CN109100748B - 一种基于低轨星座的导航完好性监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于低轨星座的导航完好性监测系统及方法，其中系统包括多个低轨卫星，每个低轨卫星作为天基监测站接收导航信号，每个低轨卫星的每个接收通道上均设置数据处理模块；数据处理模块对接收的导航信号进行导航电文完好性监测和观测量完好性监测的处理，并通过星间链路与附近能够观测同一导航卫星的低轨卫星进行通信，通过其中任一低轨卫星上设置的综合处理逻辑模块对能够观测同一导航卫星的所有低轨卫星的处理结果进行冗余判决，给出最终的导航完好性监测结果。

Description

一种基于低轨星座的导航完好性监测系统及方法

技术领域

本发明设计卫星导航技术，特别涉及一种基于低轨卫星星座的导航完好性监测方法。

背景技术

完好性是卫星导航系统的核心服务性能之一，是指当导航系统服务误差超限或不能提供服务时，系统发出及时告警的能力。全球卫星导航系统(GNSS) 发展到今天，保障全球完好性服务已经成为制约其进一步深入应用的瓶颈。

目前，GNSS完好性监测共分为四部分：

(1)全球系统层完好性监测

全球系统层完好性监测基于GNSS信号发射段卫星存在的误差进行的完好性监测主要处理的误差包括卫星轨道误差、卫星钟差和导航信号误差，卫星自主完好性监测(SAIM)是其主要手段。但是SAIM未能考虑信号在空间传输段所产生的异常，且单星处理告警风险较高。虽然基于星间链路的SAIM能在一定程度上降低告警风险，但是其不直接监测与用户相关的伪距及载波相位观测量，仍存在一定的缺陷。

(2)广域增强层完好性监测

利用所布设监测站的并行观测数据，进行卫星星历、钟差以及电离层格网改正数的完好性分析处理，用户在进行广域差分定位处理的同时，进行相应的完好性分析处理。广域增强系统可以在一定范围内实现一类精密进近(CAT I) 的要求，但是若要全球实施则需要全球设置导航卫星监测站。

(3)局域增强层完好性监测

局域增强层完好性监测利用局域增强系统，对导航卫星观测量进行完好性分析处理，在小范围内实现CAT II/III的要求，目前的局域增强系统仅有美国的 LAAS。

(4)用户终端层完好性监测。

用户终端层完好性监测主要利用接收机自主完好性监测(RAIM)技术，将增强系统的增强信号与卫星系统信号观测数据相结合，根据冗余量进行用户接收系统自身完好性监测。但是RAIM至少需要5颗以上可见卫星才能完成冗余检测，对星座构型具有一定的要求，完好性监测性能相对较弱。

发明内容

本发明的技术解决问题是：本发明的目的在于提供一种基于低轨星座的导航完好性监测系统及方法，首先通过低轨星座实现对导航星座的全球监测，其次利用低轨卫星的多重冗余观测降低完好性风险，最后由于信号从导航卫星至低轨卫星至用户为单向传输，避免了地基监测中信号的多次星地传输，降低了传输时延。

本发明的技术解决方案是：一种基于低轨星座的导航完好性监测系统，包括多个低轨卫星，每个低轨卫星作为天基监测站接收导航信号，每个低轨卫星的每个接收通道上均设置数据处理模块；数据处理模块对接收的导航信号进行导航电文完好性监测和观测量完好性监测的处理，并通过星间链路与附近能够观测同一导航卫星的低轨卫星进行通信，通过其中任一低轨卫星上设置的综合处理逻辑模块对能够观测同一导航卫星的所有低轨卫星的处理结果进行冗余判决，给出最终的导航完好性监测结果。

进一步的，所述的导航电文完好性监测包括新旧星历一致性检验，通过下述方式实现：

当低轨卫星接收到的导航电文更新后，通过新旧星历在相同时刻计算出的卫星位置，计算新-旧星历误差；

当新-旧星历误差在预设的门限值范围内时，则新导航卫星即新星历是正确的；当新-旧星历误差超过预设的门限值时，则认为导航电文故障，并针对该导航卫星产生完好性标志。

进一步的，所述的导航电文完好性监测在新旧星历一致性检验前先进行新星历的验证，具体通过下述方式实现：

在低轨卫星接收到新的导航信号时，计算新星历所表示的卫星位置；并根据卫星历书计算新导航卫星在此时的位置；

根据上述得到的两个卫星位置，确定星历-历书误差；

当星历-历书误差在预设的门限值范围内时，则新导航卫星即新星历是正确的；当星历-历书误差超过预设的门限值时，则认为导航电文故障，并针对该导航卫星产生完好性标志。

进一步的，所述的观测量完好性监测包括载波相位监测，通过下述方式实现：

(1)低轨卫星接收机每个通道在在每个监测时刻k执行如下步骤：

(1.1)根据正确星历计算出的低轨卫星接收机至导航卫星的几何距离 R(k)以及卫星时钟修正τ(k)以及载波相位观测量φ(k)，计算载波相位修正量φ_c(k)；

(1.2)对载波相位修正量φ_c(k)进行处理，移除可能存在的接收机时钟漂移，得到φ_m(k)；

(1.3)对连续n个历元的φ_m(k)进行二次多项式拟合，进而确定卫星钟差方程的时钟漂移a₁(k)以及a₁(k)的相邻时刻的变化量Δa₁(k)；

(2)将a₁(k)、Δa₁(k)作为监测量，当低轨卫星接收机多个通道同时告警时，分别将两个监测量与各自的门限值进行比较，若超过门限值，则寻找超过门限值的监测量最大值，如果同一时刻只有一个监测量最大值或者两个监测量最大值在相同通道，则针对监测量最大值所在通道对应的导航卫星产生完好性标志，并输出故障导航卫星编号；若同一时刻两个监测量最大值不在相同通道，则认为低轨卫星接收机故障。

进一步的，所述步骤(2)同时对监测量a₁(k)、Δa₁(k)进行监测，其中：

监测量a₁(k)监测通过下述方式实现：

(2.1)若某通道a₁(k)超过门限值，该通道计数变量Count_a1加1，并转步骤(2.2)；否则，进入下一历元从步骤(1.1)开始执行；

(2.2)判断该通道计数变量Count_a1是否大于等于2，若大于等于2，则将标志IF_a1置1；否则，判断Count_a1是否为0，是则进入下一历元从步骤(1.1)开始执行；Count_a1不为0时，将标志Error_Jump置1，并针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，并输出故障导航卫星编号；

监测量Δa₁(k)监测通过下述方式实现：

(a)若某通道Δa₁(k)超过门限值，该通道计数变量Count_da1加1，并转步骤(b)；否则，执行两个判断，a1)判断标志Error_jump或标志Error_ramp 是否0，是则转步骤(c)；否则转步骤(d)；a2)判断Count_da1是否为1，若Count_da1为1，则转步骤(c)；否则转步骤(d)；

(b)判断上述通道计数变量Count_da1是否等于3，是则遍历连续三个历元中有几个Δa₁(k)超过门限值，若仅有一个超过门限值，则转步骤(d)并将Count_da1置0；若有2、3个Δa₁(k)超过门限值，且该通道IF_a1为1时，将标志Error_ramp置1，并针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，输出故障卫星编号，其余情况均转步骤(d)；

(c)判断上述通道IF_a1是否为1且标志Error_ramp是否为1，若满足，则针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，输出故障卫星编号，否则转步骤(d)；

(d)进入下一历元从步骤(1.1)开始执行。

进一步的，所述的观测量完好性监测还包括伪距监测，具体实现方式如下：

第一步，根据伪距观测量ρ(k)、载波相位平滑伪距ρ_s(k)以及载波相位观测量φ(k)，计算监测量Δρ(k)；

第二步，判断三个连续的历元中计算出的监测量超过门限的次数，若至少有两次超过门限，则针对当前监测导航卫星产生完好性标注，输出故障导航卫星编号，若只有一次超过门限，则当前伪距测量被认可，通过平滑滤波的方式计算下一历元载波相位平滑伪距，转第一步。

进一步的，在伪距监测过程中还包括如下处理：

计算导频支路伪距ρ_P(k)与数据支路伪距ρ_D(k)之差Δρ_PD(k)＝ρ_P(k)-ρ_D(k)，若Δρ_PD(k)超过门限则针对当前计算导航卫星产生完好性标注，输出故导航障卫星编号。

进一步的，所述的冗余判决通过下述方式实现：

若某一时刻，编号为i的导航卫星同时被N个低轨卫星监测，设置的综合处理逻辑模块的低轨卫星记为主卫星通过计数的方式对编号为i的导航卫星被标注完好性的次数超过规定的门限TH，则主卫星产生导航卫星i的告警信息； TH≤N。

一种基于低轨星座的导航完好性监测方法，步骤如下：

通过多个低轨卫星监测同一导航卫星，每个低轨卫星根据接收的导航信号进行导航电文完好性监测和观测量完好性监测并将监测结果通过星间链路与附近能够观测同一导航卫星的低轨卫星进行通信；

由一颗主卫星对接收到的监测结果进行冗余判决，给出最终的导航完好性监测结果；

所述的主卫星为上述低轨卫星中的任一一颗。

进一步的，所述的观测量完好性监测包括载波相位监测，通过下述方式实现：

(1)低轨卫星接收机每个通道在每个监测时刻k执行如下步骤：

(1.1)根据正确星历计算出的低轨卫星接收机至导航卫星的几何距离 R(k)以及卫星时钟修正τ(k)以及载波相位观测量φ(k)，计算载波相位修正量φ_c(k)；

(1.2)对载波相位修正量φ_c(k)进行处理，移除可能存在的接收机时钟漂移，得到φ_m(k)；

(1.3)对连续n个历元的φ_m(k)进行二次多项式拟合，进而确定卫星钟差方程的时钟漂移a₁(k)以及a₁(k)的相邻时刻的变化量Δa₁(k)；

(2)将a₁(k)、Δa₁(k)作为监测量，当低轨卫星接收机多个通道同时告警时，分别将两个监测量与各自的门限值进行比较，若超过门限值，则寻找超过门限值的监测量最大值，如果同一时刻只有一个监测量最大值或者两个监测量最大值在相同通道，则针对监测量最大值所在通道对应的导航卫星产生完好性标志，并输出故障导航卫星编号；若同一时刻两个监测量最大值不在相同通道，则认为低轨卫星接收机故障。

进一步的，所述的观测量完好性监测还包括伪距监测，步骤如下：

第一步，根据伪距观测量ρ(k)、载波相位平滑伪距ρ_s(k)以及载波相位观测量φ(k)，计算监测量Δρ(k)；

第二步，判断三个连续的历元中计算出的监测量超过门限的次数，若至少有两次超过门限，则针对当前监测导航卫星产生完好性标注，输出故障导航卫星编号，若只有一次超过门限，则当前伪距测量被认可，通过平滑滤波的方式计算下一历元载波相位平滑伪距，转第一步。

进一步的，在伪距监测过程中还计算导频支路伪距ρ_P(k)与数据支路伪距ρ_D(k)之差Δρ_PD(k)＝ρ_P(k)-ρ_D(k)，若Δρ_PD(k)超过门限则针对当前计算导航卫星产生完好性标注，输出故导航障卫星编号，否则进行下一历元的伪距监测。

进一步的，所述步骤(2)同时对监测量a₁(k)、Δa₁(k)进行监测，其中：

监测量a₁(k)监测通过下述方式实现：

(2.1)若某通道a₁(k)超过门限值，该通道计数变量Count_a1加1，并转步骤(2.2)；否则，进入下一历元从步骤(1.1)开始执行；

(2.2)判断该通道计数变量Count_a1是否大于等于2，若大于等于2，则将标志IF_a1置1；否则，判断Count_a1是否为0，是则进入下一历元从步骤(1.1)开始执行；Count_a1不为0时，将标志Error_Jump置1，并针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，并输出故障导航卫星编号；

监测量Δa₁(k)监测通过下述方式实现：

(a)若某通道Δa₁(k)超过门限值，该通道计数变量Count_da1加1，并转步骤(b)；否则，执行两个判断，a1)判断标志Error_jump或标志Error_ramp 是否0，是则转步骤(c)；否则转步骤(d)；a2)判断Count_da1是否为1，若Count_da1为1，则转步骤(c)；否则转步骤(d)；

(b)判断上述通道计数变量Count_da1是否等于3，是则遍历连续三个历元中有几个Δa₁(k)超过门限值，若仅有一个超过门限值，则转步骤(d)并将Count_da1置0；若有2、3个Δa₁(k)超过门限值，且该通道IF_a1为1时，将标志Error_ramp置1，并针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，输出故障卫星编号，其余情况均转步骤(d)；

(c)判断上述通道IF_a1是否为1且标志Error_ramp是否为1，若满足，则针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，输出故障卫星编号，否则转步骤(d)；

(d)进入下一历元从步骤(1.1)开始执行。

进一步的，所述的导航电文完好性监测步骤如下：

(1)在低轨卫星接收到新的导航信号时，计算新星历所表示的卫星位置；并根据卫星历书计算新导航卫星在此时的位置；

(2)根据上述得到的两个卫星位置，确定星历-历书误差；当星历-历书误差在预设的门限值范围内时，则新导航卫星即新星历是正确的，执行步骤(3)；当星历-历书误差超过预设的门限值时，则认为导航电文故障，并针对该导航卫星产生完好性标志；

(3)当低轨卫星接收到的导航电文更新后，通过新旧星历在相同时刻计算出的卫星位置，计算新-旧星历误差；当新-旧星历误差在预设的门限值范围内时，则新导航卫星即新星历是正确的；当新-旧星历误差超过预设的门限值时，则认为导航电文故障，并针对该导航卫星产生完好性标志。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)设计了一种基于低轨卫星的导航完好性监测系统，该系统利用低轨星座对导航星座良好的覆盖性，实现导航完好性全球覆盖的服务目标，尽可能低的减少对地面监测站的依赖；

(2)提出一种基于低轨卫星的导航完好性监测方法，基于监测导航电文完好性和观测量完好性，实现对导航电文的监测和观测量快变和慢变的监测；

(3)利用低轨卫星的多重冗余观测量降低告警风险。

附图说明

图1为本发明公开的基于低轨星座的导航完好性监测系统示意图；

图2为本发明公开的导航电文完好性监测流程图；

图3为本发明公开的观测量完好性监测处理流程图；

图4为本发明低轨星座监测系统对导航卫星MEO的覆盖性；

图5为本发明的故障卫星综合处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

基于低轨星座的导航完好性监测系统由导航卫星星座和带有高精度完好性监测接收机的低轨星座两部分组成。例如图1所示的，导航星座为GNSS导航星座，低轨卫星为Walker星座。低轨卫星作为天基监测站接收导航信号，并进行完好性监测数据处理，最终通过相邻低轨卫星星间链路实时数据汇总，在每一个时刻进行故障冗余表决得出完好性监测信息向全球用户播发，实现全球完好性服务。

由于低轨卫星的多重冗余观测，故障导航卫星可以同时被一组低轨卫星监测，当该组低轨卫星中某个低轨卫星产生故障导航卫星的告警信息，同时，该组内其它卫星也产生了告警信息，由于低轨卫星之间的实时通信，因而该组中所有低轨卫星在该时刻可以获得其他卫星的故障监测结果，从而进行冗余表决，输出故障卫星编号，并产生完好性告警信息。

下面具体对本发明方案进行详细说明。

1、导航电文完好性监测

导航电文完好性监测通常包括两部分如图2所示，一是对于新观测到的卫星星历与卫星历书相比较，位置误差只要在一定范围内(设置为7km，与历书精度有关)即可认为新产生的星历是正确的；二是当一个卫星的星历进行了更新，将更新的星历与该卫星在一个更新间隔之前的旧星历对当前的星历预测进行比较，位置误差没有超过相关门限后，则认为新星历正确，并且新星历对下一时刻生成预测值。

a)新星历的验证过程

当低轨卫星发现新出现的导航卫星时，新星历所表示的卫星位置在ECEF 坐标系中为(x,y,z)，卫星历书所计算出来该卫星此时的位置为(x_alm,y_alm,z_alm)，则星历-历书误差为

因此星历-历书误差只要在门限TH_e内即认为新产生的星历是正确的。若新产生的星历-历书误差超过门限，则认为导航电文故障，并产生完好性标志。当通过验证后，向后估计n个的卫星位置为(x_est,1,y_est,1,z_est,1)， (x_est,2,y_est,2,z_est,2)，……，(x_est,n,y_est,n,z_est,n)，当星历更新间隔为T时，估计间隔为T/n。

b)新旧星历一致性检验

当导航电文更新后，新旧星历一致性检验比较旧星历和新星历在相同时刻计算出的卫星位置，从而确保新星历与旧星历的一致性。设新星历所表示的卫星位置为(x_new,i,y_new,i,z_new,i),i＝(1,2,…,n)，则新-旧星历误差为

因此所有的新-旧星历误差只要在门限TH_o内即认为新产生的星历是正确的，并且新星历继续产生1)中所述的卫星位置估计。由于历书精度往往较低，因此TH_e远大于TH_o。若新-旧星历误差超过门限，则认为导航电文故障，并产生完好性标志。

2、观测量完好性监测

观测量完好性监测分为两部分，分别是快变故障监测和慢变故障监测，如图3所示。快变型故障还可以分为Jump型和Step型。其中，Jump是指观测量在某一时刻跳变，在下一时刻或者很短的几个时刻之后回到正常情况；Step 是指观测量在某一时刻跳变，并在之后一直保持而没有回到正常状态。慢变型故障指观测量以一定的速率偏离正常值。在故障产生时刻表现没有快变明显，但随着时间增加会积累产生很大的观测误差。

快变故障监测利用伪距和载波相位观测量进行监测，慢变故障的监测利用载波相位观测量进行监测。其中，伪距监测和载波相位监测相互独立。

a)伪距监测

伪距监测主要针对伪距观测量的较大的快变故障。对于k时刻伪距观测量ρ(k)、载波相位平滑伪距ρ_s(k)以及载波相位观测量φ(k)，计算监测量

Δρ(k)＝ρ(k)-(ρ_s(k-1)+φ(k)-φ(k-1)) (3)

该监测量实际上反映了卫星钟差和接收机钟差的变化量。如果在三个连续的历元中至少有两次超过门限，则认为完好性故障，进而输出故障导航卫星编号。若仅有一次超过门限，则当前测量仍旧被认可，但是该历元载波相位平滑滤波更新方程则不使用当前测量，而使用(4)式进行更新

ρ_s(k)＝ρ_s(k-1)+φ(k)-φ(k-1) (4)

这样做避免了当前历元码测量误差的影响，且不会影响平滑滤波器。

与此同时，利用新体制信号拥有导频信号和数据信号的特点，计算导频支路伪距ρ_P(k)与数据支路伪距ρ_D(k)之差Δρ_PD(k)＝ρ_P(k)-ρ_D(k)，若超过门限则认为完好性故障，输出故障卫星编号。

b)载波相位监测

载波相位监测主要针对载波相位观测的快变和慢变进行监测，由于载波相位测量精度高，因此相比较于伪距监测，可以监测出卫星钟较小的异常。对k 时刻载波相位观测量φ(k)，载波相位修正量φ_c(k)为

φ_c(k)＝φ(k)-R(k)+τ(k)-φ(0) (5)

其中R(k)和τ(k)为导航电文完好性监测认可的星历计算出的接收机至导航卫星的几何距离以及卫星时钟修正；φ_c(0)＝φ(0)-R(0)+τ(0)。式(5)使φ_c(k) 变成一个小量，并且消除了载波相位初始模糊度。进而有φ_m(k)为

其中，S为当前接收机观测的假设无故障卫星集合(不包括当前被监测的卫星)，N为集合内元素个数。这样处理能移除可能存在的接收机时钟漂移。对连续n个历元的φ_m(k)进行二次多项式拟合，即

记监测量为

实际上，a₁(k)可以用计算一个窗长为n中φ_m(k)平均斜率的方法进行计算，即

再计算a₁(k)的相邻时刻的变化量Δa₁(k)，从而产生两个监测量。在观测量完好性监测的载波监测中，一个通道如果出现较大的测量值异常可能会引起其他非故障通道产生虚警，如(6)式所示，将其称作“通道污染”。为了解决这一现象，设计相应的逻辑将其排除：当多个通道同时告警时，在两个监测量a₁(k)和Δa₁(k)中寻找超过各自门限值(门限值通常采用5.33倍标准差)最大的监测量。例如，当多个通道的a₁(k)同时告警时，寻找含有最大a₁(k) 的通道。同理，另外一个监测量也能找出含有最大值的通道，故同一时刻最多有两个最大值。如果同一时刻只有一个监测量最大值或者两个监测量最大值在相同通道，则进行相应逻辑处理，最终输出故障卫星编号。如果同时出现两个最大值，且不在相同通道，这可能是由于多颗卫星同时故障或者接收机故障产生的。在这种情况下，若无接收机故障，则认为是多颗导航卫星故障，但是由于导航卫星的故障率为10^-5，两颗导航卫星同时发生故障的概率为 (10^-5)²＝10^-10，这个概率很低，因此观测量完好性监测是在单故障假设情况下进行的监测。若发生接收机故障，则在后续的综合处理逻辑中利用多颗低轨卫星的多重冗余观测可对其进行排除。

低轨卫星接收载波相位观测量，进行式(5)至(8)的处理后，若某通道 a₁(k)超过门限值，该通道计数变量Count_a1加1；反之进入下一历元。当该通道Count_a1大于等于2时，输出一个标志IF_a1并将Count_a1置0；反之则判断Count_a1是否为0。若Count_a1为0则进入下一历元；反之将标志 Error_Jump置1，并输出故障卫星编号。在监测a₁(k)的同时对Δa₁(k)进行监测，若某通道Δa₁(k)超过门限值，该通道计数变量Count_da1加1；反之判断Count_da1是否为1。若Count_da1为1，且标志IF_a1为1与标志Error_ramp 为0时，输出故障卫星编号；反之进入下一历元。当Count_da1等于3时，遍历连续三个历元中有几个Δa₁(k)超过门限值，若仅有一个超过门限值，则进入下一历元并将Count_da1置0；若有2、3个Δa₁(k)超过门限值，且该通道IF_a1 为1时，将标志Error_ramp置1，并输出故障卫星编号，若IF_a1不为1则进入下一历元。若Δa₁(k)未超过门限值，且标志Error_jump或标志Error_ramp 为0时，且标志IF_a1为1与标志Error_ramp为0，输出故障卫星编号；反之，进入下一历元。

载波相位监测需要对快变故障和慢变故障进行故障分离，慢变故障会使 a₁(k)连续超过门限且Δa₁(k)连续超过门限或不超过门限。快变故障分Jump 型和Step型。Jump会使两个监测量不连续的跳变；Step会使a₁(k)阶跃，Δa₁(k)对称性跳变。因此在慢变监测中，若Δa₁(k)出现不连续变化则不会触发慢变告警，进而使快变故障不影响慢变监测。

图中所示的监测量表示均省略了时刻k。

3、低轨星座对导航卫星的多重冗余观测

如图4、5所示，低轨卫星星座对北斗星座MEO的覆盖性中得出，对MEO 的平均覆盖卫星数达到15颗卫星，并且没有覆盖出现中断的情况发生。而国内地面监测站对北斗MEO每周可监测时间仅占总时间的41％。如果仅在国内设置监测站，监测站数目增加仅仅是增加可见区域的覆盖数，不可见区域的覆盖数仍旧为零。通过与低轨卫星星座的覆盖性结果比较，低轨卫星星座可以从两方面显著提升对MEO的覆盖性。

经过导航电文完好性监测和观测量完好性监测后，故障卫星的编号进入综合处理逻辑。综合处理逻辑主要的功能是为冗余检查，降低完好性风险。若某一时刻，编号为i的导航卫星同时被N个低轨卫星监测，当其中主低轨卫星产生导航卫星i的告警信息，则其自身计数器加1。由于低轨卫星之间的实时通信，因而主卫星在该时刻可以获得其他N-1个卫星的故障监测结果。当主卫星获得其他低轨卫星输出的导航卫星i的故障信息，则其计数器再进行加1。若计数器输出结果超过所规定的门限TH(TH≤N)，则主卫星产生导航卫星i的告警信息；反之，则认为低轨卫星接收机故障，不产生导航卫星的完好性告警信息。实际上，这里所指的“主卫星”并不特指某一个具体的低轨卫星，即任意一个低轨卫星都可以作为“主卫星”进行故障判决。假设单颗低轨卫星监测接收机漏警概率为P_ma，因此完好性风险为

例如，取P_ma＝10^-3，N＝15， TH＝8，因此完好性风险

远远满足航空精密进近的完好性风险要求。当产生完好性告警信息后，该信息通过低轨星座网络向全球用户播发。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (13)

1.一种基于低轨星座的导航完好性监测系统，其特征在于：包括多个低轨卫星，每个低轨卫星作为天基监测站接收导航信号，每个低轨卫星的每个接收通道上均设置数据处理模块；数据处理模块对接收的导航信号进行导航电文完好性监测和观测量完好性监测的处理，并通过星间链路与附近能够观测同一导航卫星的低轨卫星进行通信，通过其中任一低轨卫星上设置的综合处理逻辑模块对能够观测同一导航卫星的所有低轨卫星的处理结果进行冗余判决，给出最终的导航完好性监测结果；

所述的冗余判决通过下述方式实现：

若某一时刻，编号为i的导航卫星同时被N个低轨卫星监测，设置的综合处理逻辑模块的低轨卫星记为主卫星通过计数的方式对编号为i的导航卫星被标注完好性的次数超过规定的门限TH，则主卫星产生导航卫星i的告警信息；TH≤N。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的导航电文完好性监测包括新旧星历一致性检验，通过下述方式实现：

当低轨卫星接收到的导航电文更新后，通过新旧星历在相同时刻计算出的卫星位置，计算新-旧星历误差；

当新-旧星历误差在预设的门限值范围内时，则新导航卫星即新星历是正确的；当新-旧星历误差超过预设的门限值时，则认为导航电文故障，并针对该导航卫星产生完好性标志。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的导航电文完好性监测在新旧星历一致性检验前先进行新星历的验证，具体通过下述方式实现：

在低轨卫星接收到新的导航信号时，计算新星历所表示的卫星位置；并根据卫星历书计算新导航卫星在此时的位置；

根据上述得到的两个卫星位置，确定星历-历书误差；

当星历-历书误差在预设的门限值范围内时，则新导航卫星即新星历是正确的；当星历-历书误差超过预设的门限值时，则认为导航电文故障，并针对该导航卫星产生完好性标志。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的观测量完好性监测包括载波相位监测，通过下述方式实现：

(1)低轨卫星接收机每个通道在每个监测时刻k执行如下步骤：

(1.1)根据正确星历计算出的低轨卫星接收机至导航卫星的几何距离R(k)以及卫星时钟修正τ(k)以及载波相位观测量φ(k)，计算载波相位修正量φ_c(k)；

(1.2)对载波相位修正量φ_c(k)进行处理，移除可能存在的接收机时钟漂移，得到φ_m(k)；

(1.3)对连续n个历元的φ_m(k)进行二次多项式拟合，进而确定卫星钟差方程的时钟漂移a₁(k)以及a₁(k)的相邻时刻的变化量Δa₁(k)；

(2)将a₁(k)、Δa₁(k)作为监测量，当低轨卫星接收机多个通道同时告警时，分别将两个监测量与各自的门限值进行比较，若超过门限值，则寻找超过门限值的监测量最大值，如果同一时刻只有一个监测量最大值或者两个监测量最大值在相同通道，则针对监测量最大值所在通道对应的导航卫星产生完好性标志，并输出故障导航卫星编号；若同一时刻两个监测量最大值不在相同通道，则认为低轨卫星接收机故障。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述步骤(2)同时对监测量a₁(k)、Δa₁(k)进行监测，其中：

监测量a₁(k)监测通过下述方式实现：

(2.1)若某通道a₁(k)超过门限值，该通道计数变量Count_a1加1，并转步骤(2.2)；否则，进入下一历元从步骤(1.1)开始执行；

(2.2)判断该通道计数变量Count_a1是否大于等于2，若大于等于2，则将标志IF_a1置1；否则，判断Count_a1是否为0，是则进入下一历元从步骤(1.1)开始执行；Count_a1不为0时，将标志Error_Jump置1，并针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，并输出故障导航卫星编号；

监测量Δa₁(k)监测通过下述方式实现：

(a)若某通道Δa₁(k)超过门限值，该通道计数变量Count_da1加1，并转步骤(b)；否则，执行两个判断，a1)判断标志Error_jump或标志Error_ramp是否0，是则转步骤(c)；否则转步骤(d)；a2)判断Count_da1是否为1，若Count_da1为1，则转步骤(c)；否则转步骤(d)；

(b)判断上述通道计数变量Count_da1是否等于3，是则遍历连续三个历元中有几个Δa₁(k)超过门限值，若仅有一个超过门限值，则转步骤(d)并将Count_da1置0；若有2、3个Δa₁(k)超过门限值，且该通道IF_a1为1时，将标志Error_ramp置1，并针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，输出故障卫星编号，其余情况均转步骤(d)；

(c)判断上述通道IF_a1是否为1且标志Error_ramp是否为1，若满足，则针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，输出故障卫星编号，否则转步骤(d)；

(d)进入下一历元从步骤(1.1)开始执行。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的观测量完好性监测还包括伪距监测，具体实现方式如下：

第一步，根据伪距观测量ρ(k)、载波相位平滑伪距ρ_s(k)以及载波相位观测量φ(k)，计算监测量Δρ(k)；

第二步，判断三个连续的历元中计算出的监测量超过门限的次数，若至少有两次超过门限，则针对当前监测导航卫星产生完好性标注，输出故障导航卫星编号，若只有一次超过门限，则当前伪距测量被认可，通过平滑滤波的方式计算下一历元载波相位平滑伪距，转第一步。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：在伪距监测过程中还包括如下处理：

计算导频支路伪距ρ_P(k)与数据支路伪距ρ_D(k)之差Δρ_PD(k)＝ρ_P(k)-ρ_D(k)，若Δρ_PD(k)超过门限则针对当前计算导航卫星产生完好性标注，输出故导航障卫星编号。

8.一种基于低轨星座的导航完好性监测方法，其特征在于步骤如下：

通过多个低轨卫星监测同一导航卫星，每个低轨卫星根据接收的导航信号进行导航电文完好性监测和观测量完好性监测并将监测结果通过星间链路与附近能够观测同一导航卫星的低轨卫星进行通信；

由一颗主卫星对接收到的监测结果进行冗余判决，给出最终的导航完好性监测结果；所述的冗余判决通过下述方式实现：

若某一时刻，编号为i的导航卫星同时被N个低轨卫星监测，设置的综合处理逻辑模块的低轨卫星记为主卫星通过计数的方式对编号为i的导航卫星被标注完好性的次数超过规定的门限TH，则主卫星产生导航卫星i的告警信息；TH≤N；

所述的主卫星为上述低轨卫星中的任一一颗。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的观测量完好性监测包括载波相位监测，通过下述方式实现：

(1)低轨卫星接收机每个通道在每个监测时刻k执行如下步骤：

(1.1)根据正确星历计算出的低轨卫星接收机至导航卫星的几何距离R(k)以及卫星时钟修正τ(k)以及载波相位观测量φ(k)，计算载波相位修正量φ_c(k)；

(1.2)对载波相位修正量φ_c(k)进行处理，移除可能存在的接收机时钟漂移，得到φ_m(k)；

(1.3)对连续n个历元的φ_m(k)进行二次多项式拟合，进而确定卫星钟差方程的时钟漂移a₁(k)以及a₁(k)的相邻时刻的变化量Δa₁(k)；

(2)将a₁(k)、Δa₁(k)作为监测量，当低轨卫星接收机多个通道同时告警时，分别将两个监测量与各自的门限值进行比较，若超过门限值，则寻找超过门限值的监测量最大值，如果同一时刻只有一个监测量最大值或者两个监测量最大值在相同通道，则针对监测量最大值所在通道对应的导航卫星产生完好性标志，并输出故障导航卫星编号；若同一时刻两个监测量最大值不在相同通道，则认为低轨卫星接收机故障。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述的观测量完好性监测还包括伪距监测，步骤如下：

第一步，根据伪距观测量ρ(k)、载波相位平滑伪距ρ_s(k)以及载波相位观测量φ(k)，计算监测量Δρ(k)；

第二步，判断三个连续的历元中计算出的监测量超过门限的次数，若至少有两次超过门限，则针对当前监测导航卫星产生完好性标注，输出故障导航卫星编号，若只有一次超过门限，则当前伪距测量被认可，通过平滑滤波的方式计算下一历元载波相位平滑伪距，转第一步。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：在伪距监测过程中还计算导频支路伪距ρ_P(k)与数据支路伪距ρ_D(k)之差Δρ_PD(k)＝ρ_P(k)-ρ_D(k)，若Δρ_PD(k)超过门限则针对当前计算导航卫星产生完好性标注，输出故导航障卫星编号，否则进行下一历元的伪距监测。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)同时对监测量a₁(k)、Δa₁(k)进行监测，其中：

监测量a₁(k)监测通过下述方式实现：

(2.1)若某通道a₁(k)超过门限值，该通道计数变量Count_a1加1，并转步骤(2.2)；否则，进入下一历元从步骤(1.1)开始执行；

(2.2)判断该通道计数变量Count_a1是否大于等于2，若大于等于2，则将标志IF_a1置1；否则，判断Count_a1是否为0，是则进入下一历元从步骤(1.1)开始执行；Count_a1不为0时，将标志Error_Jump置1，并针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，并输出故障导航卫星编号；

监测量Δa₁(k)监测通过下述方式实现：

(a)若某通道Δa₁(k)超过门限值，该通道计数变量Count_da1加1，并转步骤(b)；否则，执行两个判断，a1)判断标志Error_jump或标志Error_ramp是否0，是则转步骤(c)；否则转步骤(d)；a2)判断Count_da1是否为1，若Count_da1为1，则转步骤(c)；否则转步骤(d)；

(b)判断上述通道计数变量Count_da1是否等于3，是则遍历连续三个历元中有几个Δa₁(k)超过门限值，若仅有一个超过门限值，则转步骤(d)并将Count_da1置0；若有2、3个Δa₁(k)超过门限值，且该通道IF_a1为1时，将标志Error_ramp置1，并针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，输出故障卫星编号，其余情况均转步骤(d)；

(c)判断上述通道IF_a1是否为1且标志Error_ramp是否为1，若满足，则针对当前通道对应的导航卫星产生完好性标志，输出故障卫星编号，否则转步骤(d)；

(d)进入下一历元从步骤(1.1)开始执行。

13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的导航电文完好性监测步骤如下：

(1)在低轨卫星接收到新的导航信号时，计算新星历所表示的卫星位置；并根据卫星历书计算新导航卫星在此时的位置；

(2)根据上述得到的两个卫星位置，确定星历-历书误差；当星历-历书误差在预设的门限值范围内时，则新导航卫星即新星历是正确的，执行步骤(3)；当星历-历书误差超过预设的门限值时，则认为导航电文故障，并针对该导航卫星产生完好性标志；

(3)当低轨卫星接收到的导航电文更新后，通过新旧星历在相同时刻计算出的卫星位置，计算新-旧星历误差；当新-旧星历误差在预设的门限值范围内时，则新导航卫星即新星历是正确的；当新-旧星历误差超过预设的门限值时，则认为导航电文故障，并针对该导航卫星产生完好性标志。

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