CN110941000A - 一种精密单点定位完好性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密单点定位完好性监测方法，将预测的状态信息作为观测量的一部分，并采用序贯最小二乘方法估计位置解，随后利用伪距和载波相位观测量的验后残差分别构建基于伪距、基于载波相位以及基于伪距和载波相位的三类监测统计量，进行故障检测。当检测门限超过门限时，则通过标准化残差对故障观测量进行识别，实现对观测量故障及预测模型失真的监测，进而完成位置更新。最后通过定位域的保护水平构建，保证了定位结果的连续性和完好性。本发明实现对预测模型失真的监测，降低了用户端定位的连续性风险，同时顾及到量测噪声及偏差项对定位结果的影响，改进了保护水平的构建模型，避免了由定位误差大于保护水平而引起的完好性风险。

Description

一种精密单点定位完好性监测方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，涉及一种精密单点定位完好性监测方法，特别是一种基于序贯最小二乘的精密单点定位完好性监测方法。

背景技术

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)技术的发展，实时精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)可以为全球范围的用户提高动态分米级、静态厘米级的位置服务，然而面对如智能交通、海上动力定位测量、自然灾害监测等与生命安全相关的应用时，如何保障高精度定位结果的可靠性已成为迫切需要解决的问题。

完好性监测技术一般可分为系统级完好性监测与接收机自主完好性监测(Receiver Automation Integrity Monitoring，RAIM)两类。前者通常利用地面参考站网络监测卫星状态，而无法评估用户端定位结果的可靠性。后者利用接收机的观测量冗余信息实现对观测量的故障监测和识别，并构建定位误差的上确界，即保护水平，用以保障定位结果的可靠性。

目前，基于的帝国理工大学接收机自主完好性监测(Imperial College RAIM，ICRAIM)技术是一种典型的PPP完好性监测技术。该技术采用卡尔曼滤波估计方法，严重依赖于预测模型的准确度，当系统的实际状态模型与所构建的运动模型存在显著偏差时，使得全部观测量的验后残差发生异常而无法排除，增加用户端的连续性风险。此外，由于ICRAIM的保护水平的建立未考虑观测量中的常值偏差，当保护水平小于定位误差时，可能增加用户端的完好性风险。因此，设计一种可同时监测预测模型失真和观测量故障的新型PPP完好性监测技术具有相当的迫切性。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种顾及观测量中常值偏差，并可同时监测预测模型失真和观测量故障的精密单点定位完好性监测方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种精密单点定位完好性监测方法，包括以下步骤：

步骤1：将预测的状态信息作为观测量的一部分，并采用序贯最小二乘的方法完成对当前状态量的最优估计，完成状态估计及其方差协方差进行更新；

步骤2：根据步骤1中计算的无电离层伪距观测量、无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差，构造3种类型的检测统计量，分别为基于无电离层伪距观测量、无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量，基于无电离层伪距观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量和基于无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量，用于对不同故障源的检测；

步骤3：步骤2中所构建的检测统计量均服从卡方分布，检测门限由观测量个数以及预先给定的误警率确定，比较步骤2中检测统计量与步骤3中检测门限的大小，进行异常观测量判断：当检测统计量小于检测门限，执行步骤6；否则，执行步骤4；

步骤4：构建观测量验后的标准化残差的检测统计量d_i，i＝1,2,···,N，N代表系统观测量个数，逐项与检测门限进行比较，验后的标准化残差服从正态分布，检测门限由误警率确定；当检测统计量d_i小于检测门限时，则没有故障，否则，检测统计量d_i存在故障，标记为故障检测统计量并剔除；

步骤5：判断是否存在故障检测统计量，当不存在时，与步骤3中检测统计量大于门限的条件相矛盾，则进行告警；当存在故障检测统计量时，执行步骤6；

步骤6：根据无故障观测量对步骤1中计算的状态估计及其方差协方差进行更新；

步骤7：顾及观测量中的随机误差和常值偏差构建定位域的保护水平PL，PL包含水平方向的保护水平HPL和垂直方向的保护水平VPL，确定定位误差的上确界，预先给定告警界限AL，AL包括水平告警界限HAL和垂直告警界限VAL，分别将HPL与HAL、VPL与VAL进行比较，根据比较结果判断当前系统的可用性：当HPL大于HAL或VPL大于VAL时，则系统告警；否则，正常输出位置结果。

本发明还包括：

1.步骤2中基于无电离层伪距观测量、无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量满足：

步骤2中基于无电离层伪距观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量满足：

步骤2中基于无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量满足：

式中，

表示无电离层组合载波相位观测量、无电离层组合伪距观测量以及预测状态的后验残差集合，Q_l为

的方差-协方差阵；

表示由无电离层组合载波观测量和预测状态量的后验残差；Q_LIF为

的方差-协方差阵；

表示由无电离层组合伪距观测量和预测状态量的后验残差；Q_PIF为

的方差协方差阵。

2.步骤3中检测门限满足：

当给定误警率P_fa时，检测门限由下式计算得到：

式中，T_d为检测门限，

表示卡方分布的密度函数，n表示自由度，即观测量个数与待估参数的差值；

3.步骤4中观测量验后的标准化残差的检测统计量d_i满足：

其中，

为第i个观测残差；Q_i,i为对应的方差；

步骤4中所述检测门限满足：

其中，T_d为检测门限，P_FA为给定误警率。

4.步骤7中定位域的水平方向的保护水平HPL为：

HPL＝HSLOPE_maxpbias_b+K_MD·σ_H

其中，HSLOPE_max表示水平方向最大斜率，pbias_b表示观测量偏差，K_MD为由漏检率确定的分位数，σ_H为水平定位误差标准差；

垂直方向的保护水平为：

VPL＝VSLOPE_maxpbias_b+K_MD·σ_V

式中，VSLOPE_max表示垂直方向最大斜率，σ_V为水平定位误差标准差。

本发明的有益效果：本发明首先针对传统ICRAIM采用卡尔曼滤波估计方法而无法识别预测模型失真的问题，本技术通过采用序贯最小二乘方法，将预测的状态信息作为观测量的一部分，实现对预测模型失真的监测；其次，针对传统ICRAIM无法识别预测模型失真而增加用户端连续性风险的问题，本技术通过采用故障识别与位置更新的方法，降低了用户端定位的连续性风险；最后，针对传统ICRAIM的保护水平构建未考虑量测偏差的问题，本技术同时顾及到量测噪声及偏差项对定位结果的影响，改进了保护水平的构建模型，避免了由定位误差大于保护水平而引起的完好性风险。

本发明通过采用序贯最小二乘方法，将预测的状态信息作为观测量的一部分，可以实现对观测量及预测状态中非模型化误差的抑制。本发明采用顾及权值调整后观测量的相关性的方差-协方差阵，保证函数模型与随机模型的一致性，提升高精度定位的可靠性。此外，本发明每次迭代仅对当前验后残差最大的观测量使用等价权，使其降低其对参数估计的贡献，避免因设计矩阵影响部分粗差被分配到其他正常观测值中，导致正常观测量的验后残差偏大，提升PPP定位解的精度和可靠性。

附图说明

图1是本发明基于序贯最小二乘的PPP完好性监测方法具体实现的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

本发明将预测的状态信息作为观测量的一部分，并采用序贯最小二乘方法估计位置解，随后利用伪距、载波相位观测量以及预测的状态信息的验后残差分别构建基于无电离层伪距观测量、无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量，基于无电离层伪距观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量和基于无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差的三类监测统计量，进行故障检测。当检测门限超过门限时，则通过标准化残差对故障观测量进行识别，实现对观测量故障及预测模型失真的监测，进而完成位置更新。最后通过定位域的保护水平构建，保证了定位结果的连续性和完好性。

结合图1，本发明基于序贯最小二乘的串行PPP完好性监测方法包括：

步骤1：将预测的状态信息作为观测量的一部分，并采用序贯最小二乘的方法实现对当前状态量的最优估计，并构建检测统计量；

基于无电离层组合载波相位观测量、无电离层组合伪距观测量以及预测状态的总体后验残差检测统计量T_total、无电离层组合载波相位观测量以及预测状态的验后残差检测统计量

和无电离层组合伪距观测量以及预测状态的验后残差检测统计量

可分别表示为，

式中，

表示无电离层组合载波相位观测量、无电离层组合伪距观测量以及预测状态的后验残差集合，Q_l为

的方差-协方差阵；

表示由无电离层组合载波观测量和预测状态量的后验残差；Q_LIF为

的方差-协方差阵；

表示由无无电离层组合伪距观测量和预测状态量的后验残差；Q_PIF为

的方差协方差阵。

步骤2：比较步骤1中计算的检测统计量与检测门限的大小，进行异常观测量及状态量的判断。

当给定误警率P_fa时，监测门限可由下式计算得到

式中，T_d为检测门限，

表示卡方分布的密度函数，n表示自由度，即观测量个数与待估参数的差值。

步骤3：如果检测统计量小于门限，表示无故障则进入步骤8；反之，存在故障，进入步骤4。

步骤4：构建

中每个验后标准化残差的检测统计量d_i为

式中，

为第i个观测残差；Q_i,i为对应的方差。

步骤5：计算检测门限的大小。在给定误警率P_FA的情况下，可根据下式确定检测门限，

步骤6：如检测统计量小于门限，则表明无故障；反之，检测统计量存在故障，并标记故障观测量。然后进入下一个检测统计量，直到所有观测量监测完毕。

步骤7：如步骤6中的故障子集为空，则表示无故障观测量，而与步骤4中检测统计量大于门限的条件相矛盾，则进行告警，反之，剔除故障观测量子集，进入步骤8。

步骤8：根据无故障观测量进行位置解算，即位置更新。

步骤9：构建定位域的保护水平(PL)，包含水平方向的保护水平和垂直方向的保护水平。水平方向的保护水平HPL可表示为，

HPL＝HSLOPE_maxpbias_b+K_MD·σ_H (7)

式中，HSLOPE_max表示水平方向最大斜率，pbias_b表示观测量偏差，K_MD为由漏检率确定的分位数，σ_H为水平定位误差标准差。

同理，垂直方向的保护水平可表示为，

VPL＝VSLOPE_maxpbias_b+K_MD·σ_V (8)

式中，VSLOPE_max表示垂直方向最大斜率，σ_V为水平定位误差标准差。

步骤10：保护水平与告警限值XAL(X＝H时，表示水平告警限值；X＝V时，表示垂直告警限值)进行比较。当保护水平大于限值，告警；反之，输出结果。

本发明具体实施方式还包括：

本发明包括以下步骤：

步骤1：将预测的状态信息作为观测量的一部分，并采用序贯最小二乘的方法实现对当前状态量的最优估计。

步骤2：根据1中计算的无电离层伪距观测量、无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差，构造3种类型的检测统计量，即构建基于无电离层伪距观测量、无电离层载波相位观测量以及预测状态量的检测统计量、基于无电离层伪距观测量以及预测状态量的检测统计量和基于无电离层载波相位观测量以及预测状态量的检测统计量，以实现对不同故障源的检测。

步骤3：步骤2中所构建的检测统计量均服从卡方分布，检测门限由观测量个数以及误警率确定。比较步骤2中检测统计量与步骤3中检测门限的大小。

步骤4：当步骤3中的检测统计量超过检测门限时，则构建观测量验后的标准化残差。

步骤5：步骤4中构建观测量验后的标准化残差与检测门限进行比较。验后的标准化残差服从正态分布，检测门限由误警率确定。

步骤6：标记步骤5中识别到的故障检测统计量并予以剔除，对步骤1中计算的状态估计及其方差协方差进行更新。如故障子集为空，则告警。

步骤7：在步骤6完成状态估计及其方差协方差更新后，顾及观测量中的偏差和标准差，构建定位域的保护水平(Protection Level，PL)，确定定位误差的上确界。随后用户可根据计算得到的保护水平与告警界限(Alarm Limit，AL)比较以判断当前系统的可用性。

步骤8：当PL大于AL时，系统向用户告警；反之，正常输出位置结果。

步骤1中采用序贯最小二乘估计方法，将预测的状态信息作为观测量的一部分。

步骤4中检测统计量包含伪距和载波相位观测信息以及预测状态信息。

步骤6中在完成故障识别后进行了位置更新。

步骤7中保护水平的构建，同时顾及了观测量中的随机噪声和偏差项。

Claims (5)

1.一种精密单点定位完好性监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将预测的状态信息作为观测量的一部分，并采用序贯最小二乘的方法完成对当前状态量的最优估计；

步骤2：根据步骤1中计算的无电离层伪距观测量、无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差，构造3种类型的检测统计量，分别为基于无电离层伪距观测量、无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量、基于无电离层伪距观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量和基于无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量，用于对不同故障源的检测；

步骤3：步骤2中所构建的检测统计量均服从卡方分布，检测门限由观测量个数以及误警率确定，比较步骤2中检测统计量与步骤3中检测门限的大小，进行异常观测量判断：当检测统计量小于检测门限，执行步骤6；否则，执行步骤4；

步骤4：构建观测量验后的标准化残差的检测统计量d_i，i＝1,2,···,N，N代表系统观测量个数，逐项与检测门限进行比较，验后的标准化残差服从正态分布，检测门限由误警率确定；当检测统计量d_i小于检测门限时，则没有故障，否则，检测统计量d_i存在故障，标记为故障检测统计量并剔除；

步骤5：判断是否存在故障检测统计量，当不存在时，与步骤3中检测统计量大于门限的条件相矛盾，则进行告警；当存在故障检测统计量时，执行步骤6；

步骤6：根据无故障观测量对步骤1中计算的状态估计及其方差协方差进行更新；

步骤7：构建定位域的保护水平PL，PL包含水平方向的保护水平HPL和垂直方向的保护水平VPL，确定定位误差的上确界，给定保护水平与告警界限AL，AL包括水平告警界限HAL和垂直告警界限VAL，分别将HPL与HAL、VPL与VAL进行比较，根据比较结果判断当前系统的可用性：当HPL大于HAL或VPL大于VAL时，则系统告警；否则，正常输出位置结果。

2.根据权利要求1所述的一种精密单点定位完好性监测方法，其特征在于：步骤2所述基于无电离层伪距观测量、无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量满足：

步骤2所述基于无电离层伪距观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量满足：

步骤2所述基于无电离层载波相位观测量以及预测状态量的验后残差的检测统计量满足：

式中，

表示无电离层组合载波相位观测量、无电离层组合伪距观测量以及预测状态的后验残差集合，Q_l为

的方差-协方差阵；

表示由无电离层组合载波观测量和预测状态量的后验残差；

为

的方差-协方差阵；

表示由无电离层组合伪距观测量和预测状态量的后验残差；

为

的方差协方差阵。

3.根据权利要求1所述的一种精密单点定位完好性监测方法，其特征在于：步骤3中所述检测门限满足：

当给定误警率P_fa时，检测门限由下式计算得到：

式中，T_d为检测门限，

表示卡方分布的密度函数，n表示自由度，即观测量个数与待估参数的差值。

4.根据权利要求1所述的一种精密单点定位完好性监测方法，其特征在于：步骤4中所述观测量验后的标准化残差的检测统计量d_i满足：

其中，

为第i个观测残差；Q_i,i为对应的方差；

步骤4中所述检测门限满足：

其中，T_d为检测门限，P_FA为给定误警率。

5.根据权利要求1所述的一种精密单点定位完好性监测方法，其特征在于：步骤7所述定位域的水平方向的保护水平HPL为：

HPL＝HSLOPE_maxpbias_b+K_MD·σ_H

其中，HSLOPE_max表示水平方向最大斜率，pbias_b表示观测量偏差，K_MD为由漏检率确定的分位数，σ_H为水平定位误差标准差；

垂直方向的保护水平为：

VPL＝VSLOPE_maxpbias_b+K_MD·σ_V

式中，VSLOPE_max表示垂直方向最大斜率，σ_V为水平定位误差标准差。

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