中选择定位卫星。各个MLAM参考接收机同时接收来自定位卫星的信号，定位卫星包括导航卫星和GEO卫星。

步骤202，各个MLAM参考接收机计算定位卫星与MLAM参考接收机之间的真实距离。

根据卫星数据中的导航电文的星历参数计算该N颗定位卫星的地球中心(Earth-Centered Earth-Fixed；以下简称：ECEF)坐标值。由于每个MLAM参考接收机的精确位置是已知的，将该位置坐标也转化为ECEF坐标值，并利用定位卫星的ECEF坐标值和MLAM参考接收机的ECEF坐标值计算定位卫星与MLAM参考接收机之间的距离R_true。

步骤203，各个MLAM参考接收机获取各自的伪距值。

MLAM参考接收机从接收到的卫星数据中提取定位卫星的伪距观测值R和载波相位观测值φ，探测载波相位观测值中的周跳，并修复载波相位观测值中的周跳，以校正载波相位观测值φ。然后利用Hatch滤波的方法，用载波相位观测值φ对伪距观测值R进行平滑，得平滑后的伪距R_S。其中，Hatch滤波公式如下式(1)所示：

$R_s\left(k\right)=\frac{1}{N_S}R\left(k\right)+\frac{N_s-1}{N_s}(R_s(k-1)+\mathrm{\φ}\left(k\right)-\mathrm{\φ}(k-1))---\left(1\right)$

其中， $N_S=\frac{{\mathrm{\τ}}_S}{T_S},$ τ_S表示滤波时间常数，T_S表示测量间隔，R表示伪距观测值，φ表示载波相位测量，R_S表示平滑后的伪距。

步骤204，各个MLAM参考接收机获取WAAS伪距校正值。

根据WAAS电文类型10中的信息，计算定位卫星的WAAS长期钟差校正值，根据航空无线电技术委员会的标准RTCA DO-229D中提供的方法和给出的模型计算定位卫星的WAAS对流层校正值，根据WAAS电文类型18和26中的信息，计算定位卫星的WAAS电离层校正值。根据WAAS电文类型2-5，7，24中的信息，计算定位卫星的WAAS快速误差校正值，将WAAS快速误差校正值与上述计算得到的定位卫星的WAAS长期钟差校正值、WAAS对流层校正值和WAAS电离层校正值相加得到WAAS伪距校正值PR_w。

步骤205，各个MLAM参考接收机获取局域监测的伪距校正值。

根据上述步骤202计算得到的定位卫星与MLAM参考接收机之间的距离R_true，以及步骤203计算得到的平滑后的伪距值R_S，计算局域监测的伪距校正值PR_L，其计算方法如下式(2)所示：

PR_L＝R_ture-R_S         (2)

步骤206，各个MLAM参考接收机获取MLAM伪距校正值。

利用步骤204计算得到的WAAS伪距校正值PR_w，对平滑后的伪距值R_s进行校正，得到新的伪距值R_ref，具体校正方法如下式(3)所示：

R_ref＝R_s+PR_w          (3)

然后计算利用步骤202计算得到的定位卫星与MLAM参考接收机之间的距离R_true和新的伪距值R_ref，计算MLAM伪距校正值PR_ref，具体计算方法如下式(4)所示：

PR_ref＝R_ture-R_ref      (4)

各个MLAM参考接收机通过上述步骤201-步骤206的各个过程，完成了对来自定位卫星的卫星数据的处理，各个MLAM参考接收机进行上述处理之后，将获取到的相关信息发送到MLAM处理中心，其中包括WAAS伪距校正值PR_w、局域监测的伪距校正值PR_L，MLAM伪距校正值PR_ref以及卫星的位置和仰角发送到MLAM处理中心，MLAM处理中心再对这些信息进行如下所述的处理。本实施例利用了多个MLAM参考接收机，可以对各个参考接收机产生的伪距校正值进行综合，和单接收机的系统相比，有效地保证了对故障的监测，提高了系统的可靠性。

图3为本发明基于多接收机的局域机场监视方法实施例中处理中心的工作流程图，如图3所示，在本发明实施例中，处理中心通过执行下面的步骤来完成对来自多个参考接收机伪距信息进行处理：

步骤301，MLAM处理中心对来自各个参考接收机信息进行综合。

MLAM接收多个MLAM参考接收机发送的相关信息，包括伪距信息和卫星信息，其中，伪距信息包括WAAS伪距校正值PR_w、局域监测的伪距校正值PR_L和MLAM伪距校正值PR_ref，卫星信息包括卫星的位置和仰角。MLAM处理中心将接收到的数据进行综合、汇总、和分类，以方便后续步骤的计算。

步骤302，MLAM处理中心对MLAM伪距校正值PR_ref进行B值检测。

MLAM处理中心利用B值检测方法和D值检测方法分别对接收到的MLAM伪距校正值PR_ref和WAAS伪距校正值PR_w、局域监测的伪距校正值PR_L进行检测，以此来实现对接收机故障的检测。本步骤主要对B值检测方法进行说明，先设定B值门限值

B值门限值

采用如下式(5)所示的计算方法来获得：

${B0}_m^j=\frac{5.6\×(\sqrt{\frac{{(0.16+1.07\×e^{{-\mathrm{\θ}}_m^j/15.5})}^2}{M}}+{0.08}^2)}{\sqrt{M-1}}---\left(5\right)$

其中，j为卫星编号，

为第m个接收机与第j颗卫星之间的仰角，单位为弧度。B值采用如下式(6)所示的计算方法来获得，即令参考接收机m有故障，则对包括此参考接收机的伪距误差平均值与不包括此参考接收机的伪距误差平均值取差，便可以得到参考接收机m的故障影响对应的偏差量：

$B_m^j=\frac{1}{M}({\mathrm{PR}}_{\mathrm{ref},m}^j-\frac{1}{M-1}\underset{i\≠m}{\overset{M}{\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}}}{\mathrm{PR}}_{\mathrm{ref},i}^j)---\left(6\right)$

式中，i为参考接收机编号，j为卫星编号。将计算所得到的B值与B值门限值进行比较，如果B值大于B值门限值，则MLAM处理中心将检测结果判决为Y，否则判决为N。

步骤303，MLAM处理中心对WAAS伪距校正值PR_w和局域监测的伪距校正值PR_L进行D值检测。

步骤302中的B值是对MLAM伪距校正值PR_ref的一个校验，本步骤中的D值为对局域监测的伪距校正值PR_L和WAAS伪距校正值PR_w的校验。类似地，先计算D值门限值

D值门限值采用如下式(7)所示的计算方法来获得：

${D0}_m^j={\mathrm{\Φ}}^{-1}(P_C/2M)\sqrt{\frac{12.5}{M(M-1)}}---\left(7\right)$

式中，j为卫星编号，P_C为系统的整体连续性需求，

为标准正态分布函数的反函数。D值采用如下式(8)所示的计算方法来获得，D值的表达式为：

$D_m^j=\frac{1}{M+1}({\mathrm{PR}}_{L,m}^j-\frac{1}{M}\underset{i\≠m}{\overset{M}{\underset{i=0}{\mathrm{\Σ}}}}{\mathrm{PR}}_{L,i}^j)---\left(8\right)$

式中，i为参考接收机编号，j为卫星编号， ${\mathrm{PR}}_{L,0}^j={\mathrm{PR}}_w^j,$ 即每个MLAM参考接收机对应的WAAS伪距校正值PR_w均相同。将计算所得到的D值与D值门限值进行比较，如果D值大于D值门限值，则MLAM处理中心将检测结果判决为Y，否则判决为N。

步骤304，MLAM处理中心根据检测结果获取可用的伪距信息。

MLAM处理中心根据双重检测的检测结果进行判决，只要步骤303和步骤304的输出有一个是Y，就判决该参考接收机m对应的卫星j的伪距信息(包括PR_w、PR_L和PR_ref)不可用。然后，计算通过以上检测的参考接收机所对应的广域增强系统伪距校正值，对于任一颗具体的卫星j，其伪距校正值可以通过如下式(9)所示的计算公式计算得到：

${\mathrm{PR}}_j=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PR}}_{\mathrm{ref},i}---\left(9\right)$

其中，N为可用的参考接收机个数。

步骤305，MLAM处理中心将伪距域误差转化为定位误差。

为获得更高的监测效率，MLAM处理中心利用定位卫星子集的转换矩阵S将伪距域误差转化为定位误差，转换矩阵S的具体计算方法如下式(10)所示：

S＝(H^TW^-1H)^-1H^TW^-1        (10)

其中，H表示定位卫星的几何矩阵，由卫星位置和接收机位置决定，W为权值，它是由定位卫星的参考接收机标准差组成的一个对角矩阵。关于这两个参数的详细计算公式可以参考航空无线电技术委员会的标准RTCADO-245A)，其中接收机标准差的计算方法可以采用如下式(11)所示的公式：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{gnd}}\left({\mathrm{\θ}}^j\right)=\sqrt{\frac{{(a_0+a_1{e}^{{-\mathrm{\θ}}^j/{\mathrm{\θ}}_0})}^2}{M}}+a_2^2+{\left(\frac{a_3}{\sin \left({\mathrm{\θ}}^j\right)}\right)}^2---\left(11\right)$

其中，a₀、a₁、α₂、a₃、θ₀可按照参考接收机的性能事先给定，具体可以参考航空无线电技术委员会的标准RTCA DO-245A，θ^j为卫星仰角。采用如下式(12)所示的公式计算定位误差门限值T：

T＝K_mtσ_MLAM            (12)

式中，K_mt＝Φ^-1(P_C/100)， ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MLAM}}=\sqrt{{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MWAAS}}}}^2+{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mon}}}}^2},$

和

为所有可见卫星的σ_MWAAS和σ_mon的平均值，σ_MWAAS和σ_mon的具体参数设置可以参考航空无线电技术委员会的标准RTCA DO-229D。需要说明的是，σ_MWAAS和σ_mon是卫星仰角的函数，由于参考接收机相距很近，针对某一颗卫星，可以认为各站的仰角相同。然后计算定位误差E，此处采用把伪距域误差转化到定位域误差方法来计算，具体方法如下式(13)所示：

$E\′=S\·{\widetilde{\mathrm{PR}}}_j---\left(13\right)$

其中，

是由所有定位卫星的PR_j组成的矩阵，E＇是一个1×4的矩阵，定位误差E为矩阵E＇的前三个元素的平方和的开根值。

步骤306，MLAM处理中心判断定位误差是否大于定位误差门限值，如果是，则执行步骤307，否则执行步骤308。

步骤307，MLAM处理中心获取可用的卫星。

上述B值和D值检测主要是检测参考接收机的故障，本步骤用来检测卫星的故障。根据目前可查到的文献资料可知，单个卫星故障的概率为4.8×10^-7，两颗卫星同时故障的概率为10^-15，可见两颗卫星同时出现故障的概率是很小的，因此在本实施例中不予考虑。本步骤对卫星故障的检测通过下述的具体步骤来完成：首先，将步骤304检测之后的定位卫星按照卫星的仰角进行升序排序，并按照排序的顺序对定位卫星进行编号，如定位卫星1、定位卫星2...定位卫星Q。设定一个参数k，并给其赋值为0，k的取值范围为0～Q。其次，经过判断，当前卫星组合的定位误差大于定位误差门限值时，在卫星组合中添上定位卫星k，去掉定位卫星k+1。需要指出的是，本实施例中规定：“添上定位卫星0”表示不添加卫星。再次，执行语句k＝k+1，并判断k是否等于Q+1，如果是，则给机载客户端发送告警信息，通知机载用户目前的卫星导航定位系统不可用，此时机载用户可以启用其他备用系统，如惯性导航系统等。如果k小于Q+1，则返回执行步骤305，重新计算新的卫星组合的定位误差。

步骤308，MLAM处理中心向机载客户端发送监测系统的终极伪距校正值PR_end和其标准偏差。

MLAM处理中心向机载客户端发送监测系统的终极伪距校正值PR_end和其标准偏差。此处的伪距校正值计算方法同步骤304中公式(9)所示的计算方法，其中j为通过以上判决的任一定位卫星，此处的标准偏差的计算方法同步骤305中的公式(11)所示的计算方法类似。

MLAM处理中心经过上述步骤301～308对来自各MLAM参考接收机的伪距信息进行综合处理之后，完成对各个参考接收机和各定位卫星的故障检测，并排除出现故障的参考接收机和定位卫星对应的伪距信息，将处理之后得到的伪距校正值发送给机载客户端进行如下的后续处理。本实施例在现有技术的基础上，提出了D值检测法，并将其与B值检测法并行使用，减小了系统的漏检率。同时，本实施例利用定位误差判决法进行定位域的监测，和传统的仅在伪距域检测的方法相比，提高了监测效率，改善了系统的可用性。另外，本实施例利用了MLAM处理中心，和单接收机且无处理中心的系统相比，大大减轻了机载用户的计算负担。

图4为本发明基于多接收机的局域机场监视方法实施例中机载客户端的工作流程图，如图4所示，在本发明实施例中，机载客户端通过执行下面的步骤来完成机载用户位置的解算：

步骤401，机载客户端接收MLAM处理中心发送的信号。

当MLAM处理中心对来自各接收机的伪距信息进行处理时，根据处理结果的不同向机载客户端发送不同的信号。如果机载客户端接收到的信号为MLAM处理中心发送的告警信息，则机载用户启用备用系统，如惯性导航系统等。如果机载客户端接收到的信号为MLAM处理中心发送的数据信息，则机载客户端执行接收导航卫星信号的步骤。

步骤402，机载客户端接收定位卫星的信号。

机载用户根据其所在的地形条件以及系统对精度、完好性等的要求选择一个合适的卫星遮蔽角，进而从可见卫星中选择定位卫星。如果某一颗卫星对于位于地面系统的各参考接收机不可见，但是机载系统可见，则将其从定位卫星组合中去掉。需要说明的是，在飞机进近的过程中，机载系统和地面系统的距离很近，而其所处的位置比地面系统高，所以地面系统可见的卫星在机载系统中一般也都可见。因此，对于某一颗卫星，机载系统不可见而地面系统可见的概率很小，在本发明中把这种小概率事件忽略不计。

机载客户端接收定位卫星的信号，从接收到的信号中提取定位卫星的伪距观测值和载波相位观测值。探测载波相位观测值中的周跳，修复载波相位观测值中的周跳。并利用如公式(1)所示的Hatch滤波方法，利用载波相位观测值对伪距观测值进行平滑，得平滑后的机载用户的伪距R_s。

步骤403，机载客户端计算最终的用户伪距值。

机载客户端利用处理中心发送的伪距校正值PR_end，对步骤402计算得到的机载用户的伪距R_s进行校正，得到最终的用户伪距值R_user，即采用如下公式(14)获得：

R_userl＝R_s+PR_end      (14)

步骤404，机载客户端解算机载用户位置。

机载客户端利用最终的用户伪距值R_user解算机载用户位置，并求其保护级。用户位置的解算用传统的最小二乘法，此处不再赘述。用户的保护级计算参考航空无线电技术委员会的标准RTCA DO-245A，其中的参数σ_gnd为根据公式(11)所计算得到的值。

本实施例提供了一种基于多接收机的局域机场监视方法，通过多个参考接收机接收卫星数据，根据卫星数据计算伪距信息并发送到处理中心，处理中心对多个参考接收机的伪距信息进行综合检测，并将综合后的监视系统的终极伪距校正值发送到机载客户端，机载客户端利用监视系统的终极伪距校正值对机载用户的伪距值进行校正并计算机载用户的位置，提高了系统对故障的监测和判断能力，在保证系统精度的前提下，提高了系统的完好性、可用性和连续性。本实施例提出了将连续性融入误差门限的方法，从而在MLAM处理中心进行计算时便考虑连续性。本实施例在对伪距校正值的校正时就考虑了系统的连续性需求，与传统方法的在最后才进行评估相比，该方法可以在出现问题时进行提前调整。本实施例对机载用户的接收机的要求较低，其可以不具备接收WAAS信号的功能，从而为用户降低了成本。

图5为本发明基于多接收机的局域机场监视系统实施例的结构图，如图5所示，本实施例提供了一种基于多接收机的局域机场监视系统，该基于多接收机的局域机场监视系统包括多个参考接收机1、处理中心2和机载客户端3。其中，参考接收机1用于接收卫星数据，根据所述卫星数据计算伪距信息，所述伪距信息包括广域增强系统伪距校正值、局域监测的伪距校正值和监视系统的伪距校正值，并将所述伪距信息发送到处理中心2。处理中心2用于对每个参考接收机1的所述伪距信息进行检测，根据检测结果获取可用的卫星，计算所述可用的卫星对应的监视系统的终级伪距校正值，并将所述监视系统的终级伪距校正值发送给机载客户端3。机载客户端3用于根据所述监视系统的终级伪距校正值和机载用户的伪距值计算机载用户的位置。

图6为本发明基于多接收机的局域机场监视系统的整体框架图，如图6所示，每个参考接收机1接收来自各自卫星的卫星数据，其中包括导航卫星4和GEO卫星5。根据监视系统所在的地形条件以及系统对精度、完好度等的性能要求选择一个合适的卫星遮蔽角，根据该卫星遮蔽角从各个参考接收机1的可见卫星中选择N颗定位卫星。参考接收机1根据接收到的卫星数据计算伪距信息，计算得到的伪距信息包括广域增强系统伪距校正值、局域监测的伪距校正值和监视系统的伪距校正值，并将上述伪距信息发送到处理中心2。处理中心2综合来自各参考接收机1的上述伪距信息，对这些伪距信息进行完好性的综合处理，综合各个参考接收机1产生的伪距校正值，使其进行相互检测。处理中心2根据检测结果来验证各和对应的定位卫星的可用性，计算可用的卫星对应的监视系统的终极伪距校正值PR_end，将该监视系统的终极伪距校正值PR_end发送给机载客户端3。

机载客户端3接收到处理中心2发送的信号之后，同参考接收机1的处理过程类似，机载客户端3从导航卫星4和GEO卫星5中选择定位卫星，提取定位卫星的伪距观测值和载波相位观测值，利用载波相位观测值对伪距观测值进行平滑，得到平滑后的机载用户的伪距值R_s＇。机载客户端3根据接收到的监视系统的终级伪距校正值PR_end，对机载用户的伪距值R_s＇进行校正，得到最终的用户伪距值R_use。机载客户端3通过最终的用户伪距值R_use，利用最小二乘法来解算机载用户的位置。

本发明实施例提供了一种基于多接收机的局域机场监视系统，通过设置多个参考接收机、处理中心和机载客户端，提高了系统对故障的监测和判断能力，在保证系统精度的前提下，提高了系统的完好性、可用性和连续性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所机载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于多接收机的局域机场监视方法，其特征在于，包括：

每个参考接收机接收卫星数据，根据所述卫星数据计算伪距信息，所述伪距信息包括广域增强系统伪距校正值、局域监测的伪距校正值和监视系统的伪距校正值，并将所述伪距信息发送到处理中心；

所述处理中心对所述每个参考接收机的所述伪距信息进行检测，根据检测结果获取可用的卫星，计算所述可用的卫星对应的监视系统的终级伪距校正值，并将所述监视系统的终级伪距校正值发送给机载客户端；

所述机载客户端根据所述监视系统的终级伪距校正值和机载用户的伪距值计算机载用户的位置。

2.根据权利要求1所述的基于多接收机的局域机场监视方法，其特征在于，所述根据所述卫星数据计算伪距信息具体为：

所述每个参考接收机根据所述卫星数据中的同步卫星数据计算所述广域增强系统伪距校正值；

所述每个参考接收机根据所述卫星数据中的导航卫星数据和所述广域增强系统伪距校正值计算所述局域监测的伪距校正值；

所述每个参考接收机根据所述广域增强系统伪距校正值和所述局域监测的伪距校正值计算所述监视系统的伪距校正值。

3.根据权利要求1所述的基于多接收机的局域机场监视方法，其特征在于，所述处理中心对所述每个参考接收机的所述伪距信息进行检测，根据检测结果获取可用的卫星具体为：

所述处理中心利用第一伪距检测方法对所述监视系统的伪距校正值进行检测，并利用第二伪距检测方法对所述广域增强系统伪距校正值和所述局域监测的伪距校正值进行检测；

所述处理中心根据所述第一伪距检测方法的检测结果和所述第二伪距检测方法的检测结果获取可用的伪距信息；

所述处理中心根据所述可用的伪距信息获取可用的卫星。

4.根据权利要求3所述的基于多接收机的局域机场监视方法，其特征在于，所述处理中心根据所述可用的伪距信息获取可用的卫星具体为：

所述处理中心利用所述可用的伪距信息计算定位卫星的伪距域误差，并将所述定位卫星的伪距域误差转化为卫星组合的定位误差；

所述处理中心判断当所述定位误差小于定位误差门限值时，所述定位卫星为可用的卫星；

所述处理中心判断当所述定位误差大于定位误差门限值时，通过轮循去除方法从所述定位卫星中获取可用的卫星。

5.根据权利要求4所述的基于多接收机的局域机场监视方法，其特征在于，所述将所述定位卫星的伪距域误差转化为卫星组合的定位误差具体为：所述处理中心利用转换矩阵将所述定位卫星的伪距域误差转化为所述卫星组合的定位误差。

6.根据权利要求4所述的基于多接收机的局域机场监视方法，其特征在于，所述通过轮循去除方法从所述定位卫星中获取可用的卫星具体为：

所述处理中心按照预设顺序分别去除一颗卫星，并分别计算剩余卫星的定位误差，获取定位误差小于所述定位误差门限值的所述剩余卫星为所述可用的卫星。

7.根据权利要求6所述的基于多接收机的局域机场监视方法，其特征在于，还包括：

当所述处理中心判断所有所述剩余卫星的定位误差大于所述定位误差门限值时，向所述机载客户端发送告警信息；

所述机载客户端根据所述告警信息启用备用系统。

8.根据权利要求6所述的基于多接收机的局域机场监视方法，其特征在于，还包括：

所述处理中心检测所述剩余卫星的个数，当所述剩余卫星的个数小于预设最少卫星个数时，向所述机载客户端发送告警信息；

所述机载客户端根据所述告警信息启用备用系统。

9.一种基于多接收机的局域机场监视系统，其特征在于，包括多个参考接收机、处理中心和机载客户端，所述参考接收机用于接收卫星数据，根据所述卫星数据计算伪距信息，所述伪距信息包括广域增强系统伪距校正值、局域监测的伪距校正值和监视系统的伪距校正值，并将所述伪距信息发送到处理中心；

所述处理中心用于对所述参考接收机的所述伪距信息进行检测，根据检测结果获取可用的卫星，计算所述可用的卫星对应的监视系统的终级伪距校正值，并将所述监视系统的终级伪距校正值发送给机载客户端；

所述机载客户端用于根据所述监视系统的终级伪距校正值和机载用户的伪距值计算机载用户的位置。

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