CN106324622B - 一种局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法，包括以下步骤：S1，基本定位解算；S2，码伪距差分双差；S3，码伪距双差线性化；S4，码伪距差分定位解算；S5，定位差分校验；S6，系统完好性监测；S7，伪距修订量生成。本发明不需要对现阶段典型的局域增强系统进行架构性的调整，只需要对中心站的监测计算进行调整即可以实现。由于通过本地参考站坐标对差分定位的偏差进行了直接评估，使得接收机不仅仅可以通过差分方法进行定位，而是在差分定位和直接伪距修订的单点定位之间进行选择，更大程度保障了系统定位增强的可用性。

Description

一种局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法

技术领域

本发明涉及卫星导航定位增强技术，具体涉及一种基于参考站定位偏差分析的局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法。

背景技术

目前，由于接收机自主完好性监测的自主性和实现简单等特点，美国航空无线电委员(RTCA)将RAIM算法作为民用航空航路和终端阶段的完好性监测推荐算法。根据ICAO于2007年制定的民用航空基于性能导航的路线图计划，基于GNSS的民用航空导航完好性监测必须至少能够支持APV及以上等级所需导航性能要求。然而，接收机自主完好性监测难以满足高等级的所需导航性能(APV及以上)要求。解决方法之一是采用高精度的外部辅助导航器件，如惯性导航系统与GPS组合形成机载增强系统(Aircraft Based AugmentationSystem,ABAS)。然而，一方面，高精度惯性导航系统的引入意味着系统需要监测完好性风险源的增多，监控算法复杂度提高而适用性降低，因此到目前为止关于GPS/INS紧组合导航系统的设备只能支持CAT I所需导航性能，而且难以有效检测缓变型故障(故障增长幅值低于2m/s)。另一方面，机载设备的冗余性也将使得飞行器的能源消耗增加，这与基于性能导航改善环境(尾气排放和噪声)的初衷是相违背的。

局域增强系统通过采集四个固定观测站点的GNSS观测信息，对局部空域内的卫星信号质量进行完好性监测。完好性监测主要针对观测站点获取的伪距、信噪比、卫星仰角等信息，综合评估各独立的卫星通道信号质量，以判断其是否能够保证局部范围内的接收机都能够基于这些卫星通道的信号完成既定定位误差保护范围内的实时定位。由于采用了多个观测站点的信息，该系统能够提供更为可靠的完好性监测能力，并且能对局部空域内的接收机提供伪距修订量，令其定位精度得到增强。

为了使得局域增强系统的定位修订能力满足精密进近CAT II/III所需导航性能，除了基本的完好性评估及伪距修订以外，还需要引入差分定位技术。该技术让局部空域内的接收机进行差分定位解算，以达到亚米级的定位精度要求。由于精密进近定位误差的保护范围比普通局域增强系统定位误差范围降低了一个量级，对其完好性监测的要求也同时提高。典型的完好性分析方法--sigma膨胀法，其统计边界的设定要求噪声满足高斯分布。实际环境中，非零均值误差和非高斯误差，会使得sigma膨胀法的控制边界难以界定，尤其在高精度定位要求下，通过预设的控制边界统一囊括各种实时误差状况已经无法达成。

传统完好性监测方法的基本思想在于分析观测量和修订量的统计分布，获取统计边界并依此对实时获取的观测量进行判定，一旦越界，就认为该通道的观测量需要丢弃。然而，在引入差分定位机制以后，观测量的突发变化如果在差分设备的两端同时发生，这类突变可以被差分运算抵消，而不会引起定位位置的突发变化。最终引起定位位置误差的因素，来自于差分设备两端异化的干扰，主要源于空间传输差异引起的时延差异及接收端近地多径和设备噪声。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法，包括以下步骤：

S1，基本定位解算；

S2，码伪距差分双差；

S3，码伪距双差线性化；

S4，码伪距差分定位解算；

S5，定位差分校验；

S6，系统完好性监测；

S7，伪距修订量生成。

进一步地，所述步骤S1具体为：

定位解算基于接收机与卫星之间的伪距测算：

ρ＝r+c(b_u-B^S)+I+T+M+ε_ρ

其中等式右边的变量依次为卫星到接收机的真实距离、光速、接收机钟偏、卫星钟偏、电离层延迟、对流层延迟、多径延迟以及码相位误差；根据系统的模型参数将大部分偏差修订，并且忽略掉残余误差，则修订伪距近似表达为：

由星历数据获取第n颗卫星位置(x⁽ⁿ⁾,y⁽ⁿ⁾,z⁽ⁿ⁾)，则该式剩下接收机位置(x,y,z)以及接收机钟偏b_u；在一个独立历元时间上，一个接收机获得四颗卫星的测算数据即解算出自己的位置；由四个ρ_c联立的方程中，矩阵计算无法处理根号，因此该方程不能直接解算，而是将该式子通过泰勒级数在(x,y,z)位置展开，并且保留一阶和零阶项，得到线性化式；令：

则线性化式为：

ρ_c ⁽ⁿ⁾＝ρ₀ ⁽ⁿ⁾-(α⁽ⁿ⁾ β⁽ⁿ⁾ γ⁽ⁿ⁾)(δ_x δ_y δ_z)^T-c·b_u

联立方程为：

GdX＝dL

其中，

dX＝[δ_x δ_y δ_z c·b_u]^T

dL＝[dρ_c ⁽¹⁾ dρ_c ⁽²⁾ dρ_c ⁽³⁾ dρ_c ⁽⁴⁾]

dρ_c ⁽ⁿ⁾＝ρ₀ ⁽ⁿ⁾-ρ_c ⁽ⁿ⁾

通过一个预设值(x₀,y₀,z₀)，则获得dL与G，然后通过下式获得dX：

dX＝(G^TG)^-1G^TdL

求解过程中，Q＝(G^TG)^-1称为权系数阵；获得dX以后，即用dX中的坐标位置更新(x₀,y₀,z₀)，再次进行迭代，直到X趋于稳定。

更进一步地，所述步骤S2具体为：

码伪距差分需要依赖至少一个基准点与一个观测点，通过基准点的已知信息来增强观测点定位解算精度；差分算法基于两个点对卫星观测伪距的双差，为此分别定义基准点和观测点的伪距观测量为：

其中上下标()分别表示卫星编号与观测点编号，后续观测点编号b＝1始终表示基准点，观测点编号顺延；卫星方向都向1号星做差，单差量为：

观测点都向1号站做差，进行双差操作后将时不变残差归入双差残差，双差量为：

更进一步地，所述步骤S3具体为：

双差量中包含了卫星和观测点间的真实距离双差DDr，与单点观测伪距类似，该变量使得方程无法直接解算，必须线性化；双差线性化与伪距线性化思路类似，将一颗卫星与两个观测点的距离差与两观测点之间的向量联系起来，通过卫星端小角度的近似处理完成线性化。

所述步骤S4具体为：

对码伪距双差式线性化获得基线与方向向量双差关系方程：

为了获得基线的三个坐标，需要三个双差值，对应n＝4；这与单点解算的需求相同，但该解算不需要迭代，并且误差修订略优；根据基本线性方程的LS解算式：

y＝Ax+e

将阵和向量代入，即求得的估计值；在了解y自相关方差先验信息情况下，构造权系数阵W：

其中σ_i ²对应每一路伪距的先验方差，该值通过卫星高度和摄动信息、仰角、对应的电离层和对流层延迟估计、接收通道多径误差估计的信息来共同构建；这样就对线性方程进行基于权W的LS解算：

单历元的码伪距差分引入了基准站位置信息，在定位精度上有一定提升，但定位精度仍然保持在m级别；这是由于y自身的m级噪声标准差造成的。

本发明的优点：

本发明不需要对现阶段典型的局域增强系统进行架构性的调整，只需要对中心站的监测计算进行调整即可以实现。由于通过本地参考站坐标对差分定位的偏差进行了直接评估，使得接收机不仅仅可以通过差分方法进行定位，而是在差分定位和直接伪距修订的单点定位之间进行选择，更大程度保障了系统定位增强的可用性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的一种局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法流程图；

图2是本发明的一种局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法的通过卫星端小角度的近似处理完成线性化处理的流程图；

图3是本发明的一种局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法对OP进行修订的流程图。

附图标记：

1为卫星位置S、2为观测点伪距r2、3为垂足点O、4为r1等距点P、5为近似伪距差OB、6为伪距差PB、7为观测点位置B、8为基线A->B、9为基准点位置A、10为基准点伪距r1；

11为S、12为J、13为垂足点O、14为P、15为近似距差OB、16为伪距差PB、17为B、18为I、19为H、20为向量A->B、21为A、22为垂足D。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，如图1所示的一种局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法，包括以下步骤：

S1，基本定位解算；

S2，码伪距差分双差；

S3，码伪距双差线性化；

S4，码伪距差分定位解算；

S5，定位差分校验；

S6，系统完好性监测；

S7，伪距修订量生成。

所述步骤S1具体为：

定位解算基于接收机与卫星之间的伪距测算：

ρ＝r+c(b_u-B^S)+I+T+M+ε_ρ

其中等式右边的变量依次为卫星到接收机的真实距离、光速、接收机钟偏、卫星钟偏、电离层延迟、对流层延迟、多径延迟以及码相位误差。根据系统的模型参数可以将大部分偏差修订，并且忽略掉残余误差，则修订伪距可以近似表达为：

由星历数据获取第n颗卫星位置(x⁽ⁿ⁾,y⁽ⁿ⁾,z⁽ⁿ⁾)，则该式剩下接收机位置(x,y,z)以及接收机钟偏b_u。在一个独立历元时间上，一个接收机获得四颗卫星的测算数据即可以解算出自己的位置。由四个ρ_c联立的方程中，矩阵计算无法处理根号，因此该方程不能直接解算，而是将该式子通过泰勒级数在(x,y,z)位置展开，并且保留一阶和零阶项，得到线性化式。令：

则线性化式为：

ρ_c ⁽ⁿ⁾＝ρ₀ ⁽ⁿ⁾-(α⁽ⁿ⁾ β⁽ⁿ⁾ γ⁽ⁿ⁾)(δ_x δ_y δ_z)^T-c·b_u

联立方程为：

GdX＝dL

其中，

dX＝[δ_x δ_y δ_z c·b_u]^T

dL＝[dρ_c ⁽¹⁾ dρ_c ⁽²⁾ dρ_c ⁽³⁾ dρ_c ⁽⁴⁾]

dρ_c ⁽ⁿ⁾＝ρ₀ ⁽ⁿ⁾-ρ_c ⁽ⁿ⁾

通过一个预设值(x₀,y₀,z₀)，则可以获得dL与G，然后通过下式获得dX：

dX＝(G^TG)^-1G^TdL

求解过程中，Q＝(G^TG)^-1称为权系数阵。获得dX以后，即可用dX中的坐标位置更新(x₀,y₀,z₀)，再次进行迭代，直到X趋于稳定。

所述步骤S2具体为：

码伪距差分需要依赖至少一个基准点与一个观测点，通过基准点的已知信息来增强观测点定位解算精度。差分算法基于两个点对卫星观测伪距的双差，为此分别定义基准点和观测点的伪距观测量为：

其中上下标()分别表示卫星编号与观测点编号，后续观测点编号b＝1始终表示基准点，观测点编号顺延。卫星方向都向1号星做差，单差量为：

观测点都向1号站做差，进行双差操作后将时不变残差归入双差残差，双差量为：

所述步骤S3具体为：

双差量中包含了卫星和观测点间的真实距离双差DDr，与单点观测伪距类似，该变量使得方程无法直接解算，必须线性化。双差线性化与伪距线性化思路类似，将一颗卫星与两个观测点的距离差与两观测点之间的向量联系起来，通过卫星端小角度的近似处理完成线性化：

如图2所示，由卫星S和两个观测点A与B构成三角形，A指向B的向量A->B命名为观测点B的基线。该线性化的基础在于用近似的伪距差OB代替真实的伪距差PB用于解算基线。因此，为了保证近似误差足够小，需要假定基线长度在10km以下。卫星到地面观测点的伪距一般在2～3e4km左右，该假设可以保证r1和r2的长度比AB长度大了2000倍以上。这样一来，OP的长度就可以忽略不计。根据三角形SAB和向量内积的基本关系，可获得：

其中AS-BS即为一颗卫星与两个观测点之间的单差，AS为卫星与基准点之间的真实伪距(由基准点坐标计算)，为基准点指向观测点的基线。基线在多颗卫星的单差式中都是一致的，由此可将DDr线性化。令卫星位置为S⁽ⁿ⁾,观测点位置为B_(b)，线性化式为：

该近似计算可将基于码伪距的双差方程进行解算，以获得基线向量。但该近似式的固有误差OP，在基于载波相位伪距的双差解算中，会降低精度。OP可用于码伪距近似解，是因为码伪距本身携带了1m级别的观测误差，而OP误差本身是小于1m级别的。在基于载波相位伪距的双差方程中，对OP进行修订是必要的。

如图3所示，假设SB>SA，可在SB上找到SA的等距点P，在SA的延长线上找到SB的等距点I。分别过A和B做对应的垂线，可得到两个垂足O和H。据此可以AB为斜边获得两个直角三角形，OB和HA都以AB的斜边，分别对应角SBA和角SAB。由于PB＝AI，于是OP可以用HI来修订，计算过程如下：

此时忽略掉OP和HI的差别，则可以获得PB的近似解：

然后分析该近似的误差情况：OP和HI处于两个相似三角形中，可以容易得到：

在根据AP和BI所处的两个等腰三角形，可知：

则可以得到：

根据S和AB两点距离约1e7m的基本假设可知，当基线长度AB在10km时，是一个1e-4级别的数；当AB在40km时，是一个1e-3级别的数。这样，该修订可将线性化的误差由OP修订为约0.5e-3～0.5e-4OP。另外，该修订方法在B位置不可靠时(与理想位置偏差20m量级)，可用理想的SA替代SB，依然可以保持相同量级。经过上述近似过程，DDr的线性化式为：

该近似式的物理意义即是，距离双差可以用地面站基线以及卫星与地面站间方向向量的双差来表达。用表示 用表示则简写为：

所述步骤S4具体为：

对码伪距双差式线性化获得基线与方向向量双差关系方程：

为了获得基线的三个坐标，需要三个双差值，对应n＝4；这与单点解算的需求相同，但该解算不需要迭代，并且误差修订略优；根据基本线性方程的LS解算式：

y＝Ax+e

将阵和向量代入，即求得的估计值；在了解y自相关方差先验信息情况下，构造权系数阵W：

其中σ_i ²对应每一路伪距的先验方差，该值通过卫星高度和摄动信息、仰角、对应的电离层和对流层延迟估计、接收通道多径误差估计的信息来共同构建；这样就对线性方程进行基于权W的LS解算：

单历元的码伪距差分引入了基准站位置信息，在定位精度上有一定提升，但定位精度仍然保持在m级别；这是由于y自身的m级噪声标准差造成的。

本发明提出了一种基于参考站定位偏差分析的局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法。该方法从根本上改变完好性监测基于观测量统计分析的基本思想，将参考站的定位偏差分析作为完好性评价的基本指标，并以此顺推界定观测量统计分析的控制边界。与此同时，根据局域差分定位解算的特点，设计出通过参考站的实时定位偏差对局域内用户端差分接收机的定位偏差进行直接计算和评估的方法。通过直接计算获得的偏差范围，能够更简单而直接地与保护门限进行比对，提高局域精密进行控制的可行性及可靠性。

该发明并不需要对现阶段典型的局域增强系统进行架构性的调整，只需要对中心站的监测计算进行调整即可以实现。由于通过本地参考站坐标对差分定位的偏差进行了直接评估，使得接收机不仅仅可以通过差分方法进行定位，而是在差分定位和直接伪距修订的单点定位之间进行选择，更大程度保障了系统定位增强的可用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种局域增强系统完好性监测及实时定位增强方法，其特征在于，括以下步骤：

S1，基本定位解算；

S2，码伪距差分双差；

S3，码伪距双差线性化；

S4，码伪距差分定位解算；

S5，定位差分校验；

S6，系统完好性监测；

S7，伪距修订量生成；

所述步骤S1具体为：

定位解算基于接收机与卫星之间的伪距测算：

ρ＝r+c(b_u-B^S)+I+T+M+ε_ρ

其中等式右边的变量依次为卫星到接收机的真实距离、光速、接收机钟偏、卫星钟偏、电离层延迟、对流层延迟、多径延迟以及码相位误差；根据系统的模型参数将大部分偏差修订，并且忽略掉残余误差，则修订伪距近似表达为：

由星历数据获取第n颗卫星位置(x⁽ⁿ⁾，y⁽ⁿ⁾，z⁽ⁿ⁾)，则该式剩下接收机位置(x，y，z)以及接收机钟偏b_u；在一个独立历元时间上，一个接收机获得四颗卫星的测算数据即解算出自己的位置；由四个ρ_c联立的方程中，矩阵计算无法处理根号，因此该方程不能直接解算，而是将该式子通过泰勒级数在(x，y，z)位置展开，并且保留一阶和零阶项，得到线性化式；令：

则线性化式为：

ρ_c ⁽ⁿ⁾＝ρ₀ ⁽ⁿ⁾-(α⁽ⁿ⁾ β⁽ⁿ⁾ γ⁽ⁿ⁾)(δ_x δ_y δ_z)^T-c·b_u

联立方程为：

GdX＝dL

其中，

dX＝[δ_x δ_y δ_z c·b_u]^T

dL＝[dρ_c ⁽¹⁾ dρ_c ⁽²⁾ dρ_c ⁽³⁾ dρ_c ⁽⁴⁾]

dρ_c ⁽ⁿ⁾＝ρ₀ ⁽ⁿ⁾-ρ_c ⁽ⁿ⁾

通过一个预设值(x₀，y₀，z₀)，则获得dL与G，然后通过下式获得dX：

dX＝(G^TG)^-1G^TdL

求解过程中，Q＝(G^TG)^-1称为权系数阵；获得dX以后，即用dX中的坐标位置更新(x₀，y₀，z₀)，再次进行迭代，直到X趋于稳定；

所述步骤S2具体为：

码伪距差分需要依赖至少一个基准点与一个观测点，通过基准点的已知信息来增强观测点定位解算精度；差分算法基于两个点对卫星观测伪距的双差，为此分别定义基准点和观测点的伪距观测量为：

其中上下标()分别表示卫星编号与观测点编号，后续观测点编号b＝1始终表示基准点，观测点编号顺延；卫星方向都向1号星做差，单差量为：

观测点都向1号站做差，进行双差操作后将时不变残差归入双差残差，双差量为：

所述步骤S3具体为：

双差量中包含了卫星和观测点间的真实距离双差DDr，与单点观测伪距类似，该变量使得方程无法直接解算，必须线性化；双差线性化与伪距线性化思路类似，将一颗卫星与两个观测点的距离差与两观测点之间的向量联系起来，通过卫星端小角度的近似处理完成线性化；

所述步骤S4具体为：

对码伪距双差式线性化获得基线与方向向量双差关系方程：

为了获得基线的三个坐标，需要三个双差值，对应n＝4；这与单点解算的需求相同，但该解算不需要迭代，并且误差修订略优；根据基本线性方程的LS解算式：

y＝Ax+e

将阵和向量代入，即求得的估计值；在了解y自相关方差先验信息情况下，构造权系数阵W：

其中σ_i ²对应每一路伪距的先验方差，该值通过卫星高度和摄动信息、仰角、对应的电离层和对流层延迟估计、接收通道多径误差估计的信息来共同构建；这样就对线性方程进行基于权W的LS解算：

单历元的码伪距差分引入了基准站位置信息，在定位精度上有一定提升，但定位精度仍然保持在m级别；这是由于y自身的m级噪声标准差造成的。