CN110879407B - 一种基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法，包括：步骤一，设置当前水平和垂直告警门限以及对应的完好性风险，计算得到水平和垂直保护级分别小于所述水平和垂直告警门限时，对用户等效伪距测量误差的要求；步骤二，采用卡尔曼滤波器定位，利用用户位置状态量预测值及其均方误差、卫星位置坐标及其均方误差，计算得到用户至各卫星的伪距观测量预测值及其均方误差，并由此确定观测量新息的检测门限值；步骤三，计算卫星伪距观测量定位前残余初值；步骤四，计算接收机钟差估计值并利用其修正所述卫星伪距观测量定位前残余初值，得到经修正后的卫星伪距观测量定位前残余；步骤五，比较定位前伪距残余绝对值与所述检测门限值之间的大小，对卫星观测量新息进行筛选。

Description

一种基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法
技术领域
本发明涉及卫星导航与定位领域。具体地，涉及一种基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法。
背景技术
对导航卫星伪距、载波相位等观测量进行故障检测与排除(False Detection andExclusion，FDE)处理是提高卫星导航系统服务完好性、连续性与精度的重要手段和措施。在能够接收和使用星基增强系统(Satellite Based Augmentation System，SBAS)、地基增强系统(Ground Based Augmentation System，GBAS)等完好性增强系统的信号时，用户接收机可以利用增强电文中的完好性参数掌握导航卫星空间信号的质量状况。在用户接收机无法接收外部完好性增强系统信号而独立工作时，则主要通过接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)功能实现对导航卫星空间信号的质量检测。
具体而言，RAIM的基本原理是对导航卫星观测量预测值与实测值之间的差异(称为“残差”)进行检测和分析，因为这些残差能够在一定程度上提供关于观测量和定位结果质量好坏的信息。一方面，在正式定位解算前，我们可以利用上一观测历元的用户位置的预测值，来预估卫星观测量的残余，这样的RAIM方法称为“定位前残余”；另一方面，我们也可以通过实际解算得到定位结果之后，来计算获得真实的观测量残余，这样的RAIM方法称为“定位后残余”。定位前与定位后残余检测法在实现上都是将残余绝对值与一个预先设定的门限值进行比较，从而检测并排除错误的观测量新息。
相比定位后残余检测法，定位前残余检测法具有自身一些优势。例如，若用户接收机在某一时刻只能接收4个(或者少于4个)导航卫星的观测量新息，则定位方程组不再超定，定位后残余分量将全部等于零，从而会使得定位后残余检测法失去有效性；又例如，由于在使用定位后残余检测法时，错误的测量值会首先破坏定位结果，然后影响各个卫星测量值的定位后残余，因此可能导致错误测量值的严重性看起来变低，同时又使得其他正确测量值看起来变得略欠正常，从而增加检测工作的难度。相比之下，定位前残余检测法并不使用定位解算后的结果开展检测和分析，因此可以避免上述问题。
然而，对于定位前残余检测法而言，其一大问题在于残余检测门限值的确定通常不如定位后残余检测法那样具有严谨的理论依据。在定位后残余检测中，我们可以利用卡方(χ2)分布理论模型，结合给定的虚警率来准确确定残余检测门限值；但对于定位前残余检测法，却一般只能根据经验来给定残余检测门限值，或者需要通过大量的实际测量与性能分析来对检测门限值进行优化。这种情况会导致定位前残余检测方法的检测门限缺乏理论依据，难以良好适应不同定位条件和情况下的检测要求，从而限制了方法的使用场景和使用效果。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提出了一种基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法，用于解决在对卫星导航伪距、载波相位等观测量新息进行定位前残余检测处理时难以合理设置检测门限值的问题，更好地适应和满足用户在不同导航环境和场景下的使用。
一方面，本发明实施例提出一种基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法，该方法包括：步骤一，结合当前导航应用场景设置水平和垂直告警门限以及对应的完好性风险概率，计算得到水平和垂直保护级分别小于所述水平和垂直告警门限时，对用户等效伪距测量误差σUERE的要求；步骤二，采用卡尔曼滤波器定位，利用所述卡尔曼滤波器输出的当前历元i的用户位置状态量预测值及其均方误差/>结合卫星j(j＝1,2,…,n)(n为当前参与定位的导航卫星数量)的位置坐标/>及其均方误差/>计算得到用户至卫星j的伪距观测量预测值/>及其均方误差/>进而确定观测量新息检测的门限值Tc：步骤三，利用卫星伪距观测量预测值/>与伪距实际观测量zj计算得到卫星伪距观测量残余初值/>步骤四，对于j＝1,2,…,n，采用公式计算得到当前历元i的接收机钟差估计值/>并将其从所述卫星伪距观测量残余初值/>中减去，得到修正接收机钟差/>后的卫星伪距观测量定位前残余步骤五，比较残余绝对值/>与所述检测门限值Tc之间的大小，若则认为所述伪距观测量实测值zj满足新息检测要求并予以保留，否则认为所述伪距观测量实测值zj的误差过大并予以剔除。
根据一些实施例，其中所述步骤一还包括：根据所述系统水平保护级以及当前导航星座的水平几何精度因子计算得到用户水平等效伪距测量均方误差根据所述系统垂直保护级以及当前导航星座的垂直几何精度因子计算得到用户垂直等效伪距测量均方误差/>进而采用公式/>计算得到所述用户等效伪距测量均方误差σUERE。
根据一些实施例，其中所述步骤二还包括：计算得到所述用户位置状态量预测值均方误差在用户至卫星j的径向投影方向上的均方误差/>以及所述卫星j的位置坐标均方误差/>在其至用户径向投影方向上的均方误差/>采用公式计算得到所述用户至卫星j的伪距观测量预测值/>的所述均方误差估计值/>
利用本发明所提供的基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法，从系统水平告警门限(Horizontal Alarm Limit，HAL)、垂直告警门限(Vertical Alarm Limit，VAL)和完好性风险概率要求出发，推导和计算确定对用户等效伪距测量误差(UserEquivalent Range Error，UERE)的要求。在此基础上，充分顾及导航观测量预测值的误差情况，利用误差传播定律综合确定导航观测量新息检测门限。相比于一般和传统的根据主观经验进行检测门限设置的处理方式，利用本发明所提供方法具有更为严谨的理论基础，能够更好地适应和满足用户在不同定位导航环境和场景下的完好性等性能要求。
附图说明
图1为根据本发明的基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法的原理框图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
本发明提供了一种基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法，该方法包括：
步骤一，结合当前导航应用场景设置水平和垂直告警门限以及对应的完好性风险概率，计算得到水平和垂直保护级分别小于所述水平和垂直告警门限时，对用户等效伪距测量误差σUERE的要求；
步骤二，采用卡尔曼滤波器定位，利用所述卡尔曼滤波器输出的当前历元i的用户位置状态量预测值及其均方误差/>结合卫星j(j＝1,2,…,n)(n为当前参与定位的导航卫星数量)的位置坐标/>及其均方误差/>计算得到用户至卫星j的伪距观测量预测值及其均方误差/>进而确定观测量新息检测的门限值Tc：/>
步骤三，利用卫星伪距观测量预测值与伪距实际观测量zj计算得到卫星伪距观测量残余初值/>
步骤四，对于j＝1,2,…,n，采用公式计算得到当前历元i的接收机钟差估计值/>并将其从所述卫星伪距观测量残余初值/>中减去，得到修正接收机钟差/>后的卫星伪距观测量定位前残余/>
步骤五，比较残余绝对值与所述检测门限值Tc之间的大小，若/>则认为所述伪距观测量实测值zj满足新息检测要求并予以保留，否则认为所述伪距观测量实测值zj的误差过大并予以剔除。
其中，在所述步骤一中，用户结合自身实际定位场景和性能要求，设置合理的水平告警门限、垂直告警门限以及对应的完好性风险概率，以作为后续观测量新息检测门限值计算的输入。告警门限、完好性风险等概念最早出现和来源于民用航空导航领域，其目的是为了评价一个导航系统所提供服务的完好性和连续性，确保民用航空用户的生命和财产安全。为此，国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)根据不同的飞行阶段，制定了相应的导航系统告警门限和完好性风险概率等性能要求，见表1所示：
表1 ICAO对导航系统的性能要求
对于非民航领域用户而言，无需严格遵循表1中ICAO所规定的性能等级要求，但可以沿用其中的定义和概念，并根据自身实际情况进行导航性能要求的合理设计。例如，对于某一一般车载导航用户或导航接收机产品，我们假设要求其水平告警门限(HAL)为10m、垂直告警门限(VAL)为15m，对应的完好性风险概率要求为6×10-3。
然后，根据HAL、VAL及对应的完好性风险概率，计算得到系统水平保护级(Horizontal Protection Level，HPL)、垂直保护级(Vertical Protection Level，VPL)以及用户等效伪距测量误差σUERE。通过将完好性风险概率分解到水平和垂直方向上得到用于保护级计算的系数KH和KV后，可以得到如式(1)中HPL与HAL、VPL与VAL之间的关系：
其中，系数KH和KV分别为高斯误差分布模型下，水平和垂直方向上完好性风险概率所对应的分位数；HDOP为当前导航星座的水平精度因子(Horizontal Dilution ofPrecision)，VDOP为当前导航星座的垂直精度因子(Vertical Dilution of Precision)。
例如，将上述完好性风险概率(6×10-3)的50％分解到水平方向上(即3×10-3)、另外50％分解到垂直方向上(亦为3×10-3)，则有KH＝KV＝3。由此，可根据式(1)计算得到用户水平等效伪距误差及用户垂直等效伪距误差/>
并进一步得到σUERE：
继续假设当前导航星座的HDOP＝1.0、VDOP＝1.5，则利用式(2)和式(3)可计算得到用户等效伪距测量误差σUERE＝4.7m。
在所述步骤二中，使用卡尔曼滤波器进行定位解算，这主要是由于卡尔曼滤波器在给出导航状态量最优估计值Xi的同时，能够给出导航状态量的预测值及其均方误差方便后续导航观测量新息检测的处理。卫星伪距观测量预测值/>利用卡尔曼滤波器输出的用户位置状态量预测值/>与卫星j(j＝1,2,…,n)的位置坐标/>计算得到：
由于与/>本身均具有误差，因此在计算卫星伪距观测量预测值/>所对应的均方误差/>时应同时考虑二者的影响。且由于影响/>精度的主要是/>与/>在用户与卫星径向投影方向上的误差，因此需对其进行径向分量分解。具体地，利用式(5)可计算得到/>的均方误差/>以及/>的均方误差/>在用户与卫星径向投影方向上的误差分量/>和
在同时顾及和/>的情况下，利用式(6)计算得到/>的均方误差/>
估计得到后，结合上一步骤中已得到的σUERE，即可确定用于观测量新息检测的门限值Tc：
在所述步骤三中，利用卫星伪距观测量预测值与伪距实际观测量zj计算得到卫星伪距观测量残余初值/>
在所述步骤四中，需对上一步骤中所获得的卫星伪距观测量残余初值进行修正处理。这是由于伪距观测量预测值/>本质上是用户与卫星之间的几何距离，而伪距实际观测量zj中除几何距离外还包含当前历元i的接收机钟差/>因此需对/>进行估计并予以消除。考虑到/>是各卫星伪距观测量残余的公共部分，因此通过计算观测量定位前残余初值的平均值可以得到当前时刻的接收机钟差/>即有：
估计得到后，将其从/>中减去，即可得到修正接收机钟差/>后的卫星伪距观测量定位前残余/>
在所述步骤五中，通过比较残余绝对值与检测门限值Tc之间的大小，开展观测量新息检测。若/>则认为伪距观测量实测值zj满足新息检测要求并予以保留；否则，认为伪距观测量实测值zj的误差过大并予以剔除。
利用本发明所提供的基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法，从系统水平告警门限(HAL)、垂直告警门限(VAL)和完好性风险概率要求出发，推导和计算确定对用户等效伪距测量误差(UERE)的要求。在此基础上，充分顾及导航观测量预测值的误差情况，利用误差传播定律综合确定导航观测量新息检测门限。相比于一般和传统的根据主观经验进行检测门限设置的处理方式，利用本发明所提供方法具有更为严谨的理论基础，能够更好地适应和满足用户在不同定位导航环境和场景下的完好性等性能要求。
以上对本发明多个实施例进行了详细说明，但本发明不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本发明构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本发明所要求保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法，该方法包括：
步骤一，结合当前导航应用场景设置水平告警门限、垂直告警门限以及对应的完好性风险概率，计算得到水平保护级和垂直保护级分别小于所述水平告警门限和垂直告警门限时，对用户等效伪距测量误差σUERE的要求；其中，所述用户等效伪距测量误差σUERE基于以下步骤获得，其包括：
将完好性风险概率分解到水平和垂直方向上得到用于水平保护级和垂直保护级计算的系数KH和KV，并得到水平保护级与水平告警门限之间，垂直保护级与垂直告警门限之间的关系式，所述关系式表示为：
其中，HPL表示水平保护级，VPL表示垂直保护级，HAL表示水平告警门限，VAL表示垂直告警门限，系数KH和KV分别为高斯误差分布模型下，水平和垂直方向上完好性风险概率所对应的分位数；HDOP为当前导航星座的水平精度因子，VDOP为当前导航星座的垂直精度因子；
基于所述关系式获得用户水平等效伪距误差和用户垂直等效伪距误差/>表示为：
其中，表示用户水平等效伪距误差，/>表示用户垂直等效伪距误差/>
基于所述用户水平等效伪距误差和用户垂直等效伪距误差获得所述用户等效伪距测量误差σUERE，表示为：
步骤二，采用卡尔曼滤波器定位，利用所述卡尔曼滤波器输出的当前历元i的用户位置状态量预测值及用户位置状态量预测值均方误差/>结合卫星j的位置坐标/>及位置坐标均方误差/>计算得到用户至卫星j的伪距观测量预测值/>及伪距观测量预测值均方误差/>进而确定观测量新息的检测门限值Tc：/>其中，j＝1,2,…,n，n为当前参与定位的导航卫星数量；
步骤三，利用卫星j的伪距观测量预测值与伪距实际观测量zj计算得到卫星j的伪距观测量残余初值/>
步骤四，对于j＝1,2,…,n，采用公式计算得到当前历元i的接收机钟差估计值/>并将其从卫星j的所述伪距观测量残余初值/>中减去，得到修正接收机钟差后的卫星伪距观测量定位前残余/>
步骤五，比较残余绝对值与所述检测门限值Tc之间的大小，若/>则认为所述伪距实际观测量zj满足新息检测要求并予以保留，否则认为所述伪距实际观测量zj的误差过大并予以剔除。
2.根据权利要求1所述的基于完好性风险模型的卫星导航观测量新息检测方法，其中所述步骤二还包括：
计算得到所述用户位置状态量预测值均方误差在用户至卫星j的径向投影方向上的均方误差/>以及所述卫星j的位置坐标均方误差/>在其至用户径向投影方向上的均方误差/>采用公式/>计算得到所述用户至卫星j的伪距观测量预测值/>的所述伪距观测量预测值均方误差/>
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