CN109581430A - 一种基于伪卫星的gbas电离层空间梯度的监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法，主要用于卫星导航地基增强系统(Ground Based Augmentation System，GBAS)电离层风暴监测以及相关应用领域，它将伪卫星观测量引入到监测算法中，克服了现有GBAS电离层风暴监测算法不同卫星电离层梯度监测结果相互影响、故障隔离算法复杂度高等问题，实现了单个卫星电离层风暴隔离监测；同时，提出了GBAS监测站不占具有监测准确率高、实现灵活简单的特点。

Description

一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法
技术领域
本发明涉及一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法，属于卫星导航中的完好性监测技术领域。
背景技术
GBAS可支持军民航飞行器精密进近、着陆、离港、场面监视的全阶段允许需求，相比传统陆基仪表着陆系统，可支持曲线运行、场地要求低、单套系统满足多条跑道，具有精度高、效率高、成本低的特点，是未来机场导航设备的发展需求。GBAS主要利用多个分布在地面的监测接收机实时采集原始观测数据并送至地面信息处理设备，地面信息处理设备接收处理产生差分与完好性信息并播放至飞行器，飞行器综合观测数据实现差分定位与完好性保护级估计。GBAS主要技术风险在于卫星导航异常情况下的完好性风险，特别是由于电离层风暴造成的电离层空间梯度完好性风险，在极端情况下可构成高于10m的载波平滑伪距偏差，造成定位偏差，影响飞行安全，实时准确监测电离层空间梯度是当前GBAS完好性监测技术领域研究的热点与难点。
GBAS完好性监测技术主要利用GBAS监测接收机的原始观测数据构造具备完好性风险特征的监测量，并建立监测阈值，在监测量超过阈值告警。目前，GBAS电离层监测算法可分为两类：
1、利用单监测站伪距观测量与载波观测量：GBAS中广泛使用码载波分离监测(DVGC)算法监测电离层梯度，DVGC利用电离层对伪距观测量与载波观测量影响的不一致性，构造伪距减载波的变化率，并对该变化率进行长时间平滑，降低观测噪声，构建监测量，该算法需要长时间的观测时间并且主要监测电离层时间梯度，对电离层空间梯度实时性监测效果有限；
2、利用多监测站载波观测量：利用多站之间的载波相位构造载波相位双差值，该值包括空间位置差、整周模糊度差、电离层空间梯度差、观测噪声，空间位置差可利用卫星星历、监测接收机坐标计算，构造包含整周模糊度差、电离层空间梯度差、观测噪声的中间量，并对该中间量除以波长求模构建监测量，该监测算法相比DVGC具有监测精度高、实时性强的特点，该监测算法性能受双差监测站空间选择的影响，在该算法基础上提出了不受空间影响的电离层空间梯度监测算法。本类监测算法主要缺点在于双差观测量中隐含了一个卫星为无异常卫星(不受电离层风暴影响)、一个卫星异常卫星(受电离层风暴影响)，在单个卫星受电离层风暴影响下，监测效果良好，在多个卫星均受电离层风暴影响下，监测值受多故障相互影响，准确度下降，并且需要构建较为复杂的故障排除算法。
因此，构造一种实时性好，且可隔离电离层多故障相互影响的监测算法具有重要的研究意义和应用价值。
伪卫星是卫星导航领域中一项重要的技术措施，伪卫星在GBAS中的应用主要集中在利用伪卫星改善卫星星座几何分布，提高定位精度、可用性等性能，对于伪卫星与完好性监测算法性能的融合，缺少有关的研究工作。
发明内容
本发明的目的是为了克服了现有GBAS电离层风暴监测算法不同卫星电离层梯度监测结果相互影响、监测算法复杂度高等问题，提出一种基于伪卫星的电离层空间梯度的监测方法。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法，该方法基于一个待监测卫星、一个伪卫星及多个参考站，参考站的数目大于等于3，包括如下步骤：
(1)从多个参考站中任意选取两个参考站，并将其中一个参考站作为固定参考站；
(2)计算固定参考站和选取的另外一个参考站与待监测卫星以及伪卫星的载波相位双差值，并根据伪卫星位置、待监测卫星的位置以及两个参考站的固定位置计算空间位置双差值；
(3)根据载波相位双差值和空间位置双差值构建载波相位双差观测方程，并计算载波相位双差值的整周模糊度估计值；
(4)将整周模糊度估计值代入载波相位双差观测方程，得到两个参考站的观测方程；从剩余参考站中任意选取一个参考站，返回步骤(2)，直到所有参考站选取完，得到多组参考站的观测方程；
(5)根据多组参考站的观测方程构建观测矩阵，利用加权最小二乘法得到待估计电离层空间梯度与其均方差，并根据均方差计算门限值，若待估计电离层空间梯度超过门限值则产生告警。
其中，步骤(3)中的载波相位双差观测方程为：
其中，为固定参考站i和选取的另外一个参考站j与待监测卫星k以及伪卫星的载波相位双差值；为空间位置双差值；λ为载波波长；为载波相位双差值的整周模糊度；为待监测卫星k在两个参考站之间的空间电离层延迟差；为观测噪声。
其中，步骤(3)中载波相位双差值的整周模糊度估计值的计算方式为：
其中，步骤(4)中将整周模糊度估计值代入载波相位双差观测方程，得到两个参考站的观测方程，具体为：
令
其中，表示为：为待估计电离层空间梯度，为两个参考站i,j的二维方向向量，为的转置；
将上式进行转换，得两个参考站的观测方程：
其中，步骤(5)中的观测矩阵为：
其中，M为观测站的数目。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
本发明提出的一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度方法，利用伪卫星、待监测卫星与参考站构造监测值，伪卫星传播路径不包括电离层，监测值只受待监测卫星的电离层延迟影响，消除了不同卫星电离层延迟的相互干扰；利用加权最小二乘法计算空间电离层梯度，提升了监测准确度。
附图说明
图1为本发明一种基于伪卫星的载波相位双差监测示意图；
图2为本发明具体实施的四个参考站部署方式。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图1-2和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。在本具体实施方式中，将使用伪卫星增强后典型GBAS系统为实例描述。本发明中监测设备包括：1套伪卫星、不低于3台参考接受机。示意图如图1所示；
为了描述算法方便，进一步缩小问题的规模，如图2四个参考站部署方式，本文中假定：频点为GPS L1，4台监测接收机分布呈边长为150m的正方形，即2号接收机位于1号接收机正东150m,3号接收机位于1号机正北150m,4号接收机位于3号接收机正东150m；待监测卫星1号星，电离层梯度值为400mm/km,方向为正东向，则1、2号接受机之间的电离层延迟差值为：60mm，1、3号接受机之间的电离层延迟差值为：0mm，1、4号接受机之间的电离层延迟差值为：60mm；载波相位观测噪声方差为3mm；整周模糊度均为0；门限值为7.6倍噪声均方差。问题规模缩小的并不影响本实例的示范过程，则仿真出数据如表1所示：
表1实施实例参数值
本发明的具体实现过程为：
一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法，针对待监测卫星1，所述的伪卫星数目1个，GBAS监测站4个，包括如下步骤：
(1)从4个参考站中任意选取两个参考站i,j，并将其中一个参考站i作为固定参考站；实施例将1号参考站作为固定参考站；
(2)计算固定参考站和选取的另外一个参考站与待监测卫星以及伪卫星的载波相位双差值，并根据伪卫星位置、待监测卫星的位置以及两个参考站的固定位置计算空间位置双差值；
(3)根据载波相位双差值和空间位置双差值构建载波相位双差观测方程，并计算载波相位双差值的整周模糊度估计值；
载波相位双差观测方程为：
其中，为固定参考站i和选取的另外一个参考站j与待监测卫星k以及伪卫星的载波相位双差值；为空间位置双差值；λ为载波波长；为载波相位双差值的整周模糊度；为待监测卫星k在两个参考站之间的空间电离层延迟差；为观测噪声。
载波相位双差值的整周模糊度估计值的计算方式为：
(4)将整周模糊度估计值代入载波相位双差观测方程，得到两个参考站的观测方程；从剩余两个参考站中任意选取一个参考站，返回步骤(2)，直到所有参考站选取完，得到3组参考站的观测方程；
两个参考站的观测方程，具体为：
令
其中，表示为：为待估计电离层空间梯度，为两个参考站i,j的二维方向向量，为的转置；
将上式进行转换，得两个参考站的观测方程：
(5)根据3组参考站的观测方程构建观测矩阵，利用加权最小二乘法得到待估计电离层空间梯度与其均方差，并根据均方差计算门限值，若待估计电离层空间梯度超过门限值则产生告警。
观测矩阵为：
至此，使用伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法的过程结束。
为具体分析一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法优势，以下述场景为例：频点为GPS L1，4台监测接收机分布呈边长为150m的正方形，即2号接收机位于1号接收机正东150m,3号接收机位于1号机正北150m,4号接收机位于3号接收机正东150m；空间上存在2颗卫星，代号为1、2；1、2号卫星传播路径存在电离层空间风暴，1号星电离层梯度值为600/km,方向为正东向，2号星电离层梯度值为600mm/km,方向为东向；载波相位观测噪声均方差3mm,载波相位双差噪声均方差则为6mm；传统方法门限值为7.6倍双差噪声均方差，即45.6mm。
开展使用一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法(新方法)与已有方法比较，载波相位双差值计算依次采用1、2号接收机，1、3号接收机，1、4号接收机。新方法可成功监测1、2号卫星电离层空间梯度异常并告警，已有方法电离层空间梯度存在交叉影响的情况，监测结果如表2所示，逻辑判断结果错误。
表2已有方法监测结果(单位：mm)
本发明方法并不限定于GBAS系统的电离层空间梯度监测，而是适用于任意使用伪卫星辅助载波相位双差的电离层空间梯度监测场景。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法，该方法基于一个待监测卫星、一个伪卫星及多个参考站，参考站的数目大于等于3，其特征在于包括如下步骤：
(1)从多个参考站中任意选取两个参考站，并将其中一个参考站作为固定参考站；
(2)计算固定参考站和选取的另外一个参考站与待监测卫星以及伪卫星的载波相位双差值，并根据伪卫星位置、待监测卫星的位置以及两个参考站的固定位置计算空间位置双差值；
(3)根据载波相位双差值和空间位置双差值构建载波相位双差观测方程，并计算载波相位双差值的整周模糊度估计值；
(4)将整周模糊度估计值代入载波相位双差观测方程，得到两个参考站的观测方程；从剩余参考站中任意选取一个参考站，返回步骤(2)，直到所有参考站选取完，得到多组参考站的观测方程；
(5)根据多组参考站的观测方程构建观测矩阵，利用加权最小二乘法得到待估计电离层空间梯度与其均方差，并根据均方差计算门限值，若待估计电离层空间梯度超过门限值则产生告警。
2.根据权利要求1所述的一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法，其特征在于，步骤(3)中的载波相位双差观测方程为：
其中，为固定参考站i和选取的另外一个参考站j与待监测卫星k以及伪卫星的载波相位双差值；为空间位置双差值；λ为载波波长；为载波相位双差值的整周模糊度；为待监测卫星k在两个参考站之间的空间电离层延迟差；为观测噪声，i≠j。
3.根据权利要求2所述的一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法，其特征在于，步骤(3)中载波相位双差值的整周模糊度估计值的计算方式为：
4.根据权利要求2所述的一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法，其特征在于，步骤(4)中将整周模糊度估计值代入载波相位双差观测方程，得到两个参考站的观测方程，具体为：
令
其中，表示为： 为待估计电离层空间梯度，为两个参考站i,j的二维方向向量，为的转置；
将上式进行转换，得两个参考站的观测方程：
5.根据权利要求4所述的一种基于伪卫星的GBAS电离层空间梯度的监测方法，其特征在于，步骤(5)中的观测矩阵为：
其中，M为观测站的数目。
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