CN104297557A - 一种适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法，所述方法适用于多飞行器自由飞行场景，各飞行器间通过航空无线通信网实现导航完好性信息的播发与接收，利用各飞行器的导航观测信息建立联合导航故障统计检测模型的思想来解决复杂飞行环境下飞行器自主导航完好性监测的技术难题。相比传统方法，该方法可提高卫星导航故障的检测灵敏度，并能实现对多故障的级联检测，可在卫星导航系统性能受限的情况下，确保机载导航自主完好性；该方法可适用于复杂条件下多飞行器自由飞行场景。

Description

一种适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法

技术领域

本发明涉及航空导航自主完好性监测领域，具体涉及一种适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法。

背景技术

近年以来，航空导航对完好性监测的需求日益增强。机载系统不仅要接收导航观测量，同时还需要鉴别所接收到的导航观测量是否能满足高安全性的定位需求。传统的导航自主完好性监测方法能够满足民用航空在航路和终端区非精密进近的完好性要求，但是对于自由飞行的飞行器(如通用航空器)而言，在山岭、峡谷、高原及都市等复杂环境下，由于导航信号的遮挡，导航卫星的可见性下降、观测误差增大，这些都将极大程度地影响机载终端的自主完好性监测性能，进而无法确保导航完好性。为了解决上述问题，提高自主完好性监测的灵敏度，使其能够在导航系统性能受限条件下确保导航完好性，成为一个亟待突破的技术难题。

故障检测和隔离是导航自主完好性监测的核心，故障检测的关键在于统计检测量的设定和检测门限的计算。传统的卫星导航自主完好性监测方法(RAIM)通过建立导航量测量估计误差的统计检测模型来实现对卫星故障的检测，该方法的性能主要由卫星的几何分布特性和可见卫星个数来决定，因此在卫星导航系统受限情况下其检测性能将受到较大影响；此外，由于缺少较完备的导航误差先验信息，传统的RAIM方法无法满足高级别的导航完好性要求。虽然研究人员先后提出星基增强系统(SBAS)和地基增强系统(GBAS)以增强完好性，但这两种完好性增强方法都需要部署地面站，无法应用于一些空域、地域较复杂环境下的飞行场景。因此，设计并实现高灵敏度、自主、灵活的空基导航自主完好性监测方法是本领域研究人员致力解决的难点之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出一种适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法，利用各飞行器的导航观测信息建立联合导航故障统计检测模型的思想来解决复杂飞行环境下飞行器自主导航完好性监测的技术难题，提高了导航故障的检测灵敏度，有效保障了导航完好性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法，所述方法适用于多飞行器自由飞行场景，各飞行器间通过航空无线通信网实现导航完好性信息的播发与接收，其特征在于能够在导航系统性能受限情况下提高导航故障的检测灵敏度，确保机载导航自主完好性的性能要求。所述方法包括如下步骤：

步骤A、每架飞行器根据机载导航设备计算其视野范围内的可见卫星，并根据所获得的导航观测量，建立导航解算方程；

步骤B、每架飞行器根据所建立导航解算方程和预估计的伪距观测量误差，计算导航位置残差；

步骤C、每架飞行器根据所计算得到的导航位置残差，建立统计检测量，该统计检测量服从卡方分布；

步骤D、选择其中一架飞行器作为主控端，各飞行器将统计检测量由航空通信网络播发至该主控端；

步骤E、主控端根据各飞行器的播发结果，建立最终的联合统计检测量，并根据预设定的虚警概率确定检测门限；

步骤F、主控端将最终的统计检测量和检测门限进行比较，以判断是否有故障发生；

步骤G、若检测到故障，则主控端向各飞行器播发告警信息；若没有检测到故障，直接执行步骤J；

步骤H、对故障卫星进行隔离，向各飞行器播发；

步骤I、计算所有可见卫星的最小检测偏差，以及最小检测偏差引起的定位误差；计算故障隔离卫星与其它剩余卫星的可区分度；

步骤J、找到最小检测偏差引起定位误差最大的卫星和可区分度最大的卫星，将其列为危险卫星；并对于剩余的可见卫星进行第二次检测；

步骤K、重复步骤F到步骤H，直到所有故障卫星都被检测和隔离；

步骤L、则由主控端计算保护级，并向各飞行器播发保护级信息。

进一步的，所述步骤A中：导航观测方程可表述为： $Y=\left[\begin{array}{cc}H& A\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ B\end{array}\right]+V,$ 其中Y为伪距观测量矩阵，H是描述卫星几何特性的矩阵，X是待求解的位置，A是与故障偏差相关的矩阵，B是故障矩阵，V是量测残差。该方程可解算为：X＝(H^TPH)^-1H^TPY，其中P＝C^-1，C为可视卫星的量测噪声协方差矩阵。

进一步的，所述步骤B中：导航位置估计值可表述为：在此基础上计算导航估计残差：I是单位矩阵，通常情况下残差服从高斯分布。

进一步的，所述步骤C中：统计检测量可描述为：w＝r^TPr。当无故障时，该统计检测量服从中心卡方分布；当存在故障时，该统计检测量服从非中心卡方分布，其非中心参量为：

λ_w＝(AB)^TP(I-H(H^TPH)^-1H^TP)(AB)

进一步的，所述步骤E中：假设飞行器的个数为m，每个飞行器的统计检测量为w_i,i＝1,2,…,m，联合统计量可表述为：存在故障时，w₀服从非中心卡方分布，其自由度为非中心参量表述为：为了检测故障，检测门限设定为其中P_fa为满足特定连续性要求的虚警概率。当存在故障时，检测门限由决定，故障检测性能与漏检概率P_md和自由度κ_m相关。

进一步的，所述步骤H中：计算可见卫星的量测残差计算故障识别门限η＝2·▽S，其中▽S为计算得到的最小检测偏差向量。将所有卫星的量测误差与门限进行比较，若存在r_i≥▽S_i，则第i颗卫星被识别为故障，并且被隔离。

进一步的，所述步骤I中：最小检测偏差为：其中h_i为第i颗剩余卫星的单位向量。最小检测偏差引起的定位误差为：▽x_i＝Q_XH^TPHh_i▽S_i。Q_V为量测噪声协方差其中H_res为剩余卫星的几何特征矩阵，P_res为剩余卫星的加权矩阵，且C_res是卫星观测量的方差矩阵，其为对角阵，对角线元素为卫星观测量的方差。

Q_X为待求位置的估计协方差： $Q_X={\left({H_{\mathrm{res}}}^T{P}_{\mathrm{res}}{H}_{\mathrm{res}}\right)}^{-1}{P}_{\mathrm{res}}{P}_{\mathrm{res}}^{-1}{\left({\left({H_{\mathrm{res}}}^T{P}_{\mathrm{res}}{H}_{\mathrm{res}}\right)}^{-1}{P}_{\mathrm{res}}\right)}^T$

可区分度为：i,j表示两颗不同的卫星，其中一颗为故障卫星。

本发明的有益效果主要体现在：

(1)、相比传统的RAIM检测方法，本发明(如图1所示)的优越性在于可以提高检测灵敏度，以检测到更小的最小检测偏差，其效果如图3所示。

(2)、相比传统的RAIM检测方法，在同样条件下，本发明(如图1)可满足更低的虚警概率和漏检概率要求，以提高导航连续性和完好性，其效果如图4所示。

(3)、通过设定一定数目的飞行器进行联合自主完好性监测，本发明可获得更高的卫星故障检测概率，其检测概率如图5所示。

附图说明

图1是本发明一种适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法的流程图；

图2是本发明中故障识别与隔离流程图；

图3是本发明与传统RAIM方法得到的最小检测偏差对比示意图；

图4是本发明虚警概率(如图4(b)所示)、漏检概率(如图4(a)所示)与联合飞行器数目关系示意图；

图5是本发明检测概率与联合飞行器数目关系示意图；图5(a)所示为本发明方法单故障检测概率；图5(b)所示为本发明方法双故障检测概率。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，所述说明以GPS星座的自主完好性监测为实例。

GPS卫星的量测方程可表示为：

$Y=\left[\begin{array}{cc}H& A\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ B\end{array}\right]+V$

其中，Y是量测矩阵，H是几何特征矩阵，X是待求的位置，A是与故障偏差相关的矩阵，B是故障矩阵，V是量测残差。设量测量的数目为m，故障卫星的数目为n，则A为m×m阶矩阵，B为m×1阶包含卫星偏差的矩阵。当无故障发生时，卫星偏差设为零；若存在故障，B可定义为：

$b_i=\left\{\begin{array}{c}{b}_{\mathrm{fi}},i{\∈S}_n\\ 0,i\∈S_{m-n}\end{array}\right.,$

其中S_n为故障卫星集合，S_m-n为正常卫星集合。考虑所有可见卫星得到：

$\hat{X}={\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{H}^T\mathrm{PY}$

其中，P＝C^-1，C是所有可见卫星观测量的协方差矩阵。

采用如下方案来进行卫星自主完好性监测，具体流程如图1所示。

步骤1、对于每个飞行器机载导航终端的可见卫星，计算其伪距观测残差： $r=Y-H\hat{X}=(I-H{\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{H}^{T}P)Y,$ I是单位矩阵；

步骤2、根据步骤1计算得到的伪距观测残差，建立每个飞行器的局部统计检测量：w＝r^TPr

当不存在卫星故障时，局部统计检测量服从中心卡方分布；当存在卫星故障时，局部统计检测量服从非中心卡方分布，其非中心参量可表述为：

λ_w＝(AB)^TP(I-H(H^TPH)^-1H^TP)(AB)

步骤3、设置一个飞行器为主控端，各飞行器将局部统计检测量通过航空通信网向主控端播发；

步骤4、主控端根据各飞行器播发的局部统计检测量建立全局统计检测量，在没有故障时，w₀服从中心卡方分布；若存在故障时，w₀服从非中心卡方分布，其非中心参量可表示为：自由度为其中κ_n-4为各飞行器局部统计检测量的自由度。

步骤5、主控端根据预设定的虚警概率P_fa计算检测门限其中为卡方分布的反函数；

步骤6、主控端将全局统计检测量与检测门限进行比较，若大于门限，则存在卫星故障，进一步判断故障卫星，并将其隔离；

步骤7、若检测到卫星故障，在将故障卫星隔离后，计算剩余卫星用于定位时的最小检测偏差，计算方法如下：

首先计算待求位置的噪声方差：其中H_res为剩余卫星的几何特征矩阵，P_res为剩余卫星的加权矩阵，且C_res是卫星观测量的方差矩阵，其为对角阵，对角线元素为卫星观测量的方差。则最小检测偏差为：其中h_i为第i颗剩余卫星的单位向量。

步骤8、在步骤7的基础上，再计算剩余卫星最小检测偏差引起的定位误差，计算方法如下：

首先计算待求位置的估计协方差： $Q_X={\left({H_{\mathrm{res}}}^T{P}_{\mathrm{res}}{H}_{\mathrm{res}}\right)}^{-1}{P}_{\mathrm{res}}{P}_{\mathrm{res}}^{-1}{\left({\left({H_{\mathrm{res}}}^T{P}_{\mathrm{res}}{H}_{\mathrm{res}}\right)}^{-1}{P}_{\mathrm{res}}\right)}^T,$ 则剩余卫星的几何特征向量可表述为q_i＝Q_XH^TPHh_i，最小检测偏差引起的定位误差为：

▽x_i＝q_i▽S_i。

步骤9、计算最小检测偏差引起定位误差的最大值，则该值所对应的卫星为最有可能构成故障的卫星；

步骤10、计算各剩余卫星与故障卫星之间的可区分度，计算方法为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}^2}{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_i^2{\mathrm{\σ}}_j^2}}=\frac{h_i^T{H}^T{\mathrm{PQ}}_v{\mathrm{PHh}}_j}{\sqrt{h_i^T{H}^T{\mathrm{PQ}}_v{\mathrm{PHh}}_i}\sqrt{h_j^T{H}^T{\mathrm{PQ}}_v{\mathrm{PHh}}_j}},$

其中，i,j表示两颗不同的卫星，其中一颗为故障卫星。若ρ_ij＞0.8，则表明某卫星与故障卫星强相关，该卫星也有可能成为构成故障的卫星。

步骤11、定位故障卫星，并将其隔离。具体为：计算所有卫星的量测误差：

$r=Y-H\hat{X}=(I-H{\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{H}^{T}P)Y;$

计算卫星故障识别门限η＝2·▽S，其中▽S为步骤7计算得到的最小检测偏差向量。将所有卫星的量测误差与门限进行比较，若存在r_i≥▽S_i，则第i颗卫星被识别为故障，并且被隔离。重复步骤1-6，若检测到故障，则在识别故障卫星时优先考虑步骤9和步骤10中判断得到的卫星。

步骤12、按照步骤11进行故障卫星的识别与隔离，重复步骤7-10。继续进行上述过程，直到故障卫星全部被检测和隔离。

步骤13、若剩余卫星满足定位条件，则主控端计算保护级，并向各飞行器播发。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法，其特征在于步骤如下：

步骤A、每架飞行器根据机载导航设备计算其视野范围内的可见卫星，并根据所获得的导航观测量，建立导航解算方程；

步骤B、每架飞行器根据所建立导航解算方程和预估计的伪距观测量误差，计算导航位置残差；

步骤C、每架飞行器根据所计算得到的导航位置残差，建立统计检测量，该统计检测量服从卡方分布；

步骤D、选择其中一架飞行器作为主控端，各飞行器将统计检测量由航空通信网络播发至该主控端；

步骤E、主控端根据各飞行器的播发结果，建立最终的联合统计检测量，并根据预设定的虚警概率确定检测门限；

步骤F、主控端将最终的统计检测量和检测门限进行比较，以判断是否有故障发生；

步骤G、若检测到故障，则主控端向各飞行器播发告警信息；若没有检测到故障，直接执行步骤J；

步骤H、对故障卫星进行隔离，向各飞行器播发；

步骤I、计算所有可见卫星的最小检测偏差，以及最小检测偏差引起的定位误差；计算故障隔离卫星与其它剩余卫星的可区分度；

步骤J、找到最小检测偏差引起定位误差最大的卫星和可区分度最大的卫星，将其列为危险卫星；并对于剩余的可见卫星进行第二次检测；

步骤K、重复步骤F到步骤H，直到所有故障卫星都被检测和隔离；

步骤L、则由主控端计算保护级，并向各飞行器播发保护级信息。

2.根据权利要求1所述的适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法，其特征在于：所述步骤A中：导航观测方程可表述为： $Y=\left[\begin{array}{cc}H& A\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ B\end{array}\right]+V,$ 其中Y为伪距观测量矩阵，H是描述卫星几何特性的矩阵，X是待求解的位置，A是与故障偏差相关的矩阵，B是故障矩阵，V是量测残差，该方程可解算为：X＝(H^TPH)^-1H^TPY，其中P＝C^-1，C为可视卫星的量测噪声协方差矩阵。

3.根据权利要求2所述的适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法，其特征在于：所述步骤B中：导航位置估计值可表述为：在此基础上计算导航估计残差：I是单位矩阵，通常情况下残差服从高斯分布。

4.根据权利要求3所述的适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法，其特征在于：所述步骤C中：统计检测量可描述为：w＝r^TPr，当无故障时，该统计检测量服从中心卡方分布；当存在故障时，该统计检测量服从非中心卡方分布，其非中心参量为：

λ_w＝(AB)^TP(I-H(H^TPH)^-1H^TP)(AB)。

5.根据权利要求4所述的适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法，其特征在于：所述步骤E中：假设飞行器的个数为m，每个飞行器的统计检测量为w_i,i＝1,2,…,m，联合统计量可表述为：存在故障时，w₀服从非中心卡方分布，其自由度为非中心参量表述为：为了检测故障，检测门限设定为其中P_fa为满足特定连续性要求的虚警概率，当存在故障时，检测门限由决定，故障检测性能与漏检概率P_md和自由度κ_m相关。

6.根据权利要求5所述的适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法，其特征在于：所述步骤H中：计算可见卫星的量测残差计算故障识别门限η＝2·▽S，其中▽S为计算得到的最小检测偏差向量，将所有卫星的量测误差与门限进行比较，若存在r_i≥▽S_i，则第i颗卫星被识别为故障，并且被隔离。

7.根据权利要求6所述的适用于多飞行器自由飞行的联合导航自主完好性监测方法，其特征在于：所述步骤I中：最小检测偏差为：其中h_i为第i颗剩余卫星的单位向量，最小检测偏差引起的定位误差为：▽x_i＝Q_XH^TPHh_i▽S_i，Q_V为量测噪声协方差其中H_res为剩余卫星的几何特征矩阵，P_res为剩余卫星的加权矩阵，且C_res是卫星观测量的方差矩阵，其为对角阵，对角线元素为卫星观测量的方差；

Q_X为待求位置的估计协方差： $Q_X={\left({H_{\mathrm{res}}}^T{P}_{\mathrm{res}}{H}_{\mathrm{res}}\right)}^{-1}{P}_{\mathrm{res}}{P}_{\mathrm{res}}^{-1}{\left({\left({H_{\mathrm{res}}}^T{P}_{\mathrm{res}}{H}_{\mathrm{res}}\right)}^{-1}{P}_{\mathrm{res}}\right)}^T$

可区分度为： ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}^2}{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_i^2{\mathrm{\σ}}_j^2}}=\frac{h_i^T{H}^T{\mathrm{PQ}}_v\mathrm{PH}{h}_j}{\sqrt{h_i^T{H}^T{\mathrm{PQ}}_{v}P{\mathrm{Hh}}_i}\sqrt{h_j^T{H}^T{\mathrm{PQ}}_v{\mathrm{PHh}}_j}},$ ,j表示两颗不同的卫星，其中一颗为故障卫星。