CN102176031A - 双模导航系统中基于系统时差接收机完好性故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双模导航系统中的基于系统时差的接收机完好性故障检测方法，技术特征在于：利用双模GPS/Galileo导航系统中的系统时差的变化特性，将其作为接收机完好性故障检测的依据。本发明给出的方法与现有方法本质上有所不同，其故障检测不是建立在导航系统的冗余观测量一致性检验上的，因此双模GPS/Galileo导航系统中只需5颗可见星即可进行故障检测，比现有方法节省了一颗可见星。是一种新的用于双模GPS/Galileo导航系统中的接收机完好性故障检测方法，解决了现有完好性故障检测方法对可见星个数的要求，尤其适用于城市等遮挡程度严重的环境中。

Description

双模导航系统中基于系统时差接收机完好性故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种双模导航系统中基于系统时差接收机完好性故障检测方法，用于双模GPS/Galileo导航系统中的基于系统时差的接收机完好性故障检测。

背景技术

多模导航技术是指把两种或两种以上的同种类型导航系统以适当的方式组合在一起，利用其性能上的互补特性，以获得比单独使用任何一系统时更高的导航性能。随着Galileo和COMPASS导航系统的发展，多模卫星导航成为未来主要的导航方式。多模卫星导航不仅能为用户提供更高的定位准确度，还能提供更多的冗余观测量。

联邦无线导航计划把导航系统的完好性检测定义为系统不能用于导航时及时向用户发出告警的能力。GPS作为一种导航系统除了要提供导航服务外，还必须具有在系统不能使用时及时向用户发出告警的能力，这种能力叫做系统的完好性。完好性是衡量导航系统性能的一个重要指标。GPS导航系统的完好性监测主要分两类，一类借助差分GPS网络实现，利用差分GPS的地面监测站网计算观测到的每颗卫星的测量值中的误差，当误差大于一定值时，地面监测站通过无线电数据传输链通知用户，用户根据接收到的卫星的完好性信息，排除故障卫星，只用状态好的卫星进行导航。另一类为接收机完好性自主监测，用户只利用接收机输出的冗余伪距观测量即可完成完好性监测，基本思想是通过对观测数据的一致性检验来实现故障检测和故障识别。有一个冗余的观测量可用就可以检测出故障观测量，两个冗余观测量可用就可以分离出含有故障的观测量。

为了提高接收机完好性自主监测算法的响应时间及星座几何布局的限制，常采用一些辅助信息如惯性导航参数、气压高度表、接收机钟差等信息，这样可以有效地降低算法对可见星个数的要求，提高算法的可用性。

每个导航系统都有其独立的系统时间，系统时间一般是由地面站及星载原子钟共同产生的，因此不同导航系统间的系统时差变化相对稳定，可以选用适当的模型对其进行预测。根据系统时差的变化特性，在可见星个数较少的多遮挡环境中，可以利用系统时差的预测值实现定位。再者可以根据系统时差的变化规律进行多模卫星导航系统中的接收机的完好性自主监测方法的研究。具体地说，可以充分利用定位解算得到的不同导航系统间存在的系统时差，将其作为一个辅助信息引入到接收机完好性自主监测算法中。

目前现有的多模卫星导航系统的接收机完好性故障检测方法要求系统必须具有冗余的观测量，并且算法只利用了当前时刻的伪距观测量。利用现有的完好性故障检测算法，双模卫星导航系统中至少需要6颗可见星才能进行完好性故障检测，多一个导航系统，所需的可见星个数也相应增加一个。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种双模导航系统中基于系统时差接收机完好性故障检测方法，解决现有多模卫星导航系统中接收机完好性自主监测算法对卫星可见个数的要求。

本发明的思想在于：根据GPS、Galileo导航系统间系统时差的变化规律，将系统时差作为判断两系统完好性的依据。双模GPS/Galileo导航系统中只需5颗可见星就能检测故障，解决了故障检测对用户数量的要求，此方法简单易行，是一种新的用于多模卫星导航系统的接收机完好性故障检测方法，适用于遮挡程度严重的城市环境中。

技术方案

一种双模导航系统中基于系统时差接收机完好性故障检测方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：利用伪距观测方程解算k，个时刻T₁，T₂，…，T_k的系统时差值δT₁，δT₂…，δT_k：

其中k≥2，i＝1～k，和

分别表示T_i时刻矩阵

的第四行和第五行，z_i是T_i时刻已知的伪距观测量；H_i是T_i时刻的方向矩阵，T_i时刻矩阵的前三列对应用户与GPS/Galileo系统中N颗可视卫星之间的方向矢量，第四列对应接收机时钟与GPS系统时间的钟差，第五列对应接收机时钟与Galileo系统时间的钟差，若当前卫星属于该导航系统，则相应列的元素为1，否则为0；

步骤2：利用k个时刻的系统时差值预测得到T(T＞T_k)时刻的系统时差值：

${\mathrm{\δT}}_{\mathrm{pre}}=\frac{\underset{i,j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δT}}_i\·T_j^2-\underset{i,j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\δT}}_i\·T_i)\·T_j+\mathrm{kT}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\δT}}_i\·T_i)-T\underset{i,j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δT}}_i\·T_j}{k\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\right)}^2}$

预测误差的标准差为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pre}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{UERE}}\·\mathrm{TDOP}}{\sqrt{k-2}}$

其中TDOP为T时刻的时间精度因子，H_t为T时刻的方向矩阵，记

则

σ_UERE为已知的伪距观测误差方差，k值k≥2；

步骤3：根据伪距观测方程和T时刻GPS/Galileo导航系统的伪距观测量z_t，得到T时刻的系统时差解算值：

$\mathrm{\δ}{T}_{\mathrm{sol}}=(G_{4,:}^t-G_{5,:}^t)z_t$

其中，

按步骤1中的方式由T时刻的方向矩阵H_t计算得到；

解算误差的标准差σ_sol为：

σ_sol＝σ_UERE·TDOP

其中TDOP取步骤2中的值；

步骤4：计算T时刻系统时差预测值δT_pre与系统时差解算值δT_sol的差值的绝对值|δT_pre-δT_sol|；

步骤5：计算T时刻的故障检测门限值δT_thres为：

$\mathrm{\δ}{T}_{\mathrm{thres}}=3\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pre}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sol}}^2}$

步骤6：比较|δT_pre-δT_sol|与故障检测门限值δT_thres的大小，若|δT_pre-δT_sol|＞δT_thres，则表明双模GPS/Galileo导航系统中在T时刻存在异常，反之说明系统在T时刻无异常。

有益效果

本发明提出的双模导航系统中基于系统时差接收机完好性故障检测方法，利用多模卫星导航系统中的系统时差的变化特性，将当前时刻的系统时差的预测值与系统时差的解算值的差值作为判断当前时刻系统有无故障的依据。这是一种新的完好性故障检测方法，该方法最大的特点是不要求导航系统具有冗余观测量，并且充分利用了系统时差的历史信息，降低了对用户对可见星个数的要求，双模GPS/Galileo系统中只需5颗可见星即可实现故障检测。因此尤其适用于城市等多遮挡环境中。

附图说明

图1：双模导航系统中基于系统时差的接收机完好性故障检测示意图

图2：双模导航系统中基于系统时差的故障检测的流程图

图3：双模导航系统中偏移量随基于系统时差的接收机完好性故障检测概率的变化曲线

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例的完好性故障检测方法的实现包括系统时差变化规律的建模、系统时差的解算、故障检测门限值的确定三部分。

采用2005年3月17日一天的IGS精密星历提供的卫星位置内插得到GPS卫星每10秒钟的位置。根据表1中给出的Galileo导航系统的轨道参数，仿真出一天内Galileo导航系统中的卫星位置。

表1Galileo导航系统的轨道参数

设用户双模接收机放置在乌鲁木齐站点，仿真得到10°仰角下接收机观测到的GPS和Galileo导航系统中的可见星，计算乌鲁木齐站点与可见星的距离，然后加上噪声水平为3米的服从正态分布的观测噪声。为了模拟接收机钟差对伪距观测值的影响，GPS卫星对应计算得到的距离值加上一个100ns的接收机钟差，Galileo卫星对应计算得到的距离值加上服从线性变化的接收机钟差，其中常数项为35ns，一次项为70ns。这样就可以模拟得到一天内双模GPS/Galileo导航系统的伪距观测数据，每10秒一组数据。以模拟得到的伪距观测数据为例实施本方法：

步骤1：利用模拟得到的伪距观测值和双模GPS/Galileo导航系统的定位方程解算60个时刻的系统时差值，

${\mathrm{\δT}}_i=(G_{4,:}^i-G_{5,:}^i)z_i$ i＝1～60

其中

分别表示T_i时刻矩阵的第四行和第五行，z_i模拟得到的T_i时刻的伪距观测量；H_i是T_i时刻的方向矩阵，前三列对应用户与GPS/Galileo系统中可视卫星之间的方向矢量，第四列对应接收机时钟与GPS系统时间的钟差，第五列对应接收机时钟与Galileo系统时间的钟差，若当前卫星属于该导航系统，则相应列的元素为1，否则为0。

步骤2：利用这60个时刻的系统时差值预测当前时刻T的系统时差值：

${\mathrm{\δT}}_{\mathrm{pre}}=\frac{\underset{i,j=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δT}}_i\·T_j^2-\underset{i,j=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\δT}}_i\·T_i)\·T_j+60\·T\underset{i=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\δT}}_i\·T_i)-T\underset{i,j=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δT}}_i\·T_j}{60\·\underset{i=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\right)}^2}$

预测误差的标准差为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pre}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{UERE}}\·\mathrm{TDOP}}{\sqrt{k-2}}$

其中TDOP为当前时刻T的时间精度因子，H_t为当前时刻T的方向矩阵；本实例中σ_UERE＝3米，k＝60。

步骤3：利用模拟得到的当前时刻T的GPS/Galileo导航系统的伪距观测量z_t，解算该时刻的系统时差解算值：

${\mathrm{\δT}}_{\mathrm{sol}}=(G_{4,:}^t-G_{5,:}^t)z_t$

其中，

按步骤1中的方式由当前时刻T的方向矩阵H_t计算得到。解算误差的标准差σ_sol为：

σ_sol＝σ_UERE·TDOP

其中TDOP取步骤2中的值，σ_UERE＝3米。

步骤4：计算当前时刻T系统时差预测值δT_pre与系统时差解算值δT_sol的差值的绝对值|δT_pre-δT_sol|；

步骤5：计算T时刻的故障检测门限值δT_thres：

${\mathrm{\δT}}_{\mathrm{thres}}=3\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pre}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sol}}^2}$

步骤6：比较|δT_pre-δT_sol|与故障检测门限值δT_thres，有|δT_pre-δT_sol|＜δT_thres成立，因此双模GPS/Galileo导航系统中在当前时刻T不存在异常。

步骤7：对模拟得到的当前时刻T的一颗或几颗卫星的伪距观测值的加入伪距偏移量，再执行步骤3、4、5、6，计算得到的|δT_pre-δT_sol|的值大于δT_thres，这验证了双模GPS/Galileo导航系统中在当前时刻T存在异常。

由以上实施例可以看出，本发明的主要特点充分利用了系统时差的变化特点和历史时刻的系统时差值，得到了当前时刻的系统时差预测值这一重要信息，以此作为接收机完好性故障检测的判断依据。需要注意的是历史时刻的系统时差值需是在导航系统完好时解算得到的。另外，该方法在本质与现有的接收机完好性故障检测方法有所不同，这是因为该方法不是建立在伪距观测量的一致性检验基础上，只要导航系统中的可见星个数能满足定位解算即可，得到的系统时差的预测值这一重要信息替代了冗余可见星含有的信息。

在多模卫星导航系统中，系统时差一直被看作是一个负担，因为用户多使用一个导航系统就意味着定位解算时所需的可见星个数也要相应增加一个。本发明充分利用了多模卫星导航系统中的系统时差值，将其用于多模卫星导航系统中的接收机完好性故障检测，是一种新的完好性故障检测方法。解决了现有接收机完好性故障检测方法对可见星个数的限制，尤其适用于遮挡严重的城市环境中。

Claims (1)

1.一种双模导航系统中基于系统时差接收机完好性故障检测方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：利用伪距观测方程解算k，个时刻T₁，T₂，…，T_k的系统时差值δT₁，δT₂…，δT_k：

其中k≥2，i＝1～k，

和

分别表示T_i时刻矩阵

的第四行和第五行，z_i是T_i时刻已知的伪距观测量；H_i是T_i时刻的方向矩阵，T_i时刻矩阵的前三列对应用户与GPS/Galileo系统中N颗可视卫星之间的方向矢量，第四列对应接收机时钟与GPS系统时间的钟差，第五列对应接收机时钟与Galileo系统时间的钟差，若当前卫星属于该导航系统，则相应列的元素为1，否则为0；

步骤2：利用k个时刻的系统时差值预测得到T(T＞T_k)时刻的系统时差值：

${\mathrm{\δT}}_{\mathrm{pre}}=\frac{\underset{i,j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δT}}_i\·T_j^2-\underset{i,j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\δT}}_i\·T_i)\·T_j+\mathrm{kT}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\δT}}_i\·T_i)-T\underset{i,j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δT}}_i\·T_j}{k\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\right)}^2}$

预测误差的标准差为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pre}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{UERE}}\·\mathrm{TDOP}}{\sqrt{k-2}}$

其中TDOP为T时刻的时间精度因子，H_t为T时刻的方向矩阵，记

则σ_UERE为已知的伪距观测误差方差，k值k≥2；

步骤3：根据伪距观测方程和T时刻GPS/Galileo导航系统的伪距观测量z_t，得到T时刻的系统时差解算值：

$\mathrm{\δ}{T}_{\mathrm{sol}}=(G_{4,:}^t-G_{5,:}^t)z_t$

其中，

按步骤1中的方式由T时刻的方向矩阵H_t计算得到；

解算误差的标准差σ_sol为：

σ_sol＝σ_UERE·TDOP

其中TDOP取步骤2中的值；

步骤4：计算T时刻系统时差预测值δT_pre与系统时差解算值δT_sol的差值的绝对值|δT_pre-δT_sol|；

步骤5：计算T时刻的故障检测门限值δT_thres为：

${\mathrm{\δT}}_{\mathrm{thres}}=3\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pre}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sol}}^2}$

步骤6：比较|δT_pre-δT_sol|与故障检测门限值δT_thres的大小，若|δT_pre-δT_sol|＞δT_thres，则表明双模GPS/Galileo导航系统中在T时刻存在异常，反之说明系统在T时刻无异常。

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