CN109001766B - 基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法和系统 - Google Patents

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    • G01S19/20—Integrity monitoring, fault detection or fault isolation of space segment

Abstract

本发明公开了一种基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法和系统。该方法包括：每个低轨卫星接收导航卫星系统的导航信号及相邻低轨卫星的测距信号，获得导航电文与伪距观测量；低轨卫星利用获得的导航电文与伪距观测量执行完好性监测；低轨卫星接收至少2颗相邻低轨卫星的完好性监测结果，从而获得至少3组完好性监测结果，以此综合判断导航卫星是否存在故障；低轨卫星向地面用户播发判断结果。该系统包括导航卫星导航信号接收机、相邻低轨卫星链路收发机、完好性监测数据获取装置、完好性监测分立处理装置、完好性监测联合处理装置、及完好性监测联合处理结果发射机。本发明能有效监测卫星故障，减小用户导航结果受到故障信号影响的概率。

Description

基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法和系统
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种卫星导航系统的完好性监测方法和系统。
背景技术
完好性是指当系统不能用于正常导航、定位或系统误差超限时，向用户提供及时告警的能力。在采用卫星导航定位系统时，完好性对很多应用来说很重要，而对民航、海事等生命安全服务领域来说关系重大。为了提高卫星导航的完好性，国际民航给出了地基增强、星基增强和空基增强三种解决方案。地基增强系统是在机场附近架设监测站，对可见卫星进行完好性监测和伪距差分信息计算，并将差分信息和完好性信息通过地面甚高频通信链路发送给机载接收机，提供机场周边的精密进近服务。星基增强系统是利用在大范围区域建立可靠的监测网实现对导航卫星的星历星钟误差、电离层误差的修正和完好性实时监测，通过卫星通信链路将差分改正信息和完好性信息播发给机载接收机，提供几千公里大范围的精密进近服务。空基增强系统是利用机载接收机的冗余伪距观测信息，或者结合机载惯导信息、大气高度信息，通过一致性判断实现完好性监测，但不提供差分信息。空基增强系统可以实现全球非精密进近的完好性监测，但是必须要求当前可观测卫星的几何分布良好，容易出现完好性监测不可用的情况。
可见，现有的空基增强系统对于卫星导航系统的完好性监测是否可用依赖于当前可观测卫星的几何分布情况，因此完好性监测可靠性不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种利用低轨组网卫星作为完好性监测空中基站结合低轨卫星间的精确星间测距信息的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法和系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法，该方法包括步骤：
各个低轨卫星接收卫星导航系统的下行导航信号，并接收低轨卫星之间的测距信息，从而获得导航电文以及本低轨卫星与卫星导航系统各可见导航卫星间的观测伪距；
各个低轨卫星根据获得的卫星导航系统的可见导航卫星的导航电文和观测伪距，以及星间链路测距得到的星间测距信息，对可见的导航卫星进行自主完好性监测，各个低轨卫星各自识别故障卫星从而获得完好性监测分立处理结果；
各个低轨卫星接收同一轨道面内至少2颗相邻卫星的完好性监测分立处理结果，从而获得至少3组完好性监测分立处理结果，综合判断卫星导航系统各可见卫星是否存在故障，获得完好性监测联合处理结果；
各个低轨卫星将故障卫星的卫星号通过下行信号对服务区内用户进行广播告警。
可选地，还包括：用户接收告警信息，剔除卫星导航系统的故障卫星，对剩余的正常卫星根据接收的改正信息实现定位。
可选地，与相邻低轨卫星之间的测距信息获得方式为：低轨卫星具备与相邻低轨卫星建立N条链路的能力。
可选地，N条链路中N1条形成固定链路，其中N1≥0且N1≤N，剩余的N-N1条链路通过时序轮询的方式建立动态链路。
可选地，获得完好性监测分立处理结果的完好性监测内容包括信号质量、导航电文和测距精度三个方面的监测。
可选地，针对信号质量、导航电文和测距精度三个方面分别进行判断，若这三项都被判定为无故障，则认为该卫星不存在故障，否则认为该卫星存在故障。
可选地，获得至少3组完好性监测分立处理结果综合判断卫星导航系统各可见卫星是否存在故障进一步包括：采用举手表决的方式，当超过一半数量的低轨卫星同时判断一颗导航卫星有故障时才判断为卫星故障。
可选地，导航卫星系统包括GPS系统和北斗导航系统，对可见的导航卫星进行自主完好性监测进一步包括：北斗导航卫星的完好性监测采用根据完好性故障率将北斗导航卫星进行分组，将不同分组的北斗导航卫星与无故障GPS导航卫星组合进行高级接收机自主完好性监测，挑出北斗故障卫星。
一种基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测系统，该系统包括：
导航卫星导航信号接收机，用于接收卫星导航系统的下行导航信号；
相邻低轨卫星链路收发机，用于接收相邻低轨卫星之间的测距信息，还用于接收相邻低轨卫星或向相邻低轨卫星发送完好性监测分立处理结果；
完好性监测数据获取装置，用于根据导航卫星导航信号接收机收到的信号获得导航电文以及本低轨卫星与各可见导航卫星之间的观测伪距，根据相邻低轨卫星链路收发机收到的信号获得低轨卫星之间的测距信息；
完好性监测分立处理装置，用于根据获得的本低轨卫星与各可见导航卫星间的观测伪距，以及星间链路测距得到的星间测距信息，对各可见的导航卫星进行自主完好性监测，各低轨卫星各自识别故障卫星得到完好性监测分立处理结果，将完好性监测分立处理结果发送给相邻低轨卫星链路收发机和完好性监测联合处理装置；
完好性监测联合处理装置，用于通过相邻低轨卫星链路收发机获得同一轨道面内至少2颗相邻卫星的完好性监测分立处理结果，从而获得至少3组完好性监测分立处理结果，以此判断各可见的导航卫星是否存在故障；
完好性监测联合处理结果发射机，用于将故障卫星的卫星号通过下行信号对服务区内用户进行广播告警。
可选地，低轨卫星具有与相邻低轨卫星建立N条链路的能力。
与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：
本发明通过将低轨卫星星座中同一轨道面内前后卫星、相邻轨道面左右卫星互联，增加了完好性监测接收机可见的导航卫星数量，通过将前后卫星监测信息一致性比对提高了监测可靠性，降低了对当前可观测卫星的几何分布情况的依赖，对卫星导航系统在轨卫星进行快速完好性监测并实时向用户播发，提高对卫星导航系统在轨卫星的完好性监测与快速告警能力和可靠性。本发明能够有效监测卫星导航信号的故障，并向用户播发监测结果，减小用户导航结果受到故障信号影响的概率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明一个实施例所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法的流程图；
图2是本发明一个实施例所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出本发明一个实施例所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法。这里的卫星导航系统可以包括：美国的GPS系统、中国的北斗卫星导航定位系统(BDS)、俄罗斯的GLONASS系统、以及欧盟的GALILEO系统等中任意数量的系统，优选为包括美国的GPS系统和中国的北斗卫星导航系统中至少一种系统。该方法包括如下步骤：
步骤S1，各个低轨卫星接收卫星导航系统的下行导航信号，并接收相邻低轨卫星之间的测距信息，从而获得导航电文以及与各导航卫星间的观测伪距。
步骤S1的具体过程为：各个低轨卫星的完好性监测接收机实时接收卫星导航系统的下行导航信号，同时接收同一轨道面内前后相邻低轨卫星、相邻轨道面左右相邻低轨卫星之间的测距信息，获得导航电文与测距信息。在一个实施例中，低轨卫星的完好性监测接收机接收GPS和/或北斗导航系统(BDS)的可见导航卫星的导航信号，对导航卫星的信号质量、卫星的星历/星钟电文的正确性根据历史经验信息进行初步判断，实现预定间隔优选为每秒一次的伪距测量。同时，利用接收机星间链路测距功能，实现对同一轨道前后低轨卫星和左右相邻轨道面的另两颗卫星的星间测距。
与相邻低轨卫星的测距方式为：低轨卫星具备与相邻低轨卫星建立N条链路的能力，其中N1(N1≥0且N1≤N)条形成固定链路，剩余的N-N1条链路通过时序轮询的方式建立动态链路。
步骤S2，各个低轨卫星的完好性监测接收机根据接收到的卫星导航系统比如GPS和/或BDS系统的可见导航卫星的观测伪距，以及星间链路测距得到的星间精确测距信息，对可见的导航卫星进行自主完好性监测，各个低轨卫星各自识别故障卫星从而获得完好性监测分立处理结果。接收机自主完好性监测每间隔预定时隙优选为1秒进行一次。低轨卫星利用获得的导航电文与测距信息执行完好性监测，完好性监测内容包括信号质量、导航电文和测距精度三个方面的监测。对于信号质量、导航电文和测距精度这三个方面的监测，信号质量监测是指监测信号畸变程度、信号功率以及载噪比等信号相关指标是否符合导航卫星系统信号质量标准；导航电文监测是指监测按照电文协议进行解码后的导航电文参数数值是否在电文协议规定的范围内；测距精度的监测是指利用接收机自主完好性监测(RAIM)技术来判断伪距是否存在故障。
接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，简称为RAIM)技术的基本原则是增加多余的观察星，它利用卫星导航系统比如GPS和/或BDS系统的冗余信息，对卫星导航系统的多个导航解进行一致性检验，从而达到完好性监测的目的。当低轨卫星的完好性监测接收机视界内有5颗卫星时，由于只需4颗便能产生飞机的三维位置、速度和时间信息，那么可以用这5颗卫星构成5个组合，每个组合包括4颗卫星，并分别求出相应的位置解。如果没有卫星信号异常，且卫星几何因子较好或相差不是很大，那么这5个位置解会在一定范围内保持一致。反之，如果其中一颗卫星信号异常，那么这5个位置解的差异就会很大。这样，利用5颗卫星就可迅速判定有无卫星信号异常和卫星失效的程度。当有6颗可见星时，还可以判断是哪一颗卫星出了故障。
在识别故障卫星时，由于GPS和北斗导航系统(BDS)的星座故障率的差异，将采取以下策略：目前根据十年数据的统计分析，GPS导航卫星的星历/星钟误差超差(超出GPS承诺的限值)的概率小于10-5/小时，只需考虑单颗卫星故障的监测，通过单星座ARAIM监测可以实现每小时故障发生概率10-8/小时的完好性。北斗导航卫星的导航服务可靠性低于GPS导航卫星，需要考虑多颗北斗卫星故障同时发生的情况。因此北斗导航卫星的完好性监测主要采用根据完好性故障率将北斗导航卫星根据星座进行分组，将不同分组的北斗导航卫星与无故障GPS导航卫星组合进行ARAIM完好性监测，挑出北斗故障卫星。先挑出GPS故障卫星，再将无故障GPS卫星与北斗卫星组合监测北斗故障，北斗卫星分组原则是控制每组北斗卫星数目，保证每组之中发生两颗卫星故障的概率小于10-8/小时。
步骤S3，低轨卫星接收同一轨道面内至少2颗相邻卫星的完好性监测分立处理结果，从而获得至少3组完好性监测分立处理结果，以此综合判断卫星导航系统卫星的信号质量、导航电文和测距精度是否存在故障，获得完好性监测联合处理结果。
利用星间链路的双向信息交换，将同轨道至少2颗相邻低轨卫星分别监测识别的故障卫星信息进行交互，采用举手表决的方式，当两颗以上低轨卫星同时判断该颗GPS或BDS导航卫星有故障时才判断为卫星故障，实现故障卫星的汇总识别。
完好性监测的判断方法与判断准则。判断方法为：针对信号质量、导航电文和测距精度三个方面分别进行判断，若这三项都被判定为无故障，则认为该卫星不存在故障，否则认为该卫星存在故障。判断准则为：在所获得的完好性监测分立处理结果中，若判定为存在故障的监测结果数量超过监测结果总数的一半，则认为该卫星存在故障。即每一颗低轨卫星从信号质量、导航电文和测距精度三个方面判断可见的导航卫星是否故障，只要一个方面有故障就初步判定为该导航卫星故障，再与其他低轨卫星交换信息，若超过一半数量低轨卫星同时判断该颗导航卫星故障，则确认该卫星存在故障。
步骤S4，低轨道卫星将故障卫星的卫星号通过下行信号对服务区内用户广播进行告警。低轨卫星向地面用户播发判断结果，地面用户在进行导航解算时必须排除故障卫星。
步骤S5，用户接收告警信息，剔除卫星导航系统例如GPS和/或BDS系统的故障卫星，对剩余的正常卫星根据接收的改正信息实现高精密定位。
如图2所示，本发明一个实施例所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测系统包括导航卫星导航信号接收机21、相邻低轨卫星链路收发机22、完好性监测数据获取装置23、完好性监测分立处理装置24、完好性监测联合处理装置25、以及完好性监测联合处理结果发射机26。
其中，导航卫星导航信号接收机21用于接收卫星导航系统的下行导航信号。在一个实施例中，各个低轨卫星实时接收GPS和北斗导航系统(BDS)的可见导航卫星的导航信号。
相邻低轨卫星链路收发机22用于接收相邻低轨卫星之间的测距信息，还用于接收相邻低轨卫星发来的或向相邻低轨卫星发送完好性监测分立处理结果。与相邻低轨卫星的测距方式为：低轨卫星具备与相邻低轨卫星建立N条链路的能力，其中N1(N1≥0且N1≤N)条形成固定链路，剩余的N-N1条链路通过时序轮询的方式建立动态链路。
完好性监测数据获取装置23用于根据导航卫星导航信号接收机21收到的信号获得导航电文以及本低轨卫星与各可见导航卫星之间的观测伪距，根据相邻低轨卫星链路收发机22收到的信号获得低轨卫星之间的测距信息。对导航卫星的信号质量、卫星的星历/星钟电文的正确性进行初步判断，实现预定间隔优选为每秒一次的伪距测量。
完好性监测分立处理装置24用于根据获得的本低轨卫星与各可见导航卫星间的观测伪距，以及星间链路测距得到的星间测距信息，对各个可见的导航卫星进行自主完好性监测，各个低轨卫星各自识别故障卫星得到完好性监测分立处理结果，将完好性监测分立处理结果发送给相邻低轨卫星链路收发机22和完好性监测联合处理装置25。
自主完好性监测每间隔预定时隙优选为1秒进行一次。低轨卫星利用获得的导航电文与测距信息执行完好性监测，完好性监测内容包括信号质量、导航电文和测距精度三个方面的监测。对于信号质量、导航电文和测距精度这三个方面的监测，信号质量监测是指监测信号畸变程度、信号功率以及载噪比等信号相关指标是否符合导航卫星系统信号质量标准；导航电文监测是指监测按照电文协议进行解码后的导航电文参数数值是否在电文协议规定的范围内；测距精度的监测是指利用接收机自主完好性监测(RAIM)技术来判断伪距是否存在故障。
在识别故障卫星时，由于GPS和北斗导航系统(BDS)的星座故障率的差异，将采取以下策略：目前根据十年数据的统计分析，GPS导航卫星的星历/星钟误差超差的概率小于10-5/小时，只需考虑单颗卫星故障的监测，通过单星座ARAIM监测可以实现10-8/小时的完好性。北斗导航卫星的导航服务可靠性低于GPS导航卫星，需要考虑多颗北斗卫星故障同时发生的情况。因此北斗导航卫星的完好性监测主要采用根据完好性故障率将北斗导航卫星进行分组，将不同分组的北斗导航卫星与无故障GPS导航卫星组合进行ARAIM完好性监测，挑出北斗故障卫星。
完好性监测联合处理装置25用于通过相邻低轨卫星链路收发机22获得同一轨道面内至少2颗相邻卫星的完好性监测分立处理结果，从而获得至少3组完好性监测分立处理结果，以此综合判断各可见的导航卫星的信号质量、导航电文和测距精度是否存在故障。
利用星间链路的双向信息交换，将同轨道至少2颗相邻低轨卫星分别监测识别的故障卫星信息进行交互，采用举手表决的方式，当两颗以上低轨卫星同时判断该颗GPS或BDS导航卫星有故障时才判断为卫星故障，实现故障卫星的汇总识别。
完好性监测的判断方法与判断准则。判断方法为：针对信号质量、导航电文和测距精度三个方面分别进行判断，若这三项都被判定为无故障，则认为该卫星不存在故障，否则认为该卫星存在故障。判断准则为：在所获得的完好性监测结果中，若判定为存在故障的监测结果数量超过监测结果总数的一半，则认为该卫星存在故障。
完好性监测联合处理结果发射机26用于将故障卫星的卫星号通过下行信号对服务区内用户广播进行告警。用户接收告警信息，剔除卫星导航系统例如GPS和/或BDS系统的故障卫星，对剩余的正常卫星根据接收的改正信息实现高精密定位。
通过将低轨卫星星座中同一轨道面内前后卫星、相邻轨道面左右卫星互联，增加了完好性监测接收机可见的导航卫星数量，对卫星导航系统在轨卫星进行快速完好性监测并实时向用户播发，提高对卫星导航系统在轨卫星的完好性监测与快速告警能力。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法，其特征在于，该方法包括步骤：
各个低轨卫星接收卫星导航系统的下行导航信号，并接收低轨卫星之间的测距信息，从而获得导航电文以及本低轨卫星与卫星导航系统各可见导航卫星间的观测伪距；
各个低轨卫星根据获得的卫星导航系统的可见导航卫星的导航电文和观测伪距，以及星间链路测距得到的星间测距信息，对可见的导航卫星进行自主完好性监测，各个低轨卫星各自识别故障卫星从而获得完好性监测分立处理结果，其中，卫星导航系统包括GPS系统和北斗导航系统，对可见的导航卫星进行自主完好性监测进一步包括：北斗导航卫星的完好性监测采用根据完好性故障率将北斗导航卫星进行分组，将不同分组的北斗导航卫星与无故障GPS导航卫星组合进行高级接收机自主完好性监测，挑出北斗故障卫星；
各个低轨卫星接收同一轨道面内至少2颗相邻卫星的完好性监测分立处理结果，从而获得至少3组完好性监测分立处理结果，综合判断卫星导航系统各可见卫星是否存在故障，获得完好性监测联合处理结果；
各个低轨卫星将故障卫星的卫星号通过下行信号对服务区内用户进行广播告警。
2.如权利要求1所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法，其特征在于，还包括：用户接收告警信息，剔除卫星导航系统的故障卫星，对剩余的正常卫星根据接收的改正信息实现定位。
3.如权利要求1所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法，其特征在于，与相邻低轨卫星之间的测距信息获得方式为：低轨卫星具备与相邻低轨卫星建立N条链路的能力。
4.如权利要求3所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法，其特征在于，N条链路中N1条形成固定链路，其中N1≥0且N1≤N，剩余的N-N1条链路通过时序轮询的方式建立动态链路。
5.如权利要求1所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法，其特征在于，获得完好性监测分立处理结果的完好性监测内容包括信号质量、导航电文和测距精度三个方面的监测。
6.如权利要求5所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法，其特征在于，针对信号质量、导航电文和测距精度三个方面分别进行判断，若这三项都被判定为无故障，则认为该卫星不存在故障，否则认为该卫星存在故障。
7.如权利要求1或5所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测方法，其特征在于，获得至少3组完好性监测分立处理结果综合判断卫星导航系统各可见卫星是否存在故障进一步包括：采用举手表决的方式，当超过一半数量的低轨卫星同时判断一颗导航卫星有故障时才判断为卫星故障。
8.一种基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测系统，其特征在于，该系统包括：
导航卫星导航信号接收机，用于接收卫星导航系统的下行导航信号；
相邻低轨卫星链路收发机，用于接收相邻低轨卫星之间的测距信息，还用于接收相邻低轨卫星或向相邻低轨卫星发送完好性监测分立处理结果；
完好性监测数据获取装置，用于根据导航卫星导航信号接收机收到的信号获得导航电文以及本低轨卫星与各可见导航卫星之间的观测伪距，根据相邻低轨卫星链路收发机收到的信号获得低轨卫星之间的测距信息；
完好性监测分立处理装置，用于根据获得的本低轨卫星与各可见导航卫星间的观测伪距，以及星间链路测距得到的星间测距信息，对各可见的导航卫星进行自主完好性监测，各低轨卫星各自识别故障卫星得到完好性监测分立处理结果，将完好性监测分立处理结果发送给相邻低轨卫星链路收发机和完好性监测联合处理装置，其中，卫星导航系统包括GPS系统和北斗导航系统，对可见的导航卫星进行自主完好性监测进一步包括：北斗导航卫星的完好性监测采用根据完好性故障率将北斗导航卫星进行分组，将不同分组的北斗导航卫星与无故障GPS导航卫星组合进行高级接收机自主完好性监测，挑出北斗故障卫星；
完好性监测联合处理装置，用于通过相邻低轨卫星链路收发机获得同一轨道面内至少2颗相邻卫星的完好性监测分立处理结果，从而获得至少3组完好性监测分立处理结果，以此判断各可见的导航卫星是否存在故障；
完好性监测联合处理结果发射机，用于将故障卫星的卫星号通过下行信号对服务区内用户进行广播告警。
9.如权利要求8所述的基于组网低轨卫星的卫星导航系统完好性监测系统，其特征在于，低轨卫星具有与相邻低轨卫星建立N条链路的能力。
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