CN108089210A

CN108089210A - 一种惯性信息辅助raim检测方法

Info

Publication number: CN108089210A
Application number: CN201611037067.8A
Authority: CN
Inventors: 洪诗聘; 胡文涛; 左启耀; 李建华; 李峰
Original assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Current assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2018-05-29

Abstract

本发明属于卫星导航接收机信息处理领域，具体一种惯性信息辅助RAIM检测方法，跟踪卫星进行位同步和帧同步，提取帧同步后的数据得到各颗卫星的发射时刻、伪距和星历参数，再确定卫星位置速度，确定载体位置和接收机钟差，确定各颗卫星的惯性辅助的伪距残差，如果惯性辅助伪距残差均方根值超过门限则认为存在故障。采用伪距残差排序后得到的均方根值最小的一组4点组合作为基准值，因此在5颗卫星时，也能够识别出其中的一颗故障卫星。相比于传统算法只有在单系统6颗卫星才能剔除故障星的情况，有效提高了卫星接收机定位的稳定性和可靠性。

Description

一种惯性信息辅助RAIM检测方法

技术领域

本发明属于卫星导航接收机信息处理领域，具体涉及一种惯性辅助的自主完好性检测(RAIM)方法。

背景技术

随着卫星导航技术应用领域的多样化，标准定位服务(Standard PositioningService，SPS)已无法满足用户对高精度、高可靠性的需求，这就需要对系统的定位精度、连续性、可用性和完好性有更加严格的要求。完好性是其中具有非常重要意义的指标之一，它是指卫星定位误差超过允许极限的时候，在一定时间内向用户发出告警的能力。从数学本质上来说，完好性就是对系统所提供信息正确性的置信度测量。

当前完好性监测的主要方法分为两种：一种是完好性通道(Integrity Channel，GIC)；另一种就是接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)。RAIM由于其可以不依赖外部增强系统而独立工作，逐渐成为了完好性监测的主要工作方法和研究热点之一。

接收机自主完好性监测技术涉及两方面的含义，一是故障监测，即卫星是否存在故障；二是故障排除，即将存在故障的卫星剔除，而且其信号也不用于导航解算。前监测算法中效果较好的RAIM算法是利用当前伪距观测的快照方法，包括伪距比较法、最小二乘残差法和奇偶矢量法，这三种方法对于存在一个故障的情况有较好的效果，并且三者的本质是一样的。其中的奇偶矢量法计算是相对比较简单的，故被普遍采用，也被RTCA推荐为基本算法。目前单系统进行完好性监测的RAIM算法都要求可见星数在5颗以上才可以检测出故障星，6颗以上才可以剔除存在故障的卫星。但是由于信号遮掩，易受干扰等各种因素的影响，量测时常常不能提供足够的卫星余度信息，不能满足一般RAIM算法要求，并且单独的RAIM方法并不能很好地为卫星导航提供满足需求的完好性监测。因此，为了定位的满足高精度、高可靠性的要求，需要利用其它辅助系统来增加余度信息，满足冗余条件。目前国内外研究较多的增加冗余信息的卫星导航完好性监测方法是采用多星座组合，比如GPS、GLONASS以及BD2星座的相互组合，虽然在一定程度上增加了完好性监测的手段，但仍然是导航卫星的自主完好性监测，避免不了导航卫星自身的不足。在航空、航天以及武器装备等科技领域，INS通常是必备的导航系统，因此采用惯性辅助进行卫星导航的完好性监测将是具有潜力的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种惯性信息辅助RAIM检测方法，实现在单系统定位、有惯导信息辅助的情况下，故障卫星稳定的剔除，保持定位稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种伪距残差确定方法，该方法包括如下步骤：

1)卫星捕获跟踪与同步，跟踪卫星进行位同步和帧同步；

2)提取帧同步后的卫星码NCO、码片计数、1ms计数、位计数、字计数和帧计数，得到完成帧同步后的各颗卫星的发射时刻、伪距和星历参数；

3)确定卫星位置速度；

4)建立联立方程

其中(X^J,Y^J,Z^J)为第J颗卫星的空间三维坐标，(X_U,Y_U,Z_U)为卫星导航兼容接收机的空间三维坐标，ρ_J为伪距，J＝1,2...N，N为卫星总数，C为光速，t_u为接收机钟差；

5)建立观测观测方程z＝Hx+ε

其中x是4×1矢量，分别是(X_U,Y_U,Z_U,t_u)，z是n×1矢量，其元素是伪距测量值与基于在初始位置预测的距离之间的差值，

其中，ε是n×1测量误差矢量；

6)利用下式确定载体位置(X_U,Y_U,Z_U)和接收机钟差t_U

其中，(X_U0,Y_U0,Z_U0)为载体初始位置，对应改正数为t_U0为接收机概略钟差，对应改正数为

7)利用下式确定参与解算的各颗卫星的伪距残差r

r＝z-H(H^TH)^-1H^Tz＝[I_n-H(H^TH)^-1H^T]z

其中I_n是n×n的单位矩阵；

8)利用下式确定伪距残差r的均方根值，

9)将该值与步骤2)得到的伪距做差，第J颗卫星的惯性辅助伪距残差Δρ_J

其中(X^J,Y^J,Z^J)为第J颗卫星的空间三维坐标，(X_INS,Y_INS,Z_INS)为惯性辅助得到的本地点坐标；

一种基于伪距残差进行惯性信息辅助RAIM检测方法，包括如下步骤：

1)确定第J颗卫星的惯性辅助伪距残差Δρ_J，J＝1,2...N，N为卫星总数；

2)对得到的每颗星的惯性辅助伪距残差由大到小排序，对完成排序后的伪距残差从前到后进行滑动，每4个点分为一组(如1、2、3、4一组，2、3、4、5一组，以此类推)，分别计算每组残差均方根值；找出残差均方根值最小的一组，求得该组的平均值，此平均值作为故障识别的门限值；

3)将每颗星的惯性辅助伪距残差与求得的平均值做比较，大于门限的卫星即是有故障的卫星。

本发明的显著效果如下：

卫星导航定位步骤一般包括捕获跟踪、位同步和帧同步、伪距和卫星位置计算以及最小二乘解算载体位置。惯性信息辅助RAIM检测方法在最小二乘解算的基础上增加伪距残差均方根值计算(步骤7和步骤8)，如果惯性辅助伪距残差均方根值超过门限则认为存在故障。

一旦判定定位结果存在故障，本方法创新性提出利用惯导辅助的本地坐标以及计算得到的卫星位置求得接收机与卫星之间距离，扣除各颗卫星伪距得到伪距残差(步骤9)，将每颗星伪距残差进行由大到小排序，找出残差均方根最小的4点组合，求得该组合的平均值，此平均值作为故障识别的门限值(步骤10)，然后将每颗星的伪距残差与求得的平均值做比较，找出超过门限的卫星并剔除(步骤11)。

卫星导航完好性检测方法在单系统定位时，只有6颗卫星才能检测并剔除故障星，而且在存在大于等于2颗故障卫星时，完好性检测方法误警或虚警的概率显著增加。

本发明方法引入惯性信息辅助，通过惯导位置信息求得各颗卫星的惯性辅助伪距残差，由于不受伪距误差的影响，该残差值相比最小二乘解算的伪距残差更为可靠，因此在存在大于等于2颗故障卫星时，本方法可以有效识别多颗故障卫星；同时本方法采用伪距残差排序后得到的均方根值最小的一组4点组合作为基准值，因此在5颗卫星时，也能够识别出其中的一颗故障卫星。相比于传统算法只有在单系统6颗卫星才能剔除故障星的情况，有效提高了卫星接收机定位的稳定性和可靠性。

采用本方法能够实现在单系统有惯性信息辅助的情况下，大于等于5颗参与定位卫星时能够检测是否存在故障卫星，并将故障卫星剔除。相比于传统算法只有在单系统6颗卫星才能剔除故障星的情况，有效提高了卫星接收机定位的稳定性和可靠性。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明。

1)卫星捕获跟踪与同步

依次捕获GPS、BD2、GLONASS卫星，跟踪卫星进行位同步和帧同步；

2)提取帧同步后的卫星码NCO、码片计数、1ms计数、位计数、字计数和帧计数，得到完成帧同步后的各颗GPS、BD2、GLONASS卫星的发射时刻、伪距和星历参数；

3)确定卫星位置速度

按照卫星导航接口控制文件(ICD)提供的卫星位置计算方法，输入卫星发射时刻计算得到卫星位置和速度，此部分属于现有技术，不再赘述。

4)根据步骤2)得到的跟踪卫星伪距，以及步骤3)得到的跟踪卫星位置和速度，建立联立方程如下：

其中(X^J,Y^J,Z^J)为第J颗卫星的空间三维坐标，(X_U,Y_U,Z_U)为卫星导航兼容接收机的空间三维坐标，ρ_J为伪距，J＝1,2...N，N为卫星总数，C为光速，t_u为接收机钟差。

5)根据步骤4)建立观测观测方程z＝Hx+ε

其中x是4×1矢量，分别是(X_U,Y_U,Z_U,t_u)，z是n×1矢量，其元素是伪距测量值与基于在初始位置预测的距离之间的差值

ε是n×1测量误差矢量，它可同时包含随机(测距随机抖动)和确定(偏差)项。

6)利用下式确定载体位置(X_U,Y_U,Z_U)和接收机钟差t_U

7)利用下式确定参与解算的各颗卫星的伪距残差r

r＝z-H(H^TH)^-1H^Tz＝[I_n-H(H^TH)^-1H^T]z

其中I_n是n×n的单位矩阵，H和z定义同上。

8)利用下式确定伪距残差r的均方根值，

当超过正常工作时的残差门限时，给出存在故障的告警标志，并进入后续步骤，否则认为计算的载体位置正常，输出正常信息，流程结束。

10)对得到的每颗星的惯性辅助伪距残差由大到小排序，对完成排序后的伪距残差从前到后进行滑动，每4个点分为一组(如1、2、3、4一组，2、3、4、5一组，以此类推)，分别计算每组残差均方根值；找出残差均方根值最小的一组，求得该组的平均值，此平均值作为故障识别的门限值；

11)将每颗星的惯性辅助伪距残差与求得的平均值做比较，大于门限的卫星即是有故障的卫星。

Claims

1.一种伪距残差确定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)卫星捕获跟踪与同步，跟踪卫星进行位同步和帧同步；

3)确定卫星位置速度；

4)建立联立方程

5)建立观测观测方程z＝Hx+ε

其中，ε是n×1测量误差矢量；

6)利用下式确定载体位置(X_U,Y_U,Z_U)和接收机钟差t_U

7)利用下式确定参与解算的各颗卫星的伪距残差r

r＝z-H(H^TH)^-1H^Tz＝[I_n-H(H^TH)^-1H^T]z

其中I_n是n×n的单位矩阵；

8)利用下式确定伪距残差r的均方根值，

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2.一种基于伪距残差进行惯性信息辅助RAIM检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)对得到的每颗星的惯性辅助伪距残差由大到小排序，对完成排序后的伪距残差从前到后进行滑动，每4个点分为一组，分别计算每组残差均方根值；找出残差均方根值最小的一组，求得该组的平均值，此平均值作为故障识别的门限值；