CN105954768B

CN105954768B - 基于araim风险分配优化的ads‑b可用性预测方法和装置

Info

Publication number: CN105954768B
Application number: CN201610262632.4A
Authority: CN
Inventors: 王志鹏; 朱衍波; 葛奕杉
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2036-04-25
Also published as: CN105954768A

Abstract

本发明提供一种基于ARAIM风险分配优化的ADS‑B可用性预测方法和装置，该方法通过建立完好性误差模型和连续性误差模型，根据导航卫星系统发送的飞行数据，在导航卫星系统假设可能的故障模式下，获取故障模式下的所有故障情况下的飞行器的位置信息解，结合完好性风险预算和连续性风险预算和所有的位置信息解，建立水平保护级的目标函数和约束条件，根据约束条件对目标函数求解，得到表示飞行器的位置信息解与真实位置信息的偏离程度的水平保护级，以使机载ADS‑B装置根据水平保护级获取导航完好性类别。通过建立完好性误差模型和连续性误差模型，提高了水平保护级的准确度。

Description

基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法和装置。

背景技术

随着飞行器制造技术的发展以及人们的出行需求增长，越来越多的飞行器在空中飞行，为避免撞击事故，实时掌控飞行器当前的位置并依据各飞行器的位置进行管制越来越重要。在获取飞行器的位置信息时，通常采用飞行器上的接收机接收至少一个卫星或至少一个星座发送的飞行数据，并根据各飞行数据确定飞行器的位置信息。

但是发送飞行数据的卫星或星座均可能出现故障，进而导致发送的飞行数据不准确，最终导致根据飞行数据确定的位置信息不够准确。因此，在根据各飞行数据确定飞行器的位置信息的同时，通常还结合地面完好性支持信息(Integrity Support Message，简称ISM)提供的卫星或星座的故障概率，和根据飞行数据确定的位置信息的方差、偏差，确定水平保护级(Horizontal Protection Level，简称HPL)以表示位置信息偏离飞行器真实位置的偏离程度。当偏离程度较高时，地面管制员将不再依据确定的位置信息进行飞行器管制。

现有技术在获取HPL时，通常仅根据一个完好性误差模型获取飞行器在无卫星故障情况下的无故障位置信息解和有卫星故障情况下的故障位置信息子集解，进一步根据无故障位置信息解和故障位置信息子集解获取HPL，对于HPL的完好性和连续性均采用完好性误差模型进行限定，故对HPL的连续性的限定，导致仅采用完好性误差模型获取的HPL更加保守，HPL数值较大，降低了警告概率，因此HPL的准确度较低。

发明内容

本发明提供一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法和装置，用以克服现有基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测不够准确的问题。

本发明提供一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法，包括：

接收导航卫星系统发送的飞行器的飞行数据，根据所述飞行数据、完好性误差模型和连续性误差模型，获取所述飞行器在第一方向和第二方向上的所有故障情况下的故障位置信息子集解的方差和偏差，以及解分离量的方差和偏差，其中，所述故障位置信息子集解是根据导航卫星系统的预设故障模式的所有故障情况获取的，所述解分离量为所述故障位置信息子集解与所述飞行器在导航卫星系统无故障模式下的无故障位置信息解的差，每个所述故障情况均对应一个故障位置信息子集解和一个解分离量，所述第一方向和所述第二方向为平行于地面的相互垂直的两个方向；

在每一方向上，根据各方向上的所有故障情况下的所有解分离量的方差和偏差、所有所述故障位置信息子集解的方差和偏差，以及完好性风险预算和连续性风险预算，获取各方向上的水平保护级的目标函数和约束条件，根据所述约束条件对对应方向上的所述目标函数进行求解，获取所述第一方向上的第一水平保护级和所述第二方向上的第二水平保护级；

根据所述第一水平保护级和所述第二水平保护级获取水平保护级，以使机载ADS-B装置根据所述水平保护级获取导航完好性类别。

本发明另一方面提供一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法，包括：

接收飞行器发送的导航完好性类别；

根据水平位置误差对所述导航完好性类别进行校正，得到校正后的导航完好性类别；

根据地面管制标准，确定所述校正后的导航完好性类别的可用性。

本发明再一方面提供一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测装置，包括：

位置信息解获取模块，用于接收导航卫星系统发送的飞行器的飞行数据，根据所述飞行数据、完好性误差模型和连续性误差模型，获取所述飞行器在第一方向和第二方向上的所有故障情况下的故障位置信息子集解的方差和偏差，以及解分离量的方差和偏差，其中，所述故障位置信息子集解是根据导航卫星系统的预设故障模式的所有故障情况获取的，所述解分离量为所述故障位置信息子集解与所述飞行器在导航卫星系统无故障模式下的无故障位置信息解的差，每个所述故障情况均对应一个故障位置信息子集解和一个解分离量，所述第一方向和所述第二方向为平行于地面的相互垂直的两个方向；

水平保护级获取模块，用于在每一方向上，根据各方向上的所有故障情况下的所有解分离量的方差和偏差、所有所述故障位置信息子集解的方差和偏差，以及完好性风险预算和连续性风险预算，获取各方向上的水平保护级的目标函数和约束条件，根据所述约束条件对对应方向上的所述目标函数进行求解，获取所述第一方向上的第一水平保护级和所述第二方向上的第二水平保护级；

导航完好性类别获取模块，用于根据所述第一水平保护级和所述第二水平保护级获取水平保护级，以使机载ADS-B装置根据所述水平保护级获取导航完好性类别。

本发明又一方面提供一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测装置，包括：

接收模块，用于接收飞行器发送的导航完好性类别；

校正模块，用于根据水平位置误差对所述导航完好性类别进行校正，得到校正后的导航完好性类别；

可用性确定模块，用于根据地面管制标准，确定所述校正后的导航完好性类别的可用性。

本发明提供的基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法和装置，通过建立完好性误差模型和连续性误差模型，根据导航卫星系统发送的飞行数据，在导航卫星系统假设可能的故障模式下，获取故障模式下的所有故障情况下的飞行器的位置信息解，结合完好性风险预算和连续性风险预算和所有的位置信息解，建立水平保护级的目标函数和约束条件，根据约束条件对目标函数求解，得到水平保护级，以使机载ADS-B装置根据水平保护级获取导航完好性类别。通过建立完好性误差模型和连续性误差模型，提高了水平保护级的准确度，进而提高了根据水平保护级获得的导航完好性类别(Navigation IntegrityCategory，简称NIC)的准确度，进一步使得地面广播式自动相关监视指令标准(AutomaticDependent Surveillance–Broadcast，简称ADS-B)装置，可准确评估导航完好性类别的可用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法实施例一系统架构示意图；

图2为本发明提供的基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法实施例一的流程示意图；

图3为本发明提供的基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测装置实施例一的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法实施例一系统架构示意图。如图1所示，该系统包括至少一个飞行器，导航卫星系统和管控装置。飞行器示例性的可以为飞机、无人机等。导航卫星系统可以为至少一个卫星或至少一个星座，一个星座中包括多个卫星。管控装置对空中飞行的飞行器的飞行路线进行管控，示例性的可以为服务器、基站等。导航卫星系统对飞行器进行监测，并将飞行器的飞行数据发送给飞行器上的接收机，接收机在接收到导航卫星系统发送的飞行数据后，根据该些飞行数据获取飞行器的位置信息，然后将飞行器的位置信息发送给管控装置，以使管控装置根据飞行器的位置进行管制。但是，由于导航卫星系统中可能存在一个或多个卫星或星座故障，导致发送给飞行器的飞行数据中存在错误数据，进而影响获取到的位置信息可能不准确，故影响了位置信息的可用性。因此，通常在飞行器的接收机中还设置有导航完好性监测装置，用以监测导航卫星系统中是否存在故障，并在预设故障情况下，估计水平保护级并发送给管控装置，以使管控装置根据飞行器发送的水平保护级对应的导航完好性类别确定导航卫星系统提供的当前的飞行器的位置信息是否可用。示例性的，现有技术中通常采用接收机自主完好性监测(Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring，简称ARAIM)算法根据导航卫星系统提供的飞行数据获取水平保护级。

下面采用具体实施例对本发明提供的基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法进行详细说明。图2为本发明提供的基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法实施例一的流程示意图。该方法应用于如图1所示的系统结构中，该方法的执行主体可以通过软件或硬件实现，也可为完好性监测装置。如图2所示，该方法包括：

步骤201、接收导航卫星系统发送的飞行器的飞行数据，根据飞行数据、完好性误差模型和连续性误差模型，获取飞行器在第一方向和第二方向上的所有故障情况下的故障位置信息子集解的方差和偏差，以及解分离量的方差和偏差，其中，故障位置信息子集解是根据导航卫星系统的预设故障模式的所有故障情况获取的，解分离量为故障位置信息子集解与飞行器在导航卫星系统无故障模式下的无故障位置信息解的差，每个故障情况均对应一个故障位置信息子集解和一个解分离量，第一方向和第二方向为平行于地面的相互垂直的两个方向；

步骤202、在每一方向上，根据各方向上的所有故障情况下的所有解分离量的方差和偏差、所有故障位置信息子集解的方差和偏差，以及完好性风险预算和连续性风险预算，获取各自方向上的水平保护级的目标函数和约束条件，根据约束条件对对应方向上的目标函数进行求解，获取第一方向上的第一水平保护级和第二方向上的第二水平保护级；

步骤203、根据第一水平保护级和第二水平保护级获取水平保护级，以使机载ADS-B装置根据水平保护级获取导航完好性类别。

在对导航卫星系统完好性进行监测时，通常采用假设导航卫星系统出现故障，根据导航卫星系统的故障模式，确定不同故障情况，针对每一故障情况，在所有飞行数据中排除该故障情况对应的故障卫星所提供的飞行数据，确定该故障情况下的飞行器的故障位置信息解。并获取无卫星故障情况下的无故障位置信息解。当导航卫星系统中确实没有卫星故障时，所有的故障位置信息解与无故障位置信息解相差不大，当导航卫星系统中存在卫星故障时，各故障位置信息解、无故障位置信息解中存在相差较大的位置信息解。依据该原理，可将故障卫星排除，再根据所有无故障卫星获取飞行器的位置信息，可根据无故障位置信息解和故障位置信息解获取水平保护级，当无卫星故障时，对应的水平保护级数值越小，当存在卫星故障时，对应的水平保护级数值越大。示例性的，水平保护级是一个圆的半径，该圆的圆心位于飞机的真实位置，并确保飞机的计算位置包含在了在给定连续性风险和完好性风险下所指示的圆内。

具体的，在步骤201中，对于导航卫星系统，当不存在故障卫星或星座时，记为无故障模式，当存在故障卫星或星座时，根据故障卫星的数量，可分为不同的故障模式，示例性的，可以为一颗卫星故障模式、两颗卫星故障模式等。具体的，当一个星座故障时，认为星座中包含的所有卫星均故障，其处理方式与卫星故障的处理方式相同，故下文中均以卫星故障为例，不再赘述。不同的故障模式对应多个故障情况，示例性的，当为一颗卫星故障模式时，导航卫星系统中的所有卫星中任一颗卫星故障为一个故障情况，例如当存在N_sat个卫星时，故障情况包括：第1个卫星故障，第2个卫星故障……第N_sat个卫星故障；当为两颗卫星故障时，导航卫星系统中的所有卫星中任两颗卫星故障为一个故障情况。当导航卫星系统中不存在故障卫星时，获取的飞行器的位置信息为飞行器在导航卫星系统无故障模式下的无故障位置信息解，当导航卫星系统中存在故障时，获取飞行器在导航卫星系统的故障模式下的所有故障情况下的位置信息，由于此时存在多个位置信息，故记为故障位置信息子集解。考虑到导航卫星系统提供的飞行数据可能存在时间差和误差等情况，可根据飞行数据、完好性误差模型和连续性误差模型确定每个位置信息解对应的方差和偏差。根据每个位置信息解的方差和偏差即可获取无故障位置信息解距离飞行器真实位置的偏差，该偏差记为水平保护级，当该偏差过大时，则表明确实存在故障卫星，飞行器的位置信息不够准确，无法将该位置信息用于飞行器的管制。

完好性误差模型中确定了导航卫星系统中每个卫星的方差σ²和最大标称偏差b，连续性误差模型中确定了导航卫星系统中每个卫星的连续性方差和最大标称偏差b_cont。可选的，完好性误差模型可参考标准ICAO Annex 10，连续性误差模型可参考标准RTCA DO 229D。完好性误差模型中，表示卫星i的完好性方差，表示用户测距精度，示例性的可以为0.5m；b_i表示卫星i的完好性最大标称偏差，示例性的可以为0.75m。预设连续性误差模型中，表示卫星i的连续性方差，表示用户测距误差，该用户测距表示飞行器与各卫星之间的测量距离，示例性的可以为0.25m，b_cont,i表示卫星i的连续性最大标称偏差，示例性的可以为0.1m。其中，表示对流层延迟误差，表示码噪声和多径干扰误差，i表示导航卫星系统中的第i颗卫星，i的取值为1至N_sat，N_sat表示导航卫星系统中的卫星总个数。

当确定完好性误差模型和连续性误差模型后，根据两个误差模型和飞行数据，采用ARAIM算法进行计算，获得飞行器在平行于地面的相互垂直的第一方向和第二方向上的位置信息解，该位置信息解具体包括飞行器在导航卫星系统无故障模式下的无故障位置信息解，以及对应的方差和偏差；该位置信息解还包括飞行器在导航卫星系统故障模式下的所有故障情况下的故障位置信息子集解，以及对应的方差和偏差。

具体的，在步骤202中，针对第一方向和第一方向，根据第一方向上的所有故障情况下的所有解分离量的方差和偏差、所有故障位置信息子集解的方差和偏差，以及完好性风险预算和连续性风险预算，获取第一方向上的水平保护级的目标函数和约束条件，根据该约束条件对该目标函数进行求解，获取第一方向上的第一水平保护级；根据第二方向上的所有故障情况下的解分离量的方差和偏差、所有故障位置信息子集解的方差和偏差，以及完好性风险预算和连续性风险预算，获取第二方向上的水平保护级的目标函数和约束条件，根据该约束条件对该目标函数进行求解，获取第二方向上的第二水平保护级。其中，水平保护级的目标函数根据方差和偏差建立，故可表示无故障位置信息解与飞行器真实位置信息的偏离程度。

可选的，在具体处理过程中，对于第一方向和第二方向采用形同的处理方式，针对任一方向可具体根据该方向上的约束条件和净效应原理，对该方向上的目标函数应用拉格朗日数学模型和半区间法进行求解，从而获取第一水平保护级或第二水平保护级。

具体的，在步骤203中，根据第一水平保护级HPL₁和第二水平保护级HPL₂采用公式获取水平保护级HPL，在获取到水平保护级后，发送给机载ADS-B装置，使得机载ADS-B装置可参考美国广播式自动相关监视指令标准，确定导航完好性类别NIC。示例性的，当水平保护级HPL小于370.4km，且精度达到0.2nm时，导航完好性类别NIC的数值为大于等于7。

本发明提供的基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法，通过建立完好性误差模型和连续性误差模型，根据导航卫星系统发送的飞行数据，在导航卫星系统假设可能的故障模式下，获取故障模式下的所有故障情况下的飞行器的位置信息解，结合完好性风险预算和连续性风险预算和所有的位置信息解，建立水平保护级的目标函数和约束条件，根据约束条件对目标函数求解，得到表示飞行器的位置信息解与真实位置信息的偏离程度的水平保护级，以使机载ADS-B装置根据水平保护级获取导航完好性类别。通过建立完好性误差模型和连续性误差模型，提高了水平保护级的精确程度。

进一步地，结合图2在上述实施例的基础上，在步骤201之前，还包括：接收完好性支持信息，根据完好性支持信息中包含的导航卫星系统故障概率确定需要监测的导航卫星系统故障模式。

示例性的，可根据地面完好性支持信息参考站发送的完好性支持信息，对导航卫星系统的故障情况进行假设。地面完好性支持信息参考站可以与管控装置集成设置在一起，也可分开设置。完好性支持信息中包含卫星故障概率或星座故障概率，该概率值具体是根据星基增强系统发送的信息确定的。示例性的，完好性支持信息中包含卫星故障概率p_sat，当p_sat＝10^-5时，只考虑单颗卫星故障或单星座故障的情况，当p_sat＝10^-4时，需考虑2颗卫星同时故障的情况，当p_sat＝10^-3时，需考虑3颗卫星同时故障的情况。

示例性的，结合图2下面采用具体实施例对步骤201中的获取飞行器的位置信息解进行详细说明。

示例性的，在获取飞行器在第一方向和第二方向上的位置信息解时，由于两个方向上的处理方法类似，以下仅以一个方向为例。当存在两个方向处理方式不一致时，不同的方向用q区分，当q为1时，表示第一方向，q为2时，表示第二方向。

飞行器在导航卫星系统无故障模式下的无故障位置信息解，记为x⁽⁰⁾，对应的方差为σ⁽⁰⁾²，偏差为b⁽⁰⁾；飞行器在导航卫星系统故障模式下的所有故障情况下的故障位置信息子集解，记为x^(k)，对应的方差为σ^(k)2，偏差为b^(k)。

其中，k取取0至Nmod，表示所述卫星预设故障模式下的不同故障情况，Nmod表示所述预设故障模式下的故障情况的总个数，k取0表示卫星无故障模式，x^(k)＝(G^TW_int ^(k)G)^- ¹G^TW_int ^(k)y，y表示卫星到飞行器的距离的测量变化量的向量，G为预设矩阵，表示由卫星的状态空间到测量空间的转移矩阵。W_int表示用于估计伪距测量值的最小二乘加权矩阵。

其中，

当i＝k时；当i≠k时；其中i取1至N_sat。

获取故障位置信息子集解的方差σ^(k)的公式为：其中q取1或2，分别表示第一方向或第二方向，当q取1时，的取值为矩阵(G^TW_int ^(k)G)^-1中第一行第一列的元素。

获取无故障位置信息解的方差σ⁽⁰⁾²的公式为：σ⁽⁰⁾＝(G^TW_int ⁽⁰⁾G)^-1；获取故障位置信息子集解的偏差b^(k)的公式为：获取无故障位置信息解的偏差b⁽⁰⁾的公式为：获取解分离量的方差的公式为：获取解分离量的偏差的公式为：W_cont根据连续性误差模型的连续性方差获得，获取公式如下：

其中，S^(k)＝(G^TW_int ^(k)G)^-1G^TW_int ^(k)。

示例性的，在此基础上，步骤202中的目标函数为：

约束条件为：

和

其中，

表示故障情况k下解分离量的方差，表示故障情况k下解分离量的偏差、σ^(k)表示故障情况k下故障位置信息子集解的方差，b^(k)表示故障情况k下故障位置信息子集解的偏差；Q^-1表示零均值预设方差的高斯分布函数的逆，PHMI^(K)表示故障情况k下分配的完好性风险预算，PHMI_HOR表示预设总完好性预算，表示故障情况k下分配的连续性风险预算，P_cont表示预设总连续性预算，P_fault，k表示故障情况k发生的概率。

具体的，在对目标函数求解时，为便于数学计算，采用标记法改变原始符号和变量，令

a_k＝P_fault，k；

B＝P_cont，b_k＝1，b₀＝0；

故原目标函数表示为：

约束条件可表示为：

然后，通过分析净效应，可以得出在目标函数的最小化解上存在：

约束条件故目标函数和约束条件可重写为：

对重写后的目标函数应用拉格朗日乘数法数学模型，将问题化为函数的无条件极值问题，得到公式L：

其中，α^(k)，η,λ为应用拉格朗日乘数法而引入的预设变量。

对上述公式L分别进行η,λ求导，即可得到公式(1)和公式(2)：

其中，为减少变量，令μe为η,λ的函数，根据公式L可知，r^(k)、t^(k)也可用x和μ表示，故可进一步将公式(1)和公式(2)化简为包含变量x和μ的两个公式。

最后利用半区间法，沿一条约束条件曲线μ(x)进行收敛搜索，取同时满足两个约束条件的点x，求解得到的点x即为水平保护级。

可选的，在上述任一实施例的基础上，步骤202之前，还包括：

对所有故障情况下的故障位置信息子集解进行阈值检测和卡方检测；

当检测未通过，则在所有故障情况下的故障位置信息子集解中，去除掉未通过检测的故障位置信息子集解。

示例性的，通过对所有故障情况下的故障位置信息子集解进行ARAIM算法中的阈值检测和卡方检测，可筛除掉故障卫星所带来的飞行数据，确保了水平保护级的准确度。

本发明另一方面提供一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法，该方法执行主体为地面的管控装置，该装置可通过软件或硬件实现，该方法包括：

接收飞行器的接收机发送的导航完好性类别；

根据水平位置误差HPE对导航完好性类别NIC进行校正，得到校正后的导航完好性类别NIC；

根据预设地面标准，确定校正后的导航完好性类别NIC的可用性。

示例性的，水平位置误差HPE的获取具体可以为：

接收飞行器在第一时刻的位置信息和飞行器在第二时刻的位置信息；

根据第二时刻的位置信息获取飞行器在第一时刻的估计位置信息；

根据第一时刻的位置信息和第一时刻的估计位置信息之间的距离获取水平位置误差HPE；

其中，第二时刻为第一时刻之前的时刻，第一时刻为接收飞行器发送的导航完好性类别的时刻。

具体的，在根据第二时刻的飞行器的位置信息获取飞行器在第一时刻的估计位置信息时，估计位置信息(ξTRU，ηTRU)可由如下公式计算得到：

ξTRU＝ξNAV+Δξ；

ηTRU＝ηNAV+Δη；

其中，ξNAV是飞行器在第二时刻的位置信息的纬度；ηNAV是飞行器在第二时刻的位置信息的经度；Δξ和Δη是由延时和速度带来的距离和方位角的影响；

具体的，获取HPE时，可利用如下公式分别对估计位置信息和飞行器在第一时刻的位置信息进行坐标变化，从ECEF椭球坐标(纬度(φ)，经度(θ)，高度(h))变化至笛卡尔坐标(x，y，z)：

其中，e为第一椭球偏心率，定义为e＝0.08181919；N为卯酉圈曲率半径，定义为：a＝6378137，a为地球赤道半径值；将变换为笛卡尔坐标的估计位置信息(X_TRU，Y_TRU)和第一时刻的位置信息(X，Y)参照如下所述公式进行比较，得到HPE：

具体的，地面的管控装置在接收到机载ADS-B装置发送的导航完好性类别NIC后，根据水平位置误差HPE，对NIC进行校正。示例性的，校正过程可以为，根据MAX(HPE,HPL(NIC))确定校正后的NIC，即将HPE与接收到的NIC对应的HPL相比较，确定其中较大的值，根据该较大的值来确定修正后的NIC，当HPE大于HPL时，需要修正；当HPE小于HPL时无需修正。管控装置比较校正后的导航完好性类别NIC是否满足预设地面标准，当满足时，该校正后的导航完好性类别NIC可用，否则不可用。示例性的，还可通过判断校正后的导航完好性类别NIC是否符合指导飞行器间隔保证(Aircraft Separation Assurance，简称ASA)应用要求来确定校正后的导航完好性类别NIC的可用性。

可选的，导航完好性类别的校正也可由飞行器执行。通过进行导航完好性类别校正，可提高导航完好性类别可用性的准确度。

本方法另一方面还提供一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测装置，用以执行如上所述的基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法，具有相同的技术特征和技术效果，本发明不再赘述。

图3为本发明提供的基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测装置实施例一的结构示意图。如图3所示，该装置包括：

位置信息解获取模块301，用于接收导航卫星系统发送的飞行器的飞行数据，根据飞行数据、完好性误差模型和连续性误差模型，获取飞行器在第一方向和第二方向上的所有故障情况下的故障位置信息子集解的方差和偏差，以及解分离量的方差和偏差，其中，故障位置信息子集解是根据导航卫星系统的预设故障模式的所有故障情况获取的，解分离量为故障位置信息子集解与飞行器在导航卫星系统无故障模式下的无故障位置信息解的差，每个故障情况均对应一个故障位置信息子集解和一个解分离量，第一方向和第二方向为平行于地面的相互垂直的两个方向；

水平保护级获取模块302，用于在每一方向上，根据各方向上的所有故障情况下的所有解分离量的方差和偏差、所有故障位置信息子集解的方差和偏差，以及完好性风险预算和连续性风险预算，获取各自方向上的水平保护级的目标函数和约束条件，根据约束条件对对应方向上的目标函数进行求解，获取第一方向上的第一水平保护级和第二方向上的第二水平保护级；

导航完好性类别获取模块303，用于根据第一水平保护级和第二水平保护级获取水平保护级，以使机载ADS-B装置根据水平保护级获取导航完好性类别。

可选的，水平保护级获取模块202具体用于，分别根据两个方向上的约束条件和净效应原理，对两个方向上的目标函数应用拉格朗日数学模型和半区间法进行求解，获取第一方向上的第一水平保护级和第二方向上的第二水平保护级。

进一步地，上述任一实施例中，目标函数为：

约束条件为：

和

其中，

其中，k取0至N_mod，表示卫星预设故障模式下的不同故障情况，N_mod表示预设故障模式下的故障情况的总个数，k取0表示卫星无故障模式，表示解分离量的方差，表示解分离量的偏差、σ^(k)表示故障位置信息子集解的方差，b^(k)表示故障位置信息子集解的偏差；Q^-1表示零均值预设方差的高斯分布函数的逆，PHMI^(K)表示故障情况k下分配的完好性风险预算，PHMI_HOR表示预设总完好性预算，表示故障情况k下分配的连续性风险预算，P_cont表示预设总连续性预算，P_fault，k表示故障情况k发生的概率。

可选的，在上述任一实施例的基础上，基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测装置还包括：完好性支持信息接收模块，用于接收完好性支持信息，根据完好性支持信息中包含的导航卫星系统故障概率确定需要监测的导航卫星系统故障模式。

可选的，在上述任一实施例的基础上，基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测装置还包括：检测模块，用于对所有故障情况下的故障位置信息子集解进行阈值检测和卡方检测；

本发明又一方面提供一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测装置，具体可以为管控装置，用于接收飞行器发送的导航完好性类别；根据水平位置误差对导航完好性类别进行校正，得到校正后的导航完好性类别；根据地面管制标准，确定校正后的导航完好性类别的可用性。

可选的，该装置还用于，接收飞行器在第一时刻的位置信息和飞行器在第二时刻的位置信息；根据第二时刻的位置信息获取飞行器在第一时刻的估计位置信息；根据第一时刻的位置信息和第一时刻的估计位置信息之间的距离获取水平位置误差；

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述约束条件对对应方向上的所述目标函数进行求解，获取所述第一方向上的第一水平保护级和所述第二方向上的第二水平保护级，包括：

分别根据两个方向上的所述约束条件和净效应原理，对两个方向上的所述目标函数应用拉格朗日数学模型和半区间法进行求解，获取所述第一方向上的第一水平保护级和所述第二方向上的第二水平保护级。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

所述目标函数为：

<mrow> <mi>H</mi> <mi>P</mi> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mi>M</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>M</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mi>M</mi> <mi>I</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <msup> <mi>&sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <msubsup> <mi>&sigma;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>+</mo> <msup> <mi>b</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>B</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

所述约束条件为：

和

其中，

其中，k取0至N_mod，表示所述卫星预设故障模式下的不同故障情况，N_mod表示所述预设故障模式下的故障情况的总个数，k取0表示卫星无故障模式，表示故障情况k下所述解分离量的方差，表示故障情况k下所述解分离量的偏差、σ^(k)表示故障情况k下所述故障位置信息子集解的方差，b^(k)表示故障情况k下所述故障位置信息子集解的偏差；Q^-1表示零均值预设方差的高斯分布函数的逆，PHMI^(K)表示故障情况k下分配的完好性风险预算，PHMI_HOR表示预设总完好性预算，表示故障情况k下分配的连续性风险预算，P_cont表示预设总连续性预算，P_fault，k表示故障情况k发生的概率。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述接收导航卫星系统发送的飞行器的飞行数据之前，还包括：

接收完好性支持信息，根据所述完好性支持信息中包含的导航卫星系统故障概率确定需要监测的导航卫星系统故障模式。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在每一方向上，根据各方向上的所有故障情况下的所述解分离量的方差和偏差、所有所述故障位置信息子集解的方差和偏差，以及完好性风险预算和连续性风险预算，获取各方向上的水平保护级的目标函数和约束条件之前，还包括：

当检测未通过，则在所有所述故障情况下的故障位置信息子集解中，去除掉未通过检测的故障位置信息子集解。

6.一种基于ARAIM风险分配优化的ADS-B可用性预测装置，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述水平保护级获取模块具体用于，分别根据两个方向上的所述约束条件和净效应原理，对两个方向上的所述目标函数应用拉格朗日数学模型和半区间法进行求解，获取所述第一方向上的第一水平保护级和所述第二方向上的第二水平保护级。