CN104330807A - 一种基于码载波分离的电离层风暴监测算法 - Google Patents

一种基于码载波分离的电离层风暴监测算法 Download PDF

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CN104330807A CN201410535993.2A CN201410535993A CN104330807A CN 104330807 A CN104330807 A CN 104330807A CN 201410535993 A CN201410535993 A CN 201410535993A CN 104330807 A CN104330807 A CN 104330807A
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王党卫
段可植
任小伟
原彬
李斌
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13Receivers
    • G01S19/20Integrity monitoring, fault detection or fault isolation of space segment

Abstract

本发明提供了一种基于码载波分离的电离层风暴监测算法,首先计算原始码减载波测量值;然后估计正常测量均值μ0并构建实际情况下的均值μ1;利用统计数据计算平滑后的测量值标准差;对原始数据进行标准化处理;最终优化参数,计算累计和。本发明能够检测局域增强系统(LAAS)中电离层可能出现的异常情况,并及时给出报警信息。

Description

-种基于码载波分离的电离层风暴监测算法
技术领域
[0001] 本发明属于卫星导航领域,是卫星导航局域增强系统(LAAS)中一种电离层风暴 监视的完好性算法。
背景技术
[0002] 卫星导航局域增强系统通过地面差分站发播卫星差分数据,用户将差分数据用于 解算来获得高精度的导航参数(速度、位置和时间)。该系统采用的差分GNSS技术(DGNSS) 是利用两个GNSS接收机测量的位置信息(或距离信息)及其他导航信息的相关性能消除 大部分GNSS卫星钟误差、星历误差及大气延迟误差,大大提高导航定位精度。普遍认为,它 可以满足非精密引进以及I、II直至III类精密引进着陆要求。
[0003] 完好性的含义是在卫星导航系统出现故障时,系统能够及时向用户提供告警的能 力。在卫星导航局域增强系统中,完好性监视技术是目前影响该系统进行实际应用的主要 技术难题,因为卫星导航系统的本身存在完好性监视能力的缺陷,特别是飞机在着陆阶段 是事故高发阶段,所以对卫星导航系统作为着陆系统而言,其系统的完好性指标是相当高 的。但影响卫星导航系统完好性的因素是多种多样的,包括卫星星钟、卫星星历、电离层、对 流层、地面多径和接收机自身噪音等误差源,这些因素共同作用使局域增强系统的地面完 好性监视系统很难具备满足应用要求的监视能力。
[0004] 目前,关于电离层的监视问题属于完好性监视领域的重点问题,国内对于此类问 题还没有形成特别有效的监视方法,所以,作为完好性监视的一类关键技术,其对局域增强 系统的应用起到了至关重要的作用。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于码减载波分离累计和(CUSUM)的 方法,能够快速可靠地解决电离层的完好性监视问题。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:
[0007] 步骤一:计算原始码减载波测量值
Figure CN104330807AD00031
其中,P(k)表示码伪距观测量,<K/f)表示载波相位观测量,I(k)表示电离层延迟,M(k)表 示多径误差,N(k)表示整周模糊度,表示载波波长;
Figure CN104330807AD00032
Figure CN104330807AD00033
[0008] 步骤二:估计正常测量均值 其中, 9
Figure CN104330807AD00034
[0009] 步骤三:构建实际情况下的均值Ui(k) =iiQ(k)+V(k),其中, v(fc) =I90 ► 〇F(k),I90 是90 °仰角情况下的垂直电离层变化率,倾斜度因子
Figure CN104330807AD00041
Qelev(k)是卫星仰角;
[0010] 步骤四:统计原始码减载波数据dz(k)通过高斯包络方法计算得到其标准差和平 滑因子;
[0011] 步骤五:对原始码减载波数据进行标准化处理:
Figure CN104330807AD00042
[0013] 〇2(k)是dz(k)的方差;
[0014] 步骤六:优化参数kQ = 40和' =〇.〇〇95"^,计算累计和。
[0015] 本发明的有益效果是:能够检测局域增强系统(LAAS)中电离层可能出现的异常 情况,并及时给出报警信息。
附图说明
[0016] 图1是本发明的方法流程图;
[0017] 图2是过程均值y的函数示意图。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0019] 本发明是一种利用码减载波监视电离层异常的计算方法,它能够检测局域增强系 统(LAAS)中电离层可能出现的异常情况,并及时给出报警信息。
[0020] ⑶SUM方法通过改变随即过程中的某些参数,可以达到理论上最小探测时间。本方 法基于两个假设:1、CUSUM的输入服从高斯分布,并且各时刻的测量值相互独立;2、无故障 发生时的均值和方差已知。
[0021] 考虑一个序列的高斯随机变量x(k),其概率密度函数(PDF)可表示为
Figure CN104330807AD00043
[0023] PDF也是一个过程均值y的函数,如图2所示。正常情况下的均值为c当有一 些故障发生时,均值变化为。在这个过程中,其方差〇2保持不变。
[0024] 定义对数似然估计值s,定义为
Figure CN104330807AD00044
[0025] 如果x(k)服从高斯分布,则s(k)可以进一步变换为
Figure CN104330807AD00051
[0027] 常数K称为窗口因子,定义为
Figure CN104330807AD00052
[0028] ⑶SUM方法通过对s(k)求和来累积观测信息,如下所示:
Figure CN104330807AD00053
[0030] 这里C(k)就是所谓的累计和(CUSUM)。
[0031] 当Ui ^时,正常情况下均值为x(k) <K的概率比较大,也就是说 P(isb=x〇c))>Ph(x=x(fc))的概率较大,因此s(k)通常为负数,C(k)会逐渐变小。在CUSUM h 方法中,当C(k)的值减小到〇时就重置c(k)的值。通常将c(k)的值重置为S而且初始值 ? fc c(o)也设置为S 〇
[0032] 另一方面,当yi^时,x(k) >K的概率比较大,也就是说 Pns(x=x(fc))<Pm(x=x(l〇)的概率较大,因此s(k)通常为正数,C(k)会逐渐变大。在每一时 刻,将C(k)与阈值h进行比较,如果C(k) <h,则假设y^成立;反之,则探测到故障, 假设U=U(!不成立。
[0033] 本发明提供的利用码减载波分离来监测电离层风暴的算法,包括如下步骤:
[0034] 步骤一:计算原始码减载波测量值;
[0035] 步骤二:估计正常测量均值U。;
[0036] 步骤三:构建实际情况下的均值U:;
[0037] 步骤四:利用统计数据计算平滑后的测量值标准差;
[0038] 步骤五:对原始数据进行标准化处理;
[0039] 步骤六:优化参数,计算累计和(CUSUM)。
[0040] 所述步骤一具体为:首先接收卫星测量值数据,这些数据包括伪距和载波相位; 在码伪距和载波相位伪距中,有多个相同的误差分量,通过相减消除共同的误差分量,可以 获得码减载波值。
[0041] 所述步骤四具体为:统计原始码减载波数据,其标准差和平滑因子通过高斯包络 方法计算得到。
[0042] 所述步骤五具体为:为保持CUSUM中输入参数的标准差不变,将原始码减载波数 据进行标准化处理,使其均值和方差只受仰角影响。
[0043] 所述步骤六具体为:CUSUM参数的取值不是独立的,它们之间相互影响,必须在系 统级别进行优化。
[0044] 本发明的实施例包括以下步骤:
[0045] 步骤一:计算原始码减载波测量值:
[0046] 在局域增强系统地面子系统中,使用基准接收机测量来自导航卫星的码伪距和载 波相位伪距信息,由于码与载波的观测量属于不同的处理方法获得的观测量信息,两者经 历了相同的传播路径,所以,其表达的伪距信息中包含相同量部分,通过两者相减,可以消 除共用量部分,获得相差的部分,而这些相差量则主要反映了电离层的延迟和多径误差。
[0047] 码伪距和载波相位伪距可以表达为:
[0048]p=r+c(bu-Bs) +I+T+M+ep
[0049]
Figure CN104330807AD00061
[0050] 其中,p表示码伪距观测量,或者叫伪距;響表示载波相位观测量;r表示卫星到接 收机的真实距离;bu表示接收机钟差;83表示卫星钟差;I表示电离层延迟;T表示对流层延 迟;M表示多径误差;N表示整周模糊度;f表示载波波长;ep表示其它码载波测量误差;^ 表示其它载波相位测量误差。
[0051] 在码伪距和载波相位伪距中,有多个相同的误差分量,通过相减消除共同的误差 分量,可以获得码减载波值。在时刻k该值可以表示为:
Figure CN104330807AD00062
[0053]于是,可得到
Figure CN104330807AD00063
[0055] 这里&不一定等于LMGO-MGc-lO的梯度有几米,并且不随&的变化而变化。电 离层延迟的梯度i(k)大概为几米/秒。因此,当&较大时dz(k)有较高的信噪比。多径 误差M(k)是一个时间相关的随机变量,相关时间大概为46-194秒。
[0056] 步骤二:估计正常测量均值y。:
[0057] 均值是非零的,并且随着仰角和电离层状态的变化而变化,其估计方法如下所 示:
Figure CN104330807AD00064
[0059]其中
Figure CN104330807AD00065
[0061]监测需要在Ujk)收敛以后才开始进行,越大收敛的速度越慢,然而更大的T_可以使iljk)的平滑效果更好。一般情况下,设置为400秒。
[0062] 由于在电离层影响下正常的均值会收敛到Ui(k),为了不受其影响而准确估计均 值,u〇〇〇的估计应该在&时刻之前进行,即:
[0063] y〇 (k) -y〇 (k-kj
[0064] 如果的值太小,则iiJk-k)仍然会被iii(k)影响;反之如果&的值太大,则 UQ (k-l〇可能会不接近当前均值的级别。& 一般设置为500 (等于250秒),原因如下:
[0065] 电离层风暴的持续时间大概为173秒;
[0066] 监测时间一般为50-150秒;
[0067] 需要考虑均值估计的延迟。
[0068] 实际中,正常值的均值在250秒内变化很小,这也解释了监测算法中需要均值固 定的原因。
[0069] 步骤三:构建实际情况下的均值Ui:
[0070] 实际情况的均值U1构造方式为:
[0071 ]U! (k) =u〇 (k)+v(k)
[0072] 这里v(k)定义为:
Figure CN104330807AD00071
[0074] 其中,是一个固定值,代表在90°仰角情况下的垂直电离层变化率。在其它仰 角情况下,v(k)计算时需要乘以一个倾斜度因子OF(k),其表达式为:
Figure CN104330807AD00072
[0076] 其中eelev(k)是卫星仰角,因此v(k)的值只决定于卫星仰角。根据构建的yi(k), 窗口因子K就可以表示为:
Figure CN104330807AD00073
[0078] I警是⑶SUM方法中有效监测电离层风暴的重要参数,因此i觀的取值很重要,其取 值可以通过优化得到。
[0079] 步骤四:利用统计数据计算平滑后的测量值标准差:
[0080] 为保证输入参数dz(k)的连续性,方差0 2(k)需要通过统计数据分析计算得到。 统计原始码减载波数据dz(k),其标准差和平滑因子通过高斯包络方法计算得到。统计时不 需要考虑仰角低于遮蔽角以下的情况,因为此时卫星不产生差分信息。
[0081] 步骤五:对原始数据进行标准化处理:
[0082] 为保持⑶SUM中输入参数的标准差不变,dz(k)的标准化处理过程如下所示:
Figure CN104330807AD00074
[0084] 标准化处理后,⑶SUM输入参数X(k)被标准高斯分布包络。原始数据dz(k)的方 差02(k)很大程度是由多径噪声影响,标准化过程后,X(k)的方差变为常数1,即使发生电 离层风暴也不会改变。根据以上的处理结果,可以推导出以下两个式子:
[0085]u!(k) =V(k)
Figure CN104330807AD00081
[0087] 于是,码减载波分离应用中的⑶SUM方程变为:
Figure CN104330807AD00082
[0089] 由于v(k)和〇(k)都是只有仰角决定,因此C(k)的值也是由仰角决定的。经过 标准化处理后,CUSUM阈值h(参数K的函数),也只由仰角决定。
[0090] 步骤六:优化参数,计算累计和(CUSUM)
[0091]在⑶SUM算法中,必须决定参数Ivkp1_和1"。这些参数的取值不是独立的,它 们之间相互影响,必须在系统级别进行优化。
[0092] 这四个参数主要通过实际的试验,进行数据分析后优化。为了简化优化过程,参数 匕和1_在步骤二中进行,这主要因为这两个参数对CUSUM的性能影响不大。其余两个参 数心和1_拘选取主要通过试验分析得到。
[0093]在试验中,kQ的范围为2-80, 拘范围为0• 008m/s-0. 0012m/s,由于码减载波测 量值必须在不同的时刻&计算,因此⑶SUM最快的监测速度在& = 40和= 0.009%^/s时 达到。

Claims (1)

1. 一种基于码载波分离的电离层风暴监测算法,其特征在于包括下述步骤: 步骤一:计算原始码减载波测量值4/'〇=/7(/(_卜<^ /'〇=2/(/'〇+从0卜〜(〇+,其 J 中,P (k)表示码伪距观测量,p(/c)表示载波相位观测量,I (k)表示电离层延迟,M(k)表示 多径误差,N(k)表示整周模糊度,f表示载波波长;
Figure CN104330807AC00021
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107015245A (zh) * 2017-05-24 2017-08-04 千寻位置网络有限公司 电离层活跃程度的监测方法及系统、定位终端、存储器
CN113777629A (zh) * 2021-08-24 2021-12-10 北京航空航天大学 一种地基增强系统星钟故障组合监测方法

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