CN110196434B - 一种高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法，属于卫星导航技术领域，ARAIM是基于多星座卫星导航系统的接收机端故障诊断和完好性监测技术，针对不同卫星导航系统空间星座几何构型差异会导致故障子集定位差异增大，直接导致ARAIM全球可用性降低的问题，提出了一种星座动态选择方法。对不同星座的几何构型进行评估和排序，选择空间星座最佳的两个系统进行定位解算和完好性监测。本方法可以有效降低不同系统空间构型差异对ARAIM可用性的影响，提高ARAIM可用性，同时降低计算复杂度，提高完好性监测的计算效率的特点。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信号系统的故障诊断和完好性监测。

Description

一种高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，特别涉及一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法。

背景技术

接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous 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(LocalizedPerformance with Vertical guidance,LPV-200)。高级接收机自主完好性监测技术(Advanced RAIM,ARAIM)，是由GNSS发展构架研究小组(GNSS Evolutionary ArchitectureStudy,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，空间段包括多星座全球卫星导航系统，每个卫星导航系统的在轨卫星构成对应系统的空间星座。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 Support Message,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(localizer performance with verticalguidance-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(EffectiveMonitoring 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、垂直保护水平、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。

附录文献：

文献1：战兴群,苏先礼.GNSS完好性监测及辅助性能增强技术[M].北京: 科学出版社,2016.

文献2：Elliott D.Kaplan,Christopher J.Hegarty.Understanding GPS:Principles and Applications[M].Artech House,2009。

高级接收机自主完好性监测基于多星座卫星导航系统实现，但是现有研究表明不同卫星导航系统之间的空间性能差异会降低ARAIM的可用性，尤其卫星故障、卫星服务中断等情况会加剧不同星座间的性能差异，对ARAIM的全球可用性造成严重影响；同时当前研究表明星座正常情况下，两个全球卫星导航系统的卫星就可以基本实现ARAIM的全球无缝覆盖；此外，更多星座和更多卫星的使用，会增加故障模式的数量，增大故障发生的概率，且增加接收机数据处理的负担和压力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不本方法提出了一种针对 ARAIM的星座动态选择方法，通过评估不同星座空间星座分布状况，选择性能最优的两个星座进行定位和完好性监测，并根据故障检测动态调整星座，有效提高了ARAIM的可用性，同时简化了需要监测的故障模式，且大大降低接收机算法实现的复杂度和计算存储压力。

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星座动态选择方法，具体包含步骤如下：

步骤1，通过机载导航接收机接收多星座卫星导航信号和ARAIM的地面控制系统提供的好性支持信息ISM；

步骤2，导航接收机卫星导航信号进行下变频、基带信号处理和数据解调，得到各颗卫星的信息包括星历和伪距，进行初次定位解算；

步骤3，利用星历计算得到每颗卫星的仰角θ_j,k和方位角α_j,k，同时分别计算每个卫星导航系统的空间星座几何分布矩阵G_j，其中，下标j表示第j个卫星导航系统，下标j,k表示第j个卫星导航系统的第k颗卫星；

步骤4，对卫星导航系统的星座空间几何分布进行评估，并按照评估结果进

行排序，选择评估结果最佳的两个星座参与最终的定位解算和完好性监测；

步骤5，选择步骤4中选定的两个星座的卫星，利用星历信息和伪距信息再次进行定位解算，得到无故障下的定位结果和对应的位置估计矩阵；

步骤6，根据参与定位的卫星数和ISM的值，通过多假设解分离方法得到故障模式的数量、对应的子集和对应子集的故障概率；

步骤7，对每个子集进行容错定位解算，得到每个子集对应的位置估计矩阵，定位结果的方差、解分离门限、以及定位结果与无故障全集下定位结果的差值的方差；

步骤8，对每个子集的定位结果进行门限检测，若所有子集均通过门限检测，则进入第九步；若有子集没有通过门限检测，则标记对应的卫星为不健康，执行隔离处理，不再参与任何定位解算，所在卫星导航系统重新计算空间星座几何分布矩阵G_j，进入步骤4；

步骤9，计算保护水平、垂直定位精度和有效监测门限EMT，和可用性指标的判据进行比较，若全部满足，则进入步骤10；反之则进入步骤11；

步骤10，判定高级接收机自主完好性监测ARAIM当前历元可用，输出定位结果、保护水平、垂直定位精度和EMT，进入下一历元的定位解算和完好性监测；

步骤11，判定ARAIM当前历元不可用，则进入下一历元的定位解算和完好性监测。

作为本发明一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法的进一步优选方案，在步骤1中，参与初次定位解算的卫星星座至少2个，即接收机接收的卫星信号需来自2个及以上卫星导航系统。

作为本发明一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法的进一步优选方案，在步骤2中，接收机最终只采用2个卫星导航系统的卫星用于定位解算和完好性监测。

作为本发明一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法的进一步优选方案，在步骤3中，空间星座几何分布矩阵G_j的计算方法为：

其中n表示第j个卫星导航系统共有n颗卫星参与定位解算。

作为本发明一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法的进一步优选方案，在步骤4中，对卫星导航系统的卫星几何分布进行评估的指标可选择高程精度因子VDOP，计算方法为：

其中，G表示几何分布矩阵，T为矩阵转置。

本发明与现有技术相比有益效果体现在：

本发明通过选取卫星几何构型最优的两个星座进行最终定位和完好性监测，有效改善了不同星座空间几何精度差异对ARAIM可用性的影响，提高ARAIM 在全球范围内的可用性；同时减少参与定位解算的星座数和卫星数，简化完好性监测阶段的信号处理流程，大大降低接收机算法实现的复杂度和计算存储压力。

附图说明

图1为专利的整体流程图。

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：

一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法，具体包含步骤如下：

步骤1，通过机载导航接收机接收多星座卫星导航信号和ARAIM的地面控

制系统提供的好性支持信息ISM；

步骤2，导航接收机卫星导航信号进行下变频、基带信号处理和数据解调，

得到各颗卫星的信息包括星历和伪距，进行初次定位解算；

步骤3，利用星历计算得到每颗卫星的仰角θ_j,k和方位角α_j,k，同时分别计算每个卫星导航系统的空间星座几何分布矩阵G_j，其中，下标j表示第j个卫星导航系统，下标j,k表示第j个卫星导航系统的第k颗卫星；

步骤4，对N个卫星导航系统的星座空间几何分布进行评估，并按照评

估结果进行排序，选择评估结果最佳的两个星座参与最终的定位解算和完好性监测；

步骤5，选择步骤4中选定的两个星座的卫星，利用星历信息和伪距信息再

次进行定位解算，得到无故障下的定位结果和对应的位置估计矩阵；

步骤6，根据参与定位的卫星数和ISM的值，通过多假设解分离方法得到故

障模式的数量、对应的子集和对应子集的故障概率；

步骤7，对每个子集进行容错定位解算，得到每个子集对应的位置估计矩阵，

定位结果的方差、解分离门限、以及定位结果与无故障全集下定位结果的差值的方差；

步骤8，对每个子集的定位结果进行门限检测，若所有子集均通过门限检测，

则进入第九步；若有子集没有通过门限检测，则标记对应的卫星为不健康，执行隔离处理，不再参与任何定位解算，所在卫星导航系统重新计算空间星座几何分布矩阵G_j，进入步骤4；

步骤9，计算保护水平、垂直定位精度和有效监测门限EMT，和可用性指标

的判据进行比较，若全部满足，则进入步骤10；反之则进入步骤11；

步骤10，判定高级接收机自主完好性监测ARAIM当前历元可用，输出定位结果、保护水平、垂直定位

精度和EMT，进入下一历元的定位解算和完好性监测；

步骤11，判定ARAIM当前历元不可用，则进入下一历元的定位解算和完好性监测。

作为本发明一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法的进一步优选方案，在步骤1中，参与初次定位解算的卫星星座至少2个，即接收机接收的卫星信号需来自2个及以上卫星导航系统。

作为本发明一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法的进一步优选方案，在步骤2中，接收机最终只采用2个卫星导航系统的卫星用于定位解算和完好性监测。

作为本发明一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法的进一步优选方案，在步骤3中，空间星座几何分布矩阵G_j的计算方法为：

其中n表示第j个卫星导航系统共有n颗卫星参与定位解算。

作为本发明一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法的进一步优选方案，在步骤4中，对卫星导航系统的卫星几何分布进行评估的指标可选择高程精度因子VDOP，计算方法为：

其中，G表示几何分布矩阵，T为矩阵转置。

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。

1.容错定位与门限检测

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＝1,2or3代表东向、北向和天向的分量。

最大位置偏差为：

其中Nsat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。

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。

多假设解分离中的针对每个故障子集的门限检测是针对连续性风险的监测，连续性风险概率被平均分配到每个故障模式的子集中，每个故障子集的连续性风险又平均分配到定位解的东北天三个方向上。检测阈值定义为：

每个子集的定位解和无故障定位解都需要在三个方向上进行阈值检测，只要有一次检测没有满足阈值，则意味着检测到了故障，没有通过检测的定位解对应的故障模式发生了，需要进行故障的隔离和排除，而对应的故障子集是没有故障的，也因此成为排除故障后的无故障全集。如果故障没有能够及时隔离，就会造成连续性的损失，进而危及到ARAIM的可用性。

2.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(Vertical Alert Limit，VAL)、水平告警门限(Horizontal Alert Limit， HAL)、有效监测门限(Effective Monitor Threshold，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(HorizontalProtection Level，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 (4)

1.一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法，其特征在于：具体包含步骤如下：

步骤1，通过机载导航接收机接收多星座卫星导航信号和ARAIM的地面控制系统提供的完好性支持信息ISM；

步骤2，导航接收机卫星导航信号进行下变频、基带信号处理和数据解调，得到各颗卫星的信息包括星历和伪距，进行初次定位解算；

步骤3，利用星历计算得到每颗卫星的仰角θ_j,k和方位角α_j,k，同时分别计算每个卫星导航系统的空间星座几何分布矩阵G_j，其中，下标j表示第j个卫星导航系统，下标j,k表示第j个卫星导航系统的第k颗卫星；

步骤4，对卫星导航系统的星座空间几何分布进行评估，并按照评估结果进行排序，选择评估结果最佳的两个星座参与最终的定位解算和完好性监测；

步骤5，选择步骤4中选定的两个星座的卫星，利用星历信息和伪距信息再次进行定位解算，得到无故障下的定位结果和对应的位置估计矩阵；

步骤6，根据参与定位的卫星数和ISM的值，通过多假设解分离方法得到故障模式的数量、对应的子集和对应子集的故障概率；

步骤7，对每个子集进行容错定位解算，得到每个子集对应的位置估计矩阵，定位结果的方差、解分离门限、以及定位结果与无故障全集下定位结果的差值的方差；

步骤8，对每个子集的定位结果进行门限检测，若所有子集均通过门限检测，则进入第九步；若有子集没有通过门限检测，则标记对应的卫星为不健康，执行隔离处理，不再参与任何定位解算，所在卫星导航系统重新计算空间星座几何分布矩阵G_j，进入步骤4；

步骤9，计算保护水平、垂直定位精度和有效监测门限EMT，和可用性指标的判据进行比较，若全部满足，则进入步骤10；反之则进入步骤11；

步骤10，判定高级接收机自主完好性监测ARAIM当前历元可用，输出定位结果、保护水平、垂直定位

精度和EMT，进入下一历元的定位解算和完好性监测；

步骤11，判定ARAIM当前历元不可用，则进入下一历元的定位解算和完好性监测；

在步骤3中，空间星座几何分布矩阵G_j的计算方法为：

其中n表示第j个卫星导航系统共有n颗卫星参与定位解算。

2.根据权利要求1所述的一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法，其特征在于：在步骤2中，参与初次定位解算的卫星星座至少2个，即接收机接收的卫星信号需来自2个及以上卫星导航系统。

3.根据权利要求1所述的一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法，其特征在于：在步骤4中，接收机最终只采用2个卫星导航系统的卫星用于定位解算和完好性监测。

4.根据权利要求1所述的一种针对高级接收机自主完好性监测的星座动态选择方法，其特征在于：在步骤4中，对卫星导航系统的星座空间几何分布进行评估的指标选择高程精度因子VDOP，计算方法为：

其中，G表示接收机定位结算的雅可比矩阵，T为矩阵转置。

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