CN108761498A

CN108761498A - 一种针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法

Info

Publication number: CN108761498A
Application number: CN201810204094.2A
Authority: CN
Inventors: 刘建业; 孟骞; 曾庆化; 冯绍军; 许睿; 曾世杰; 黄河泽
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2018-11-06
Anticipated expiration: 2038-03-13
Also published as: CN108761498B

Abstract

本发明公开了一种针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法，本方法针对高级接收机自主完好性监测的可用性，提出了一种位置估计的优化方法；在ARAIM在通过传统方法得到的定位结果下不满足可用判据时，在定位精度允许范围内，用一个星座加权的定位结果替换原定位结果，重新计算保护水平和有效监测门限。本方法可以降低不同星座在定位精度上的差异，提高ARAIM的可用性；本方法具有计算复杂度低、兼容性好的特点；该方法适合于卫星导航接收机的自主完好性监测应用，同样的思想适用于其它采用多假设解分离的信号系统。

Description

一种针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别涉及一种针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法。

背景技术

接收机自主完好性监测(ReceiverAutonomous Integrity Monitoring,RAIM)是卫星导航接收机根据冗余的GNSS信息自主进行故障诊断与排除的方法。RAIM算法是包含在接收机里面的，因此被称为自主监测，RAIM也是最直接、最及时、应用最广泛、研究最深入、计算效率最高的完好性监测方法。RAIM技术仅支持侧向导航，无法满足国际民航组织规定的垂直引导航向性能定义的200英尺以下垂直引导航道性能需求(LocalizedPerformancewithVertical guidance,LPV-200)。先进接收机自主完好性监测技术(AdvancedRAIM,ARAIM)，是由GNSS发展构架研究小组(GNSS EvolutionaryArchitecture Study,GEAS)设计主要用于在2030年前为航空LPV-200操作提供完好性监测的解决方案。

ARAIM由空间段、用户段和地面段组成，ARAIM的概念可以大致概括为用户接收机接受空间段多个星座的多频信号测量值，根据地面监测站提供的完好性支持信息(Integrity SupportMessage,ISM)，确定出需要进行监测的故障模式以及对应的监测子集的概率，用户算法计算各个子集的位置估计和完好性边界，从而识别和排除故障测量值，得到定位解的保护水平。ARAIM可以充当一种协调各个星座完好性增强平台，缓解各个星座的差错并能融合他们的完好性方面的性能，对个别星座的负面变化不敏感。

ARAIM的用户接收机算法是基于多假设解分离(Multiple Hypothesis SolutionSeparation,MHSS)的方法,在此之前第一步是根据完好性支持信息ISM和接收机定位解算得到的卫星数、星座数等参数，确定故障模式的数量和对应监测子集的概率。故障模式选择得当，既可以满足完好性风险的阈值要求，又可以尽可能减少多假设解分离的子集数量，缓解计算压力。

ARAIM的可用性判断依据是LPV-200，相当于将民航飞机引导至距地面垂直距离60米的高度。LPV-200的内容主要包括四个方面：水平告警门限40米，垂直告警门限35米，有效监测门限(Effective Monitoring Threshold，EMT)15米和垂直定位精度1.87米。ARAIM计算得到的水平保护水平(Horizontal Protection Level，VPL)、垂直保护水平(VerticalProtection Level，VPL)、有效监测门限和垂直定位精度需要全部满足上述LVP-200的规定，才具备可用性，否则有一项不满足，则ARAIM在此时刻不可用。

ARAIM的定位结果由传统的加权最小二乘方法得到，定位结果具有最优的定位精度，但是并不一定对应最小的保护水平和EMT，进一步地也并不一定满足ARAIM的可用性。ARAIM位置估计优化的思想是在定位精度允许范围内，对定位结果进行调整，尽可能降低保护水平和EMT，从而提高ARAIM的可用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：高级接收机自主完好性监测基准算法通过加权最小二乘法得到定位结果，这样的定位结果有着最理想的定位精度，但是并不见得能满足国际民航组织LPV-200服务的其它判据条件，尤其是垂直保护水平VPL和有效监测门限EMT，只有LPV-200的全部判据均满足，ARAIM才具备可用性。本方法在ARAIM不可用时，通过调整定位结果来尽可能满足LPV-200的判据，提高ARAIM的可用性。该发明适用于导航接收机自主完好性监测。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法，具体包含如下步骤：

第一步：导航接收机接收卫星信号和完好性支持信息ISM；

第二步：导航接收机依次顺序进行下变频信号处理、基带信号处理和定位解算，得到无故障下导航接收机获取的定位结果和对应的位置估计矩阵；

第三步：根据参与定位的星座数、卫星数和ISM的值，通过多假设解分离方法得到故障模式的数量，以及各个故障模式对应的子集和对应子集的故障概率；

第四步：每个子集进行容错定位解算，得到位置估计矩阵，定位结果的方差、解分离门限，以及定位结果与无故障下定位结果的偏差的方差；

第五步：计算保护水平、垂直定位精度和有效监测门限EMT，和国际民航组织LPV-200服务的判据进行比较，如果全部满足，则进入第九步；否则进入第六步；

第六步：找到星座故障对应各个子集的位置估计矩阵，计算星座加权的位置估计矩阵；

第七步：在垂直定位精度允许范围内，计算无故障下位置估计矩阵向星座加权位置估计矩阵的最大偏移量，得到位置估计优化矩阵；

第八步：用位置估计优化矩阵代替无故障下位置估计矩阵进行定位解算，重新计算保护水平、垂直定位精度和有效监测门限EMT，和国际民航组织LPV-200服务的判据进行比较，如果全部满足，则进入第九步；

第九步：判定高级接收机自主完好性监测ARAIM可用，输出定位结果、保护水平、垂直定位精度和有效监测门限EMT。

作为本发明针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法的进一步优选方案，在第八步中，判定高级接收机自主完好性监测ARAIM不可用，启用其它导航手段或方法。

作为本发明针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法的进一步优选方案，在第六步中，星座加权的位置估计矩阵S^(w)的计算方法为：

其中S^(j)和分别是第j个星座故障对应子集容错定位的位置估计矩阵和定位结果与无故障定位结果之间的差值的方差，N_const参与导航定位的星座的数量。

作为本发明针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法的进一步优选方案，在第七步中，最大偏移量为符合下面不等式的t的最大值；

其中，S^(N)为位置估计优化矩阵，S⁽⁰⁾为无故障下的位置估计矩阵，C_acc为评估定位精度的协方差矩阵，为国际民航组织LPV-200中垂直定位精度指标。

作为本发明针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法的进一步优选方案，高级接收机自主完好性监测ARAIM在无故障下得到的定位结果不可用时，通过星座加权得到的新的定位结果通过降低不同星座在定位精度上的差异来提高各个子集定位结果之间的一致性，降低保护水平和有效监测门限EMT，提高高级接收机自主完好性监测ARAIM的可用性。

作为本发明针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法的进一步优选方案，当高级接收机自主完好性监测ARAIM可用时，不执行位置估计优化操作，只有高级接收机自主完好性监测ARAIM不可用时才执行。

本发明与现有技术相比有益效果体现在：

本发明在ARAIM在通过传统加权最小二乘方法得到的定位结果下不满足可用判据时，在定位精度允许范围内，用一个星座加权的定位结果替换原定位结果，重新计算保护水平和有效监测门限；

本发明可以降低不同星座在定位精度上的差异，从而降低保护水平和有效监测门限，提高ARAIM的可用性。

附图说明

图1为本发明的整体流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本方法的整体流程如图1所示。上述过程需要完成以下工作：

1.基于加权最小二乘的位置估计方法

传统ARAIM用户算法采用基于加权最小二乘法得到估计位置。最小二乘法的数学原理是牛顿迭代法。每一次牛顿迭代主要包括以下运算：首先将每个方程式在一个根的估计值处线性化，然后求解线性化后的方程组，最后再更新根的估计值。伪距经过牛顿迭代之后，更新的伪距残差Δx为：

Δx＝(G^TWG)^-1G^TWΔy

其中，G为接收机定位解算的雅克比矩阵，Δy是伪距观测值的观测偏差矢量，权系数矩阵W定义为评估完好性的协方差矩阵C_int的逆，即：

评估完好性的协方差矩阵C_int是一个对角矩阵，主对角线之外的元素皆为零，对角线上的值为对应第i颗卫星的用户测距精度的标准差σ_URA,i，对流程延迟的标准差σ_tropo,i，和用户仰角误差σ_user,i的标准差三者的平方和，即：

对应的还有评估精度的协方差矩阵C_acc，主对角线之外的元素皆为零，对角线上的值为对应第i颗卫星的用户测距误差的标准差σ_URE,i，对流程延迟的标准差σ_tropo,i，和用户仰角误差σ_user,i的标准差三者的平方和，即：

经过一次迭代后，估计位置更新为：

x_k＝x_k-1+Δx

其中，x_k和x_k-1分别为上次和本次的位置估计。当牛顿迭代已经收敛到需要的精度时，迭代结束，得到的估计位置就是当前的定位结果。

在ARAIM的子集计算中，无故障子集对应的权系数矩阵为W⁽⁰⁾＝W，各先验故障对应子集的权系数矩阵W^(k)需要在W的基础上将故障的星对应的权值置零。

2.容错定位

针对ISM计算得到的故障模式和对应的子集，每个子集都要在排出故障星后进行容错定位，位置估计矩阵为：

S^(k)＝(G^TW^(k)G)^-1G^TW^(k)

位置估计的方差是：

其中q＝1～3代表东向、北向和天向的分量。

最大位置偏差为：

其中N_sat表示参与定位的卫星数量，b_nom,i是第i颗卫星的用于评估完好性的最大偏差，由ISM提供。N_const参与导航定位的星座的数量。

容错定位和最小二乘定位结果之间的偏差为Δx^(k)，Δx^(k)的方差为：

解分离门限的计算公式为：

其中，

N_faultmodes是故障模式的数量，P_{FA_HOR}和P_{FA_VERT}为连续性概率在水平和垂直方向上的分量。

3.ARAIM的可用性

ARAIM的可用性判据为LPV-200，LPV-200的内容主要包括四个方面，垂直告警门限(VerticalAlert Limit，VAL)、水平告警门限(HorizontalAlert Limit，HAL)、有效监测门限(Effective MonitorThreshold，EMT)和垂直定位精度σ_acc,req。通过ARAIM计算得到是垂直保护水平(Vertical Protection Level，VAL)、水平保护水平(Horizontal ProtectionLevel，HAL)、EMT和垂直定位精度σ_acc必须全部满足LPV-200对应的判据，ARAIM才可用。

以垂直保护水平VPL为例，求解方程为：

其中PHMI为危险误导信息概率，p_fault,k为第k个子集的故障先验概率，T_k,3、为第k个子集的判断阈值、最大偏差和估计位置的方差在垂直方向上的分量。Q函数为标准正态分布的右尾函数。

水平保护水平HPL的计算方法与垂直保护水平类似，不同的是水平保护水平需要首先计算东向分量HPL₁和北向分量HPL₂，两者平方和的开方，即为水平保护水平，即：

垂直定位精度的标准差，求解方程为：

其中S⁽⁰⁾＝(G^TW⁽⁰⁾G)^-1G^TW⁽⁰⁾。

有效监测阈值EMT定义为子集检测阈值在垂直方向的分量的最大值：

其中P_EMT为给定的用于EMT解算的概率值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

第一步：导航接收机接收卫星信号和完好性支持信息ISM；

2.根据权利要求1所述的针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法，其特征在于：在第八步中，判定高级接收机自主完好性监测ARAIM不可用，启用其它导航手段或方法。

3.根据权利要求1所述的针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法，其特征在于：在第六步中，星座加权的位置估计矩阵S^(w)的计算方法为：

4.根据权利要求1所述的针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法，其特征在于：在第七步中，最大偏移量为符合下面不等式的t的最大值；

5.根据权利要求1所述的针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法，其特征在于：高级接收机自主完好性监测ARAIM在无故障下得到的定位结果不可用时，通过星座加权得到的新的定位结果通过降低不同星座在定位精度上的差异来提高各个子集定位结果之间的一致性，降低保护水平和有效监测门限EMT，提高高级接收机自主完好性监测ARAIM的可用性。

6.根据权利要求1所述的针对高级接收机自主完好性监测的位置估计优化方法，其特征在于：当高级接收机自主完好性监测ARAIM可用时，不执行位置估计优化操作，只有高级接收机自主完好性监测ARAIM不可用时才执行。