CN104483678A - 一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，所述方法适用于多星座卫星导航完好性监测，该方法通过地面监测站接收导航观测量，对卫星空间信号的星历误差和星钟误差进行估计和监测，对区域内的航路进行卫星导航自主完好性监测的可用性预测，并将结果播发至飞机。机载导航设备利用地面广播的先验信息，检测其接收到的导航卫星是否存在故障，以确保飞行的导航完好性。本发明相比传统的RAIM检测方法，可以提高卫星故障的检测概率，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可用性。通过多星座联合完好性监测，本发明可获得更高的导航可用性。可获得更好的导航可靠性，最小检测偏差引起的定位误差性能分析。

Description

一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法

技术领域

本发明涉及航空导航自主完好性监测领域，具体涉及一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法。

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，但是仍然具有如下两方面的局限性：首先，传统的导航自主完好性监测方法主要针对单一导航系统，当导航卫星可见性下降或导航卫星几何特性不够理想的情况下，传统的导航自主完好性监测方法无法实现高效的卫星故障检测，因而也无法保障导航完好性；其次，由于性能有限，传统的导航自主完好性监测方法无法满足APV、LPV200等飞行阶段对完好性的需求。随着全球导航卫星系统的发展，多星座导航成为提高导航性能的一种有效解决途径。在此情况下，如何对多星座导航进行完好性监测、以满足APV、LPV200等飞行阶段的完好性需求，并进一步提高导航可用性，成为一个亟待突破的技术难题。

卫星空间信号故障是导航故障的主要来源之一，卫星故障的检测是导航自主完好性监测的核心。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，该方法的性能受飞机运行环境和机载设备计算能力的影响，在没有卫星状态先验信息的参考下，该方法无法满足较高的完好性需求。虽然研究人员先后提出了地面完好性通道(GIC)和星基增强系统(SBAS)以增强完好性，但这些方法都需要部署较多的地面站，系统复杂、耗资巨大。因此，设计并实现高性能、低成本、自主、灵活的多星座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

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，通过地面监测站接收导航观测量，对卫星空间信号的星历误差和星钟误差进行估计和监测，对区域内的航路进行卫星导航自主完好性监测的可用性预测，并将结果 播发至飞机。机载导航设备利用地面广播的先验信息，检测其接收到的导航卫星是否存在故障。该方法提高了导航故障的检测概率，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：一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，所述方法适用于多星座卫星导航完好性监测，其特征在于通过地面监测站接收导航观测量，对卫星空间信号的星历误差和星钟误差进行估计和监测，对区域内的航路进行卫星导航自主完好性监测的可用性预测，并将结果播发至飞机。机载导航设备利用地面广播的先验信息，检测其接收到的导航卫星是否存在故障，以确保飞行的导航完好性。所述方法包括如下步骤：

A、每个地面监测站接收卫星的导航观测量，并消除电离层、对流层传播误差，计算得到可见卫星的伪距残差；

B、每个地面监测站通过航空通信网向地面主控站广播其可见卫星的伪距残差信息；

C、地面主控站根据监测站播发的伪距残差信息，计算所有监测站的共视卫星；

D、地面主控站建立所有监测站共识卫星的星历、星钟误差估计方程，并在此基础上计算卫星空间信号测距误差；

E、地面主控站根据计算得到的卫星空间信号测距误差，对预设定的空域和航路进行第一级导航故障检测；

F、若检测到故障，则将故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；

G、地面主控站对预设定的空域和航路进行卫星导航自主完好性监测可用性预测，并将预测结果与运行完好性要求进行比较，完成第二级导航故障检测；

H、若不满足运行完好性要求，则对故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；

I、地面主控站将第一级和第二级故障检测结果和受影响区域信息播发至飞机；

J、飞机的机载导航设备根据地面主控站的监测信息，对监测站共视卫星和所有可见卫星组合进行自主完好性监测的可靠性进行分析；

K、机载导航设备对飞机所有可见卫星进行第三级故障检测；

L、若检测到故障，则对故障卫星进行隔离；

M、机载导航设备计算所有正常卫星构成定位方程的保护级，并将其与告警限进行比较，以确保飞行的导航完好性。

所述步骤A中：消除传播误差后，第j颗卫星的伪距残差可表述为：

其中△E^j表示星历误差，B^j表示星钟误差，是电离层、对流层残差和多路径效应、热噪声的集合。

所述步骤D中：所有共视卫星的伪距残差方程为：

其中，表示第i颗卫星的伪距残差， $\left[\begin{array}{cccc}{e}_{\mathrm{ix}}^j& e_{\mathrm{iy}}^j& e_{\mathrm{iz}}^j& 1\end{array}\right]$ 分别为由第i颗卫星到监测站j的单位向量， $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}^j\\ {\mathrm{\Δy}}^j\\ {\mathrm{\Δz}}^j\\ {\mathrm{\ΔB}}^j\end{array}\right]$ 为用户三维位置残差和时钟残差，为第i颗卫星到监测站j的伪距残差；

令 $H=\left[\begin{array}{cccc}{e}_{1x}^j& e_{1y}^j& e_{1z}^j& 1\\ e_{2x}^j& e_{2y}^j& e_{2z}^j& 1\\ M& M& M& M\\ e_{1i}^j& e_{\mathrm{iy}}^j& e_{\mathrm{iz}}^j& 1\end{array}\right],X^j=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}^j\\ {\mathrm{\Δy}}^j\\ {\mathrm{\Δz}}^j\\ {\mathrm{\ΔB}}^j\end{array}\right],$ 星历、星钟误差可由下面的式子求得：其中P＝C^-1为加权矩阵，C为对角矩阵，其对角线元素为共视卫星的量测误差。星历、星钟误差的状态方程可建模为如下形式：

其中dt是滤波间隔，t是误差相关时间，ξ₁和ξ₂是过程噪声，△X^j是星历、星钟误差构成的状态向量，是星历、星钟误差的变化率，则用户校正伪距误差可表述为：其中是星历、星钟误差的标准差，κ(Pr)表示满足一定置信度的分位数。

所述步骤E中：对预定的空域和航路，第一级导航故障检测可通过下面来完成：

对于预定空域或航路中的某一点，其位置与卫星连线的向量表示为则卫星空间信号距离误差σ_SISE为：

将σ_SISE与第一级检测门限进行比较以判断是否存在故障。第一级检测门限为κ_Tσ_UDRE，若σ_SISE≥κ_Tσ_UDRE则检测到卫星故障。κ_T与卫星故障的先验概率有关。

若没有检测到故障，则对每个监测站的共视卫星伪距残差方程，计算伪距残差估计值 通常情况下该估计值服从高斯分布。

计算每个监测站的局部统计检测量：

将所有监测站的统计检测信息进行融合，以计算全局统计检测量其中N为监测站数目。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。其自由度为其中κ_m为第m个监测站的共视卫星数目。

根据预先设置的虚警概率计算检测门限：其中P_fa为满足特定连续性要求的虚警概率，κ_g为自由度，表示中心卡方分布的反函数。

将统计检测量w_g与门限Th_g进行比较，若w_g≥Th_g则表示检测到故障，需要对故障卫星进行识别和隔离；

所述步骤G中：地面主控站对预设定的空域和航路进行卫星故障的二次检测可通过下面来完成：

对于空域和航路中的某一位置，所有监测到的共视卫星组成的位置方程可表述为：

$\hat{X}={\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{H}^T{\mathrm{PY}}^j,$ 则伪距量测残差可计算为： $\mathrm{\Δy}=Y^j-H\hat{X}=(I-H{\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{H}^T)Y^j.$ 由伪距量测残差引起的位置误差可表述为：对于第j颗共视卫星， 水平保护级(HPL)和垂直保护级(VPL)可表述为：

$\mathrm{HPL}=\underset{i}{\max }\left\{\sqrt{\mathrm{\Δ}{\hat{x}}_i{\left(\mathrm{1,1}\right)}^2+\mathrm{\Δ}{\hat{x}}_i{\left(\mathrm{2,2}\right)}^2}\right\},\mathrm{VPL}=\underset{i}{\max }\left\{\mathrm{\Δ}{\hat{x}}_i\left(\mathrm{3,3}\right)\right\}.$

将保护级(HPL，VPL)分别与告警限(HAL，VAL)进行比较，若HPL≥HAL或者VPL≥VAL，则存在卫星故障。

所述步骤J中：飞机的机载导航设备对监测站共视卫星和所有可见卫星组合进行自主完好性监测的可靠性进行分析可由下面来实现：

计算最小检测偏差：其中h_i为第i颗剩余卫星的单位向量，Q_V为量测噪声协方差Q_V＝P^-1-H(H^TPH)^-1H^T。

计算最小检测偏差引起的定位误差为：Q_X为待求位置的估计协方差：  $Q_X={\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{\mathrm{PP}}^{-1}{\left({\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}P\right)}^T.$

所述步骤K中：机载导航设备对飞机所有可见卫星进行第三级故障检测可由下面来实现：

计算导航估计残差：通常情况下残差服从高斯分布。

计算卫星故障的统计检测量：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。

根据预先设置的虚警概率计算检测门限：其中P_fa为满足特定连续性要求的虚警概率，κ_a为自由度，表示中心卡方分布的反函数。

将统计检测量w_a与门限Th_a进行比较，若w_a≥Th_a则表示存在故障，需要对故障卫星进行识别和隔离；

所述步骤M中：正常卫星构成定位方程的保护级通过下面来计算：

其中为按照步骤J所述方法得到的最小检测偏差引起的定位误差，C为对角矩阵，其对角线元素为共视卫星的量测误差。

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卫星故障的检测概率，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可用性，其效果如图4所示。

(3)、通过多星座联合完好性监测，本发明可获得更高的导航可用性。

(4)、通过多星座联合完好性监测，本发明可获得更好的导航可靠性。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明具体实施方式中地面监测站的分布示意图；

图3是本发明与传统RAIM方法的检测概率对比示意图；

图4是本发明第二级故障检测方法与传统RAIM方法所获得的可用性示意图；图4(a)为GPS/BDs双星座的结果，图4(b)为GPS单星座的结果；

图5是本发明具体实施方式中单星座与双星座第三级故障检测比较示意图；图5(a)最小检测偏差示意图，图5(b)为最小检测定位误差示意图。

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、北斗双星座的自主完好性监测为实例，运行场景考虑LPV200，选择7个地面监测站，其分布图如图2所示。

每个地面监测站的伪距量测量可表示为：

其中j表示卫星编号，m表示地面监测站编号，为伪距量测量，为卫星与监测站的几何距离。△E^j表示卫星星历误差，表示电离层误差，表示对流层误差。b_m表示接收机时钟偏差，B^j是卫星星钟误差，是由多路径和热噪声引起的伪距残差。

采用如下方案来进行空地协同的多星座卫星自主完好性监测，具体流程如图1所示。

步骤1、每个地面监测站的对观测到的伪距量测量消除传播误差，所获得的伪距改正残差可表述为：其中表示电离层、对流层残差和多路径效应、热噪声引起的伪距残差之和。

步骤2、每个地面监测站通过航空通信网向地面主控站广播其可见卫星的伪距残差信息。

步骤3、地面主控站根据监测站播发的伪距残差信息，计算所有监测站的共视卫星。

步骤4、地面主控站建立所有监测站共视卫星的星历、星钟误差估计方程，并在此基础上计算卫星空间信号测距误差。共视卫星的伪距校正量测方程可表述为：

其中，表示第i颗卫星的伪距残差， $\left[\begin{array}{cccc}{e}_{\mathrm{ix}}^j& e_{\mathrm{iy}}^j& e_{\mathrm{iz}}^j& 1\end{array}\right]$ 分别为由第i颗卫星到监测站j的单位向量， $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}^j\\ {\mathrm{\Δy}}^j\\ {\mathrm{\Δz}}^j\\ {\mathrm{\ΔB}}^j\end{array}\right]$ 为用户三维位置残差和时钟残差。为第i颗卫星到监测站j的伪距残差。

令 $H=\left[\begin{array}{cccc}{e}_{1x}^j& e_{1y}^j& e_{1z}^j& 1\\ e_{2x}^j& e_{2y}^j& e_{2z}^j& 1\\ M& M& M& M\\ e_{1i}^j& e_{\mathrm{iy}}^j& e_{\mathrm{iz}}^j& 1\end{array}\right],X^j=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}^j\\ {\mathrm{\Δy}}^j\\ {\mathrm{\Δz}}^j\\ {\mathrm{\ΔB}}^j\end{array}\right],$ 则星历星钟误差估计可表述为：

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

其中P为加权矩阵。且P＝C^-1，C为对角矩阵，其对角线元素为共视卫星的量测误差。为了计算星历星钟估计误差的统计值，建立估计误差的状态方程：

其中dt是滤波间隔，t是误差相关时间，ξ₁和ξ₂是过程噪声，△X^j是星历、星钟误差构成的状态向量，是星历、星钟误差的变化率。则用户校正伪距误差可表述为： 其中是星历、星钟误差的标准差。κ(Pr)表示满足一定置信度的分位数，此处设置信度为99.9％，分位数为3.29。

步骤5、地面主控站根据计算得到的卫星空间信号测距误差，对中国空域进行第一级导航故障检测，空域覆盖范围为北纬5度至55度，东经70度至135度，采样间隔为1度，高度为1000米。任意一个位置d_i(l,l,h)∈D与卫星连线的向量表示为则卫星空间信号距离误差σ_SISE为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{SISE}}^2={\mathrm{\α}}_u^j{\mathrm{\σ}}_{X^j}^2{\left({\mathrm{\α}}_u^j\right)}^T,$

将σ_SISE与第一级检测门限进行比较以判断是否存在故障。

第一级检测门限为κ_Tσ_UDRE，若σ_SISE≥κ_Tσ_UDRE则存在卫星故障。κ_T与卫星故障的先验概率有关，此处令卫星故障的先验概率为p_f＝10^-5，κ_T的值为4.42。

步骤6、若检测到故障，则将故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；

步骤7、若没有检测到故障，则若没有检测到故障，则对每个监测站的共视卫星伪距残差方程，计算伪距残差估计值：

通常情况下该估计值服从高斯分布。

计算每个监测站的局部统计检测量：

将所有监测站的统计检测信息进行融合，以计算全局统计检测量其中N为监测站数目，此处N＝7。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。其自由度为其中κ_m为第m个监测站的共视卫星数目。根据预先设置的虚警概率计算检测门限：其中P_fa设为10^-5，κ_g为自由度，表示中心卡方分布的反函数。

步骤8、将统计检测量w_g与门限Th_g进行比较，若w_g≥Th_g则表示存在故障，需要对故障卫星进行识别和隔离；

步骤9、地面主控站对预设定的空域和航路进行卫星导航自主完好性监测可用性预测， 并将预测结果与运行完好性要求进行比较，完成第二级导航故障检测；检测过程如下：

对于某位置(北纬19.935度，东经110.458度，高度1000米)，所有监测到的共视卫星组成的位置方程可表述为：

$\hat{X}={\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{H}^T{\mathrm{PY}}^j,$ 则伪距量测残差可计算为： $\mathrm{\Δy}=Y^j-H\hat{X}=(I-H{\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{H}^{T}P)Y^j.$ 由伪距量测残差引起的位置误差可表述为：对于第i颗共视卫星， 水平保护级(HPL)和垂直保护级(VPL)可表述为：  $\mathrm{HPL}=\underset{i}{\max }\left\{\sqrt{\mathrm{\Δ}{\hat{x}}_i{\left(\mathrm{1,1}\right)}^2+\mathrm{\Δ}{\hat{x}}_i{\left(\mathrm{2,2}\right)}^2}\right\},\mathrm{VPL}=\underset{i}{\max }\left\{\mathrm{\Δ}{\hat{x}}_i\left(\mathrm{3,3}\right)\right\}.$ 其中，表示取最大值。

考虑LPV200运行场景，告警限为水平40米，垂直35米，将保护级(HPL，VPL)分别与告警限(HAL，VAL)进行比较，若HPL≥HAL或者VPL≥VAL，则存在卫星故障。

步骤10、若不满足运行完好性要求，则对故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记。

步骤11、地面主控站将第一级和第二级故障检测结果和受影响区域信息播发至飞机。

步骤12、飞机的机载导航设备根据地面主控站的监测信息，对监测站共视卫星和所有可见卫星组合进行自主完好性监测的可靠性进行分析；

计算最小检测偏差：其中h_i为第i颗剩余卫星的单位向量，Q_V为量测噪声协方差Q_V＝P^-1-H(H^TPH)^-1H^T，λ₀为非中心参量。计算最小检测偏差引起的定位误差为：其中，Q_X为待求位置的估计协方差：Q_X＝(H^TPH)^-1PP^-1((H^TPH)^-1P)^T。

步骤13、机载导航设备对飞机所有可见卫星进行第三级故障检测；

计算导航估计残差：通常情况下残差服从高斯分布。

计算卫星故障的统计检测量：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。

根据预先设置的虚警概率计算检测门限：其中P_fa为10^-5，κ_a为自由度， 表示中心卡方分布的反函数。

将统计检测量w_a与门限Th_a进行比较，若w_a≥Th_a则表示存在故障，需要对故障卫星进行识别和隔离；

步骤14、若检测到故障，则对故障卫星进行隔离；

步骤15、机载导航设备计算所有正常卫星构成定位方程的保护级，并将其与告警限进行 比较，以确保飞行的导航完好性。正常卫星构成定位方程的保护级通过下面来计算： 其中为按照步骤10所述方法得到的最小检测偏差引起的定位误差，C为对角矩阵，其对角线元素为共视卫星的量测误差。

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 (8)

1.一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在于步骤如下：

A、每个地面监测站接收卫星的导航观测量，并消除电离层、对流层传播误差，计算得到可见卫星的伪距残差；

B、每个地面监测站通过航空通信网向地面主控站广播其可见卫星的伪距残差信息；

C、地面主控站根据监测站播发的伪距残差信息，计算所有监测站的共视卫星；

D、地面主控站建立所有监测站共识卫星的星历、星钟误差估计方程，并在此基础上计算卫星空间信号测距误差；

E、地面主控站根据计算得到的卫星空间信号测距误差，对预设定的空域和航路进行第一级导航故障检测；

F、若检测到故障，则将故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；

G、地面主控站对预设定的空域和航路进行卫星导航自主完好性监测可用性预测，并将预测结果与运行完好性要求进行比较，完成第二级导航故障检测；

H、若不满足运行完好性要求，则对故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；

I、地面主控站将第一级和第二级故障检测结果和受影响区域信息播发至飞机；

J、飞机的机载导航设备根据地面主控站的监测信息，对监测站共视卫星和所有可见卫星组合进行自主完好性监测的可靠性进行分析；

K、机载导航设备对飞机所有可见卫星进行第三级故障检测；

L、若检测到故障，则对故障卫星进行隔离；

M、机载导航设备计算所有正常卫星构成定位方程的保护级，并将其与告警限进行比较，以确保飞行的导航完好性。

2.根据权利要求1所述的空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在于：所述步骤A中：消除传播误差后，第j颗卫星的伪距残差可表述为：

其中ΔE^j表示星历误差，B^j表示星钟误差，是电离层、对流层残差和多路径效应、热噪声的集合。

3.根据权利要求1所述的一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在于：所述步骤D中：所有共视卫星的伪距残差方程为：

$\mathrm{\Δ}{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}^j=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_1^j\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_2^j\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_i^j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{e}_{1x}^j& e_{1y}^j& e_{1z}^j& 1\\ e_{2x}^j& e_{2y}^j& e_{2z}^j& 1\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ e_{\mathrm{ix}}^j& e_{\mathrm{iy}}^j& e_{\mathrm{iz}}^j& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}^j\\ {\mathrm{\Δy}}^j\\ {\mathrm{\Δz}}^j\\ {\mathrm{\ΔB}}^j\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\tilde{v}}_1^j\\ {\tilde{v}}_2^j\\ .\\ .\\ .\\ {\tilde{v}}_i^j\end{array}\right],$

其中，表示第i颗卫星的伪距残差， $\left[\begin{array}{cccc}{e}_{\mathrm{ix}}^j& e_{\mathrm{iy}}^j& e_{\mathrm{iz}}^j& 1\end{array}\right]$ 分别为由第i颗卫星到监测站j的单位向量， $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}^j\\ {\mathrm{\Δy}}^j\\ {\mathrm{\Δz}}^j\\ {\mathrm{\ΔB}}^j\end{array}\right]$ 为用户三维位置残差和时钟残差，为第i颗卫星到监测站j的伪距残差；

令 $H=\left[\begin{array}{cccc}{e}_{1x}^j& e_{1y}^j& e_{1z}^j& 1\\ e_{2x}^j& e_{2y}^j& e_{2z}^j& 1\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ e_{\mathrm{ix}}^j& e_{\mathrm{iy}}^j& e_{\mathrm{iz}}^j& 1\end{array}\right],$ $X^j=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}^j\\ {\mathrm{\Δy}}^j\\ {\mathrm{\Δz}}^j\\ {\mathrm{\ΔB}}^j\end{array}\right],$ $Y^j=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_1^j\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_2^j\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_i^j\end{array}\right],$ $V^j=\left[\begin{array}{c}{\tilde{v}}_1^j\\ {\tilde{v}}_2^j\\ .\\ .\\ .\\ {\tilde{v}}_i^j\end{array}\right],$ 星历、星钟误差可由下面的式子求得：其中P＝C^-1为加权矩阵，C为对角矩阵，其对角线元素为共视卫星的量测误差，星历、星钟误差的状态方程可建模为如下形式：

${\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}^j\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{X}}^j\end{array}\right]}_{k+1}=\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{dt}\\ 0& 1-\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{\τ}}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}^j\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{X}}^j\end{array}\right]}_k+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_2\end{array}\right],$

其中dt是滤波间隔，τ是误差相关时间，ξ₁和ξ₂是过程噪声，ΔX^j是星历、星钟误差构成的状态向量，是星历、星钟误差的变化率；

则用户校正伪距误差可表述为：

$\mathrm{UDRE}=\mathrm{\κ}\left(\mathrm{Pr}\right)\·{\mathrm{\σ}}_{X^j},$

其中是星历、星钟误差的标准差，κ(Pr)表示满足一定置信度的分位数。

4.根据权利要求1所述的一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在于：所述步骤E中：对预定的空域和航路，第一级导航故障检测可通过下面来完成：

对于预定空域或航路中的某一点，其位置与卫星连线的向量表示为则卫星空间信号距离误差σ_SISE为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{SISE}}^2={\mathrm{\α}}_u^j{\mathrm{\σ}}_{X^j}^2{\left({\mathrm{\α}}_u^j\right)}^T,$

将σ_SISE与第一级检测门限进行比较以判断是否存在故障，第一级检测门限为κ_Tσ_UDRE，若σ_SISE≥κ_Tσ_UDRE则存在卫星故障，κ_T与卫星故障的先验概率有关；

若不存在故障，则对于监测站j的共视卫星伪距残差方程，伪距残差估计值可计算为：

$r_i=Y^j-H\hat{X}=(I-H{\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{H}^{T}P)Y^j,$ 通常情况下该估计值服从高斯分布；

计算每个监测站的局部统计检测量：

将所有监测站的统计检测信息进行融合，以计算全局统计检测量其中N为监测站数目，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，其自由度为其中κ_j为第j个监测站的共视卫星数目；

根据预先设置的虚警概率计算检测门限：其中P_fa为满足特定连续性要求的虚警概率，κ_g为自由度，表示中心卡方分布的反函数；

将统计检测量w_g与门限Th_g进行比较，若w_g≥Th_g则表示存在故障，需要对故障卫星进行识别和隔离。

5.根据权利要求1所述的一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在于：所述步骤G中：地面主控站对预设定的空域和航路进行卫星故障的二次检测可通过下面来完成：

对于空域和航路中的某一位置，所有监测到的共视卫星组成的位置方程可表述为：

$\hat{X}={\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{H}^T{\mathrm{PY}}^j,$ 则伪距量测残差可计算为： $\mathrm{\Δy}=Y^j-H\hat{X}=(I-H{\left(H^T\mathrm{PH}\right)}^{-1}{H}^{T}P)Y^j,$ 由伪距量测残差引起的位置误差可表述为：对于第j颗共视卫星，水平保护级(HPL)和垂直保护级(VPL)可表述为：

$\mathrm{HPL}=\underset{i}{\max }\left\{\sqrt{\mathrm{\Δ}{\hat{x}}_i{\left(\mathrm{1,1}\right)}^2+\mathrm{\Δ}{\hat{x}}_i{\left(\mathrm{2,2}\right)}^2}\right\},\mathrm{VPL}=\underset{i}{\max }\left\{\mathrm{\Δ}{\hat{x}}_i\left(\mathrm{3,3}\right)\right\}$

将保护级(HPL，VPL)分别与告警限(HAL，VAL)进行比较，若HPL≥HAL或者VPL≥VAL，则存在卫星故障。

6.根据权利要求1所述的一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在于：所述步骤J中：飞机的机载导航设备对监测站共视卫星和所有可见卫星组合进行自主完好性监测的可靠性进行分析可由下面来实现：

计算最小检测偏差：其中h_i为第i颗剩余卫星的单位向量；

计算最小检测偏差引起的定位误差为：Q_V为量测噪声协方差Q_V＝P^-1-H(H^TPH)^-1H^T；

Q_X为待求位置的估计协方差：Q_X＝(H^TPH)^-1PP^-1((H^TPH)^-1P)^T。

7.根据权利要求1所述的一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在于：所述步骤K中：机载导航设备对飞机所有可见卫星进行第三级故障检测可由下面来实现：

计算导航估计残差：通常情况下残差服从高斯分布；

计算卫星故障的统计检测量：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；

根据预先设置的虚警概率计算检测门限：其中P_fa为满足特定连续性要求的虚警概率，κ_a为自由度，表示中心卡方分布的反函数；

将统计检测量w_a与门限Th_a进行比较，若w_a≥Th_a则表示存在故障，需要对故障卫星进行识别和隔离。

8.根据权利要求1所述的一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在于所述步骤M中，正常卫星构成定位方程的保护级通过下面来计算：

其中▽x_i为按照步骤J所述方法得到的最小检测偏差引起的定位误差，C为对角矩阵，其对角线元素为共视卫星的量测误差。