CN108241158A

CN108241158A - 一种gnss卫星异常状态快速监测技术

Info

Publication number: CN108241158A
Application number: CN201711419841.6A
Authority: CN
Inventors: 范顺西; 范毅; 郭美军; 张明明; 李亚萍; 郑洁; 李双钦; 翟伟
Original assignee: Space Star Technology Co Ltd
Current assignee: Space Star Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2018-07-03

Abstract

本发明公开了一套可适用于多GNSS卫星的快速监测技术，从数据源头进行分析，通过多测站确定卫星健康状态、信号监测告警、UERE告警、空间信号完好性告警、广播轨道钟差URE告警和广播系统时告警等多种手段进行判定，在不同的条件下使用相应的方法，最终综合六种手段的处理结果，获得卫星的真实工作状态。

Description

一种GNSS卫星异常状态快速监测技术

技术领域

本发明属于卫星导航领域，涉及一种GNSS卫星异常状态快速监测技术，适用于卫星工作状态快速确定并及时告警。

背景技术

目前全球有四大卫星导航系统，分别是中国的BDS、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO。当今的卫星导航系统可谓是导航星空群星璀璨，卫星导航用户的可用信号资源极大丰富[1]。可用的GNSS星座是应用研究的基础，在多系统条件下，空间星座的状态及其性能对用户而言都是非常关键的信息，需进行监测并给出结果，这样用户可选择部分星座开展导航定位，从而得到高质量的服务。

定位计算中需要选择相应时间的卫星星历，通过该组星历计算卫星位置，进而进行定位解算处理，从而获得需要的定位结果。但当星历参数出现错误时，用户所计算的卫星位置便会出现偏差，进而影响最终的导航定位。一般用户可通过卫星健康标识来判断卫星是否异常，但卫星健康标识并不能完全反映卫星的运行状态，可能存在误警(卫星状态正常但健康标识为不健康)和漏警(卫星状态不正常却标记为健康)的情况。因此，需要通过其它手段来进一步判断卫星的真实状态。

当卫星状态异常时，会影响用户的导航定位精度。故卫星在轨运行期间，需实时对卫星的工作状态进行监测与评估。当卫星工作状态出现异常时，及时报告卫星运行中的异常工作状态，并将这些反常状态产生的原因和影响及时反馈给用户。因此，对卫星健康状态的实时监测具有十分重要的意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明基于监测评估中心的现有业务提出了一套可适用于多GNSS卫星的异常状态快速监测技术，解决了传统模式下针对多颗卫星告警的时效性、标准不统一，告警内容不全面，未考虑到iGMAS系统在建设阶段存在告警不完善等问题，实现了业务告警的独立性和时效性。

本发明的技术方案是：一种GNSS卫星异常状态快速监测方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤1，进行数据收集，获取多种数据源；

步骤2，将获取多种数据源进行数据归档，具体需按照路径配置文件

进行归档，用户可自行设定和变更路径配置文件，在指定的目录下分

类存储数据文件；

步骤3，数据归档完毕后，进行数据预处理；

步骤4，利用预处理后的文件进行GNSS卫星异常状态快速监测；

步骤5，综合多种监测方法可获取卫星的真实状态，当卫星异常时便可进行监测告警。

作为本发明的一优选方案，在步骤1中，数据收集包含两部分：一部分为从iGMAS数据中心获取的数据，一部分为本地监测接收机采集的数据。

进而，作为本发明的一优选方案，在步骤1中，多种数据源包括广播星历、观测文件和精密产品数据，除此之外，还包括差分完好性文件、健康字文件。

进而，作为本发明的一优选方案，在步骤3中，数据预处理包括观测文件质量分析、星历文件和精密产品文件的合并和剔除。

进而，作为本发明的一优选方案，在步骤4中，监测的具体监测手段包括多测站确定卫星健康状态、信号监测、UERE监测、空间信号完好性监测、轨道钟差URE监测和广播系统时监测。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)提供了一套可适用于GNSS卫星的快速监测方法和软件，通过配置即可GNSS卫星进行状态监测和确定，且提供简便的二次开发接口，方便新增监测手段、算法、接口的扩展；

2)支持多种数据源进行操作，并可根据数据源进行自适应的调整；

3)单项监测要素方法真实可行，且经过工程项目验证；

4)监测手段多，涉及卫星下行信号的空间段和用户段；

5)实现不同数据源对卫星状态确定的相互验证，提高了监测的可靠性；

6)除支持单项要素监测，还具备综合监测功能，给出卫星健康状态的综合监测结果。用户可根据综合结果进行告警等级确认，并按照告警等级对应的类别进行告警信息发送；

7)本发明可应用于全球卫星导航系统(包括我国的BDS、美国GPS、俄罗斯的GLONASS和欧盟Galileo)接收信号的数据处理和分析，可通过实时获取卫星相关数据，监测卫星各项参数的状态，这些方面涵盖了卫星状态、信号精度和服务性能的各个方面，从而能够进行多层次全方位的卫星健康状态监测和确定；针对卫星异常状态，可快速定位卫星故障，并支持软件二次开发和接口扩展，该发明在一定程度上对保证卫星导航系统的完好性做出了贡献，可以高精度全方位多层次的评估接收卫星下行信号质量，并可广泛应用于其他导航系统数据的分析处理。

附图说明

图1为本发明GNSS卫星异常状态监测软件路线图；

图2为GNSS卫星异常状态监测软件流程图；

图3为多站综合卫星健康状态确定流程图；

图4为信号监测软件处理流程图；

图5为UERE监测软件处理流程图；

图6为空间信号完好性监测软件处理流程图；

图7为广播系统时告警数据流程图；

图8为轨道钟差URE超限告警监测软件数据流程图；

图9为钟差调相监测告警展示图；

图10为轨道变轨监测告警展示图；

图11为广播系统时参数异常监测样例图。

具体实施方式

本发明解决其技术问题所采用的技术方案主要包括以下步骤：

步骤一：利用接收机接收导航卫星下行信号；

步骤二：单项要素监测；

步骤三：信息综合分析。

本发明主要涉及以下几个方面的内容，其中步骤二的主要内容为关键点1至关键点6，步骤三的主要内容为关键点7。

关键点1：多测站确定卫星健康状态，利用多个iGMAS监测站的卫星星历数据，综合获取卫星的健康状态。根据模式标识选择数据源，并生成测站列表；按照测站列表循环读取测站数据，根据卫星的重复次数判断卫星的最终状态，计算卫星最终状态和卫星可信度比例，并将对应卫星最终健康状态信息记录在指定文件中；

关键点2：信号监测，综合广播星历文件和观测文件，结合卫星发射信息，进行信号中断监测和新发卫星监测，当超出限值便进行告警；根据模式标识选择数据源，并生成测站列表；进行文件重命名工作和rinex文件转换至行列式操作，按系统卫星号进行搜索，获取每颗卫星的res大小，读取结果文件并记录告警信息。判断星历告警文件是否存在，存在则形成单一告警文件，否则形成综合告警文件；

关键点3：UERE监测，比较UERE计算结果与设定的UERE告警限值，当超出限值便进行告警；读取测站列表等相关配置文件，进行测站循环操作，打开测站导航电文和观测文件，进行各种误差改正，进而计算三个频点的伪距残差值，根据残差值判断故障卫星；当测站循环完毕后，综合多站获取每颗星的综合OMC结果，当卫星OMC值超限时则进行告警。

关键点4：空间信号完好性监测，利用空间信号完好性评估策略判断是否超过限值，当超出限值便进行告警。读取测站列表等相关配置文件，进行测站循环操作，打开测站导航电文和观测文件，进行各种误差改正，进而计算三个频点的伪距残差值，根据残差值判断故障卫星；当测站循环完毕后，综合多站获取每颗星的综合OMC结果，判断OMC与RURA结果，利用空间信号完好性评估策略判断是否超过限值，当超出限值便进行告警；

关键点5：广播轨道钟差URE监测，通过从广播星历，精密星历获取广播轨道误差，钟差误差及URE，与阈值相比，若超出，则报警。读取时间配置文件获取评估时间，查询所需估计时间段的广播星历文件、精密星历文件是否存在；若存在，继续；否则，结束计算；读取广播星历文件和精密星历文件，分别计算卫星位置，进而计算URE，最后判断轨道误差、钟误差及URE是否超限，如果超限则进行告警，并将告警信息写入到告警信息文件并进行归档。

关键点6：广播系统时监测，通过从广播星历中获取GNSS各系统的时间参数，判断GNSST与UTC(K)时差是否超出阈值，若超出，则报警；利用时间配置文件获取评估时间，查询所需估计时间段的广播星历文件，并判断对应广播星历文件是否存在；若存在，继续；否则，退出；读取广播星历文件统计各导航系统的时间参数数据，并通过一定的算法转换为GNSST与UTC(K)的时差，将各导航系统时差值与阈值进行比较；若阈值超限则报警，并将告警信息写入告警文件中；

关键点7：监测信息综合，除支持单项要素监测外，本发明还具备监测信息综合功能，根据各单项要素监测结果，结合预先设置的权值(由前期工程经验得出)，综合判断卫星各项要素指标是否符合要求，并最终给出卫星健康状态的综合监测结果。用户可根据综合结果进行告警等级确认，并按照告警等级对应的类别进行告警信息发送。

下面结合附图2和具体实施例对本发明作进一步的阐述。

请见图2，本发明的技术方案是：一种GNSS卫星异常状态快速监测方法，具体实施步骤：

步骤一：数据接收

首先进行数据收集，获取GNSS卫星快速监测软件所需的数据源。数据源主要包含两部分内容，一部分为从iGMAS数据中心获取的数据，一部分为本地监测接收机采集的数据；具体数据主要包括广播星历、观测文件和精密产品数据，除此之外，还包括差分完好性文件、健康字文件等内容。在数据接收的基础上对所需数据进行分类、归档。

步骤二：数据预处理

为保障评估结果的真实可靠，需要对观测数据的好坏进行全面的分析，从完整率、有效率、多路径等多手段对观测数据进行质量分析；同时也对广播星历和精密产品数据进行数据预处理，对上述数据进行文件合并和剔除。经过预处理后的文件可作为后续监测模块的输入。

步骤三：单项要素监测

利用预处理后的文件进行GNSS卫星异常状态快速监测；具体监测手段包括多测站确定卫星健康状态、信号监测、UERE监测、空间信号完好性监测、轨道钟差URE监测和广播系统时监测。GNSS卫星异常状态快速监测处理流程详见附图2，具体监测方法如下：

(1)多测站确定卫星健康状态

综合利用多个iGMAS监测站的卫星星历数据，采用重复次数判断方法去确定卫星的健康状态。

具体实施步骤：

a)读取命令行参数，获取软件输入时间，并打开路径配置文件；

b)打开测站列表文件；

c)根据模式进行源路径拼接工作，同时确定拷贝内容及拷贝路径；

d)将拷贝文件生成文件列表文件；

e)打开列表文件，并解压文件；

f)进行文件重命名工作，将不同类型的文件重命名为天文件；

g)按照测站列表循环读取测站数据；

h)系统标识判断，确定卫星循环范围；

i)根据数据重复次数进行判断卫星的最终状态；

j)计算卫星最终状态和卫星可信度比例，并记录卫星数据；

k)判断卫星循环是否结束，未结束则返回步骤i；

l)运行结束。

(2)信号监测

综合广播星历文件和观测文件，结合卫星发射信息，进行信号中断监测和新发卫星监测。

具体实施步骤：

b)打开测站列表文件；

d)将拷贝文件生成文件列表文件；判断数据标识dataflag数值，若为1，则拷贝观测文件至指定路径；若为2，则拷贝星历文件至指定路径；

e)打开列表文件，并解压文件；

g)按照测站列表循环读取测站数据；

h)将每个测站的Rinex文件转换至行列式文件；

i)系统标识判断，确定卫星循环范围；

j)按系统卫星号进行搜索，并将搜索结果写入res文件中；

k)获取每颗卫星的res文件大小；

l)读取结果文件并记录告警信息；

m)判断输入数据标识dataflag是否为1。若不为1，则形成单一告警文件；若为1，则判断告警文件是否存在，存在则形成综合告警文件，不存在则形成单一告警文件；

n)打开告警信息文件，并调用告警接口；

o)计算卫星最终状态和卫星可信度比例，并记录卫星数据；

p)判断卫星循环是否结束，未结束则返回步骤i；

q)运行结束。

(3)UERE监测

利用广播星历文件和观测文件，计算每颗卫星的伪距残差值，当伪距残差值异常时则记录卫星异常信息。

具体实施步骤：

b)打开测站列表文件、跳秒文件、DCB文件和频点类型文件；

c)测站循环；

d)打开测站导航电文；

e)读取观测文件头，获取GNSS频点类型；

f)将GNSS文件中的频点标识与从观测文件头中的提取频点类型进行比对，获取输入的频点类型在观测文件中所处的位置；

g)时间循环；

h)读取观测文件数据；

i)卫星号循环；

j)按频点、观测类型赋值(包括伪距、载波相位和多普勒频移)；

k)各种误差改正(包括对流层、电离层、TGD、地球自转和相对论等内容)；

l)分别计算三个频点的伪距残差值；

m)判断卫星号循环是否结束，未结束则返回步骤h；结束则进行下一步；

n)利用同一历元所有卫星的伪距残差值判断故障卫星；具体方法为粗差剔除，采用5倍中位数法探测粗差，中位数法具体公式如下：

MAD＝Median{|y_i-m|/0.6745}

式中，m为时间序列的中间数，即m＝Median{y_i}；当观测量|y_i-m|＞5*MAD时，就认为时粗差点；

o)判断时间循环是否结束，结束则进行下一步循环，未结束则进行步骤g；

p)判断测站循环是否结束；未结束则返回步骤c；结束则进行下一步；

q)综合多站数据获得每颗卫星的UERE综合结果；

r)判断综合后卫星OMC值是否超限，超限则记录告警信息，并调用告警接口；未超限则进行下一步；

s)运行结束；

(4)空间信号完好性监测

空间信号完好性进行评估，首先利用北斗的广播星历和用户已知坐标以及电离层、对流层等模型改正值得到各个卫星的计算伪距值与观测到的伪距值作差，即观测值减计算值，记为OMC，在OMC中扣除包含接收机和卫星钟差等系统差影响后，再与RURA进行比较，如果OMC大于RURA，则为一次完好性事件，记录完好性事件发生的开始时间、结束时间。

具体实施步骤：

b)打开测站列表文件、跳秒文件、DCB文件和频点类型文件；

c)打开差分完好性文件，获取每颗卫星的RURA值；

d)测站循环；

e)打开测站导航电文；

f)读取观测文件头，获取GNSS频点类型；

g)将GNSS文件中的频点标识与从观测文件头中的提取频点类型进行比对，获取输入的频点类型在观测文件中所处的位置；

h)时间循环；

i)读取观测文件数据；

j)卫星号循环；

k)按频点、观测类型赋值(包括伪距、载波相位和多普勒频移)；

l)各种误差改正(包括对流层、电离层、TGD、地球自转和相对论等内容)；

m)分别计算三个频点的伪距残差值；

n)判断卫星号循环是否结束，未结束则返回步骤h；结束则进行下一步；

o)利用同一历元所有卫星的伪距残差值判断故障卫星；具体方法为粗差剔除，采用5倍中位数法探测粗差，中位数法具体公式如下：

MAD＝Median{|y_i-m|/0.6745}

p)判断时间循环是否结束，结束则进行下一步循环，未结束则进行步骤h；

q)判断测站循环是否结束；未结束则返回步骤c；结束则进行下一步；

r)综合多站数据获得每颗卫星的UERE综合结果；

s)比对OMC值与RURA值大小，当大于等于RURA值时，则记录告警信息，并调用告警接口；小于则进行下一步；

t)运行结束；

(5)轨道钟差URE监测

利用广播星历文件、精密星历文件，计算每颗每颗卫星的广播轨道、广播钟差及用户测距误差，当轨道、钟差及URE的误差超过告警阈值时，则进行告警，并记录告警信息。

具体实施步骤：

a)利用时间配置文件获取评估时间；

b)查询所需估计时间段的广播星历文件、精密星历文件是否存在；若存在，继续；否则，跳至步骤h；

c)若存在复制数据文件至当前目录；

d)读取广播星历文件计算卫星位置、钟差；

e)读取精密星历内插卫星位置、钟差；

f)将上述分别计算的卫星位置、卫星钟差作差，并计算URE；

g)判断轨道误差、钟误差及URE是否超限，如果超限则进行告警，并将告警信息写入到告警信息文件并进行归档；

h).运行结束。

t)广播系统时监测

利用广播星历中的时间参数，获取GNSST与UTC(K)的时差值，并将该差值和阈值进行比较，超出阈值并告警。

具体实施步骤：

a)利用时间配置文件获取评估时间；

b)查询所需估计时间段的广播星历文件，并判断对应广播星历文件是否存在；若存在，继续；否则，跳至步骤h；

c)若存在复制数据文件至当前目录；

d)读取广播星历文件统计各导航系统的时间参数数据；用户可根据此数据求得任一时刻的GNSST时与该时刻的UTC时之差；

e)将时间参数通过一定的算法转换为GNSST与UTC(K)的时差；

具体计算公式如下：

t_GNSST-t_UTC(k)＝Δt_UTC

＝Δt_LS+A₀+A₁[t_GNSST-t_ot+604800×(WN-WN_t)]s

式中t_GNSST为相应的GNSS时，Δt_LS为跳秒数，A₀、A₁为多项式系数；t_ot为UTC资料的参考时刻，一般为4096s的整数倍。

f)将各导航系统时差值与阈值进行比较；

g)若阈值超限则报警，并将告警信息写入告警文件中；

h)将告警文件输出到指定目录中；

i)运行结束。

步骤四：综合分析与监测

根据各单项要素监测结果，结合预先设置的权值(由前期工程经验得出)，综合判断卫星各项要素指标是否符合要求，并最终给出卫星健康状态的综合监测结果。用户可根据综合结果进行告警等级确认，并根据告警等级向指定人群发播告警信息，具体告警手段包括短信、邮件等方式。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图1为GNSS卫星异常状态监测软件路线图，从上往下，首先是数据收集，数据收集包含两部分内容，一部分为从iGMAS数据中心获取的数据，一部分为本地监测接收机采集的数据；然后是数据归档，在指定的目录下分类存储数据文件；数据归档完毕后，进行数据预处理，从完整率、有效率、多路径等多手段对观测数据进行质量分析；并对广播星历和精密产品数据进行数据预处理，经过预处理后的数据输入文件可作为后续监测模块的输入；利用预处理后的文件进行GNSS卫星异常状态快速监测；多种监测手段可同时开展，并可根据数据源进行自适应的调整。最后综合多种监测方法可获取卫星的真实状态，当卫星异常时便可进行监测告警。

附图2为GNSS卫星异常状态监测软件流程图，具体介绍参见上述具体实施方式；

附图3为多站综合卫星健康状态确定流程图，具体介绍参见上述具体实施方式；

附图4为信号监测软件处理流程图，具体介绍参见上述具体实施方式；

附图5为UERE监测软件处理流程图，具体介绍参见上述具体实施方式；

附图6为空间信号完好性监测软件处理流程图，具体介绍参见上述具体实施方式；

附图7为广播系统时告警数据流程图，具体介绍参见上述具体实施方式；

附图8为轨道钟差URE超限告警监测软件数据流程图，具体介绍参见上述具体实施方式；

附图9为钟差调相监测告警展示图，从图中可以在UTC10时，卫星健康状态为不健康，但钟差参数a0在UTC09-UTC10之间参数发生了跳变，其余参数并未改变，由此可以得出卫星在此时进行了调相操作；

附图10为轨道变轨监测告警展示图，从图中可以在UTC00-06时，卫星健康状态为不健康，但轨道参数在UTC05-UTC06之间参数发生了跳变，其余参数并未改变，由此可以得出卫星在此时进行了变轨操作；

附图11为广播系统时参数异常监测样例图，2016年1月26日15:29分出现GPS导航电文播发的GPS-UTC(USNO)参数异常，即GPST与协调世界时(UTC)出现了13.7us偏差，对全球授时用户造成数小时的影响。

Claims

1.一种GNSS卫星异常状态快速监测方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤1，进行数据收集，获取多种数据源；

步骤2，将获取多种数据源进行数据归档，具体需按照路径配置文件进行归档，用户可自行设定和变更路径配置文件，在指定的目录下分类存储数据文件；

步骤3，数据归档完毕后，进行数据预处理；

2.根据权利要求1所述的GNSS卫星异常状态快速监测方法，其特征在于：在步骤1中，数据收集包含两部分：一部分为从iGMAS数据中心获取的数据，一部分为本地监测接收机采集的数据。

3.根据权利要求1所述的GNSS卫星异常状态快速监测方法，其特征在于：在步骤1中，多种数据源包括广播星历、观测文件和精密产品数据，除此之外，还包括差分完好性文件、健康字文件。

4.根据权利要求1所述的GNSS卫星异常状态快速监测方法，其特征在于：在步骤3中，数据预处理包括观测文件质量分析、星历文件和精密产品文件的合并和剔除。

5.根据权利要求1所述的GNSS卫星异常状态快速监测方法，其特征在于：在步骤4中，监测的具体监测手段包括多测站确定卫星健康状态、信号监测、UERE监测、空间信号完好性监测、轨道钟差URE监测和广播系统时监测。