CN109307876A - 一种适用于gnss矢量跟踪的自主完好性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法，一提取卫星信息，计算出卫星的位置；二根据卫星位置及接收机的定位结果确定测量关系矩阵H_K；三根据测量关系矩阵H_K及码相位误差构建检验统计量四设定虚警概率P_FA，根据P_FA设定检验统计门限T_th，将检验统计量与该门限进行对比，完成统计检验；五根据接收机的定位结果和危险误导信息概率P_HMI计算误差保护限值PL；六若PL小于设定的系统允许的误差门限AL，且小于门限T_th，则矢量跟踪环路处于正常工作状态；若PL小于AL，但大于等于门限T_th，则关闭对应的故障卫星通道；若PL已超过AL，则立即向系统报警，本发明能够规避卫星信号跟踪通道之间误差的耦合，提高接收机的抗干扰能力和可靠性。

Description

一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法

技术领域

本发明涉及通信领域的卫星导航定位技术，具体涉及一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法。

背景技术

全球卫星导航系统能够全天候实时提供位置、速度及时间信息，已成为低成本制导武器上不可或缺的导航信息来源。在复杂电磁环境以及高动态环境下，导航卫星信号的接收环境并不理想。针对这一问题，有学者提出更为先进的矢量跟踪环路。与传统跟踪方法相比，矢量跟踪具备跟踪更微弱的卫星信号、桥接被瞬时遮挡的卫星信号以及忍受用户的高动态等优势。国际上普遍认为矢量跟踪技术在卫星导航系统中具有广阔的发展和应用前景，将会是下一代导航接收机的关键技术之一。

然而，通道之间的耦合会导致一个通道内发生的伪距误差会很快传递到其它通道之中，并最终污染导航滤波器导致系统无法可靠工作，因此针对矢量跟踪环路的自主完好性监测(RAIM)显得尤为重要。RAIM可将定位误差异常控制在一定范围和概率内，及时发现卫星的电子故障、卫星星历与星钟错误、大气延迟效应、多径效应或自身故障等，它使得定位有更好的连续性和可靠性。

现有的RAIM算法无法应用于矢量跟踪环路，且进行故障诊断对冗余星数、卫星星座排布都有要求，难以应用于处于复杂环境下的卫星导航接收机。因此，对于采用矢量跟踪环路的卫星导航接收机来说，需要采用一种新的自主完好性监测算法来提高复杂环境下的抗干扰能力以及可靠性，从而提高接收机的定位性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法，能够规避卫星信号跟踪通道之间误差的耦合，提高接收机的抗干扰能力和可靠性。

实现本发明的技术方案如下：

一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法，包括以下步骤：

步骤一、提取卫星信息，计算出卫星的位置；

步骤二、根据卫星位置及接收机的定位结果确定测量关系矩阵H_K；

步骤三、根据测量关系矩阵H_K及码相位误差构建检验统计量

步骤四、设定虚警概率P_FA，根据P_FA设定检验统计门限T_th，将检验统计量与该门限进行对比，完成统计检验；

步骤五、根据接收机的定位结果和危险误导信息概率P_HMI计算误差保护限值PL；

步骤六、若误差保护限值PL小于设定的系统允许的误差门限AL，且检验统计量小于门限T_th，则矢量跟踪环路处于正常工作状态；若误差保护限值PL小于设定的系统允许的误差门限AL，但检验统计量大于等于门限T_th，则关闭对应的故障卫星通道；若误差保护限值PL已超过设定的系统允许的误差门限AL，则立即向系统报警。

进一步地，检验统计量具体如下式：

其中，W_k是k时刻的测量噪声协方差矩阵，I_n×n是单位矩阵，为k时刻由所有跟踪通道的码相位鉴别器输出的均值组成的向量。

进一步地，误差保护限值PL包括水平误差保护限值HPL和垂直误差保护限值VPL，

HPL＝max{HPL_NF HPL_F}

VPL＝max{VPL_NF VPL_F}

HPL_NF和VPL_NF分别代表系统没有发生故障时的水平和垂直误差保护限值，HPL_F和VPL_F则分别代表系统发生故障时的水平和垂直误差保护限值。

进一步地，HPL_NF和VPL_NF均由非故障状态下的系统定位误差分布和危险误导信息概率P_HMI共同决定。

进一步地，

其中，HPE^U为故障状态下的水平方向的定位误差上限，VPE^U为故障状态下的垂直方向的定位误差上限，分别是接收机定位结果在ECEF坐标系的XYZ三个轴方向上的方差。

进一步地，

其中，代表第i个通道截止到当前K时刻所发生的最严重的误差，B_1,k-j、B_2,k-j和B_3,k-j下角标中的1,2,3分别代表参与求和运算的是当前B_k-j矩阵的第1,2,3行，矩阵B_k-j代表误差向量按照时间积累所形成的误差，是公式的简化形式，其中A_k＝I_n×n-K_KH_K，K_K为卡尔曼滤波增益，j表示从故障发生时刻到当前k时刻的时间标签，N代表算法向前迭代的最大次数，由设计参数决定。

有益效果：

(1)本发明针对矢量跟踪环路的特点，采用码鉴相器输出误差构建检验统计量，建立适用于多伪距误差条件下的故障诊断构架，相比传统RAIM算法可用性难以判定，以及伪距误差检验性能严重下降的问题，本发明的新型RAIM算法具有明显的优势。

(2)本发明的新型RAIM算法对可见卫星数的冗余没有硬性要求，更加适合高动态复杂电磁环境下的矢量跟踪卫星导航接收机的自主完好性监测。

(3)本发明的新型RAIM算法在计算误差保护限值PL时采用的是线性迭代的方法，因此相比于传统算法具有运算效率高的优势。

附图说明

图1为本发明的算法执行流程图。

图2为伪距存在阶跃故障时矢量RAIM算法和标量RAIM算法检测量和统计量的门限比较图。

图3为伪距存在不同速率的斜升故障时矢量RAIM算法检验量示意图。

图4为伪距存在不同速率的斜升故障时标量RAIM算法检测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示为本发明的算法执行流程，本发明提供了一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法，包括以下步骤：

步骤一、提取卫星信息，计算出卫星的位置；

待接收机对卫星信号进行帧同步后，提取卫星的导航电文，计算出卫星的位置和速度信息。

步骤二、根据卫星位置及接收机的定位结果确定测量关系矩阵H_K；

码相位误差与载体位置误差之间的关系如下所示：

其中是由所有跟踪通道的码相位鉴别器输出组成的矢量，并将其转化到以米为单位的距离误差。

其中n代表卫星通道编号，e_i,1、e_i,2、e_i,3代表载体到第i颗卫星的视线方向矢量，它的定义可由如下方式导出。每颗可见卫星的伪距方程可由下式表示：

其中x_s,i、y_s,i、z_s,i是第i颗卫星在ECEF坐标系下的坐标，x、y、z是估计的载体在ECEF坐标系下的坐标，δt是接收机的钟差。则e_i,1、e_i,2、e_i,3的定义分别为

另外X_P,k是由载体在ECEF坐标系中真实的坐标和时钟误差组成的4×1向量，而则是由接收机估计的坐标和时钟误差组成的向量。

步骤三、根据测量关系矩阵H_K及码相位误差构建检验统计量检验统计量具体如下式：

其中，W_k是k时刻的测量噪声协方差矩阵，I_n×n是单位矩阵，若以代表第i个跟踪通道的码相位鉴别器输出的均值，则是由所有跟踪通道的所组成的向量，即为k时刻由所有跟踪通道的码相位鉴别器输出的均值组成的向量。当系统不存在故障时，是自由度为(n-4)的中心化χ²分布；当第i颗卫星发生量级为b的故障时，是自由度为(n-4)的非中心化χ²分布，并且非中心化参数为

步骤四、设定虚警概率P_FA，根据P_FA设定检验统计门限T_th，将检验统计量与该门限进行对比，完成统计检验；

根据下式可得到检验统计门限T_th：

其中Γ是Gamma函数；

步骤五、根据接收机的定位结果和危险误导信息概率P_HMI计算误差保护限值PL，现对其推导过程加以详细说明。

从危险误导信息概率P_HMI入手，系统给定的P_HMI由下式构成：

P_HMI＝P{(|PE|>PL)|no fault}·P{(z<T_th)|no fault}·(1-nP_F)

+P{(|PE|>PL)|fault}·P{(z<T_th)|fault}·nP_F (5)

其中PE代表接收机定位误差，P_F代表卫星故障概率，而nP_F表示当前空域内的可见卫星数n与卫星故障概率P_F的乘积，PL是待求取的误差保护门限。

可见，HMI描述了两种严重的系统故障，等式右边前半部分指的是当系统没有发生故障时定位误差大于误差保护门限，但是RAIM算法没有及时给出告警的情况；等式右边的后半部分则恰好是系统发生故障时RAIM算法没有发出告警的情况，因此对PL的讨论也需要两种条件下进行，取其中最大的值。

假设HMI发生时属于上述两种情况中任何一种的概率相同，基于此可分为如下两种情况讨论，以水平误差保护限值为例：

1)系统正常工作时的误差保护限值PL_N的计算：当系统工作正常但是定位误差超过误差保护门限时，可以用下式来描述：

P(|HPE|>HPL_NF)＝0.5P_HMI

其中HPE服从均值为0，方差为的正态分布，和是接收机定位结果在ECEF坐标系的XY两个轴方向上的方差，可以通过定位结果给出，因此在给定P_HMI的情况下通过查标准正态分布表便可得到HPL_NF的值。

2)当卫星出现故障(伪距故障)时，HPL_F可以视为故障引起的误差HPE^U和的叠加，即：

3)此时需对故障引起的误差上界HPE^U加以计算。首先假设当前时刻为k，发生故障的是卫星通道i，而故障开始的时间是t_m，以b代表故障导致的码相位误差，则故障误差向量为f_k-m+1＝[0 ... b ... 0]^T。根据上述假设可以写出当前时刻的状态向量误差如下所示

δx_k＝A_kδx_k-1-K_kf_k-m+1 (7)

其中A_k＝I_n×n-K_KH_K，K_K为卡尔曼滤波增益。将δx_k按照时间展开，则(7)可重写为如下形式

令B_k-j代表上式中大括号中的内容，则(8)最终可以简化为如下形式

4)对于矢量跟踪环路来说，(8)式中的A总是渐进稳定的。这也就意味着，δx_k只与之前N个时刻内的误差向量δx相关。在确定N的值时首先要计算当前时刻B_k-(N-1)的二范数的值，若该值大于一个严格为正的设计参数δ，例如1×10^-7，则N的值增加1，并开始下一历元的判断；若该值小于δ，则N的值保持不变，并且计算下一历元的B矩阵的时候将最古老的A矩阵从连乘中剔除掉。

5)对于常见故障类型，由故障引入的误差量级往往保持不变或单调增加，因此存在一个最严重的误差量级，记为故障卫星的可以由前文提到过的χ²分布非中心化参数得出，公式如下所示

其中diag代表矩阵的对角元素；

6)综合上述分析，由故障导致的水平误差上界HPE^U可以用下式来表示

7)将(11)中计算得到的HPE^U代入(6)即可得到HPL_F。

8)类似地，VPL_NF代表系统没有发生故障时的垂直保护限值，参考1)中对于水平误差保护限值的讨论，由系统定位误差引发的HMI概率可以由下式来描述：

P(|VPE|>VPL_NF)＝0.5P_HMI

其中VPE服从均值为0，方差为的正态分布，是接收机定位结果在ECEF坐标系下Z轴方向上的方差，可以通过定位结果给出，因此在给定P_HMI的情况下通过查表便可以得到VPL_NF的值。

垂直误差保护限值VPL_F为：

其中VPE^U的计算公式如下所示

B下角标中的1，2，3分别代表参与求和运算的是当前B矩阵的第1，2，3行。

9)综合上述内容，系统的水平误差保护限值和垂直误差保护限值应取它们中的极大值，即：

HPL＝max{HPL_NF HPL_F}

VPL＝max{VPL_NF VPL_F}

步骤六、若误差保护限值PL小于设定的系统允许的误差门限AL，且检验统计量小于门限T_th，则矢量跟踪环路处于正常工作状态；若误差保护限值PL小于设定的系统允许的误差门限AL，但检验统计量大于等于门限T_th，则关闭对应的故障卫星通道；若误差保护限值PL已超过设定的系统允许的误差门限AL，则立即向系统报警。

图2表示在45s时PRN＝20号卫星发生100m的阶跃故障，此时矢量RAIM算法与标量RAIM算法的检测量与统计门限的对比图；图3和图4分别为在45s时加入三种速率的伪距斜升故障，此时矢量RAIM算法与标量RAIM算法的检测量示意图，可见相比传统RAIM算法，矢量RAIM算法在监测矢量跟踪环路以及伪距斜升故障时具有良好的效果。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、提取卫星信息，计算出卫星的位置；

步骤二、根据卫星位置及接收机的定位结果确定测量关系矩阵H_K；

步骤三、根据测量关系矩阵H_K及码相位误差构建检验统计量

步骤四、设定虚警概率P_FA，根据P_FA设定检验统计门限T_th，将检验统计量与该门限进行对比，完成统计检验；

步骤五、根据接收机的定位结果和危险误导信息概率P_HMI计算误差保护限值PL；

步骤六、若误差保护限值PL小于设定的系统允许的误差门限AL，且检验统计量小于门限T_th，则矢量跟踪环路处于正常工作状态；若误差保护限值PL小于设定的系统允许的误差门限AL，但检验统计量大于等于门限T_th，则关闭对应的故障卫星通道；若误差保护限值PL已超过设定的系统允许的误差门限AL，则立即向系统报警。

2.如权利要求1所述的一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法，其特征在于，检验统计量具体如下式：

其中，W_k是k时刻的测量噪声协方差矩阵，I_n×n是单位矩阵，为k时刻由所有跟踪通道的码相位鉴别器输出的均值组成的向量。

3.如权利要求1所述的一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法，其特征在于，误差保护限值PL包括水平误差保护限值HPL和垂直误差保护限值VPL，

HPL＝max{HPL_NF HPL_F}

VPL＝max{VPL_NF VPL_F}

HPL_NF和VPL_NF分别代表系统没有发生故障时的水平和垂直误差保护限值，HPL_F和VPL_F则分别代表系统发生故障时的水平和垂直误差保护限值。

4.如权利要求3所述的一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法，其特征在于，HPL_NF和VPL_NF均由非故障状态下的系统定位误差分布和危险误导信息概率P_HMI共同决定。

5.如权利要求3所述的一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法，其特征在于，

其中，HPE^U为故障状态下的水平方向的定位误差上限，VPE^U为故障状态下的垂直方向的定位误差上限，分别是接收机定位结果在ECEF坐标系的XYZ三个轴方向上的方差。

6.如权利要求5所述的一种适用于GNSS矢量跟踪的自主完好性监测方法，其特征在于，

其中，代表第i个通道截止到当前K时刻所发生的最严重的误差，B_1,k-j、B_2,k-j和B_3,k-j下角标中的1,2,3分别代表参与求和运算的是当前B_k-j矩阵的第1,2,3行，矩阵B_k-j代表误差向量按照时间积累所形成的误差，是公式的简化形式，其中A_k＝I_n×n-K_KH_K，K_K为卡尔曼滤波增益，j表示从故障发生时刻到当前k时刻的时间标签，N代表算法向前迭代的最大次数，由设计参数决定。