CN110988927A - 关于北斗卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法 - Google Patents

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奚勇
綦祥
毋蒙
臧中原
林益峰
赖思维
许东欢
黄晓虎
刘亭剑
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/23—Testing, monitoring, correcting or calibrating of receiver elements

Abstract

本发明涉及卫星导航定位测速结果正确性的在线检测技术，为解决星导航定位测速结果输出正确性问题，保证输出结果的有效性，本发明公开了一种卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法，其步骤是：首先剔除低信噪比且伪距率超限的卫星信号；其次当卫星数目大于4颗后进行自主完好性检测进一步剔除异常卫星信号；最后再进行伪距改变量和多普勒偏移量相互检测、钟差变化量和钟漂相互检测最终保证输出结果的有效性。

Description

关于北斗卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法
技术领域
本发明设计卫星导航接收机软件设计技术，具体涉及一种关于北 斗卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法。
背景技术
卫星导航系统因为可以提供全天候、全天时、高精度的定位、导 航和授时功能所以在现代飞行器使用日益频繁。随着技术的发展飞行 器的动态性要求越来越高，飞行器进行机动过程中还会出现姿态变 化，此外还有实际飞行环境中建筑物等环境遮挡或者信号反射导致卫 星导航接收机无法正常接收跟踪卫星信号，进而导致卫星导航接收机 输出结果可能出现位置或者速度的跳变。一旦飞行器将错误的位置或 者速度信息带入系统则可能导致飞行器故障，严重时甚至可能会导致 飞行器坠毁。
因此在实际使用过程中有必要设计卫星导航输出定位测速结果 正确性在线检测功能保证输出结果的正确性，同时在没有能力输出正 确结果时及时告知系统从而保证系统的安全性。此外在线检测对于多 径和弱信号有较好识别效果可以屏蔽相关干扰，增强了卫星导航接收 机的鲁棒性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种关于 北斗卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法，使卫星导航接收 机可以在线判断导航定位测速解算结果的正确性，增强系统的鲁棒 性。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下的技术方案实现的，一 种关于北斗卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法，包括如下 步骤：
1.低信噪比伪距率超限卫星剔除
剔除同时符合卫星信噪比低于门限值和卫星伪距率观测值与预 测值的差异大于视线投影方向最大值的卫星信息。
2.伪距率自主完好性检测算法剔除
在有多颗卫星信号的条件下，在定位解算之前通过一次伪距率自 主完好性检测可以识别出一颗异常卫星信号，从而将错误卫星通道的 内容进行剔除保证后续机选结果的正确性。
3.信息相互检测
信息相互检测分为伪距改变量和多普勒偏移量相互检测、钟差变 化量和钟漂相互检测。该方法利用同一变量的不同观测量或不同观测 量计算结果的两个值进行相互校验，确定导航设备的最终结果正确 性。
本发明方法针对特定条件下部分接收机通道无法精确跟踪卫星 信号导致接收机输出结果错误问题，提出在线检测方法并最终保证卫 星导航定位结果的正确性。与现有技术方法相比，其优点和有益效果 是：
1)进行低信噪比伪距率超限卫星剔除，在观测数据带入前对 数据的有效性进行检查，保证带入数据的有效性；
2)提出来伪距率自主完好性检测方法，可以通过最小二乘法 对伪距率进行检测，进一步保证数据有效性；
3)在利用相同变量的不同结果进行相互判别，保证最终输出 结果的有效性。
附图说明
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例的伪距率预测原理图；
图2是本发明实施例的方法步骤流程图。
具体实施方式
结合图1、图2对本发明的一种关于北斗卫星导航定位测速结果 正确性的在线检测方法进行描述，其步骤是：
1.低信噪比伪距率超限卫星剔除
低信噪比伪距率超限卫星剔除具体措施为剔除同时符合以下检 测条件的卫星：
a)卫星信噪比低于门限值；
b)卫星伪距率观测值与预测值的差异大于视线投影方向最大值。
在卫星导航设备设计过程中，通过对设计要求的复算可以得到底 信噪比门限值具体计算方法如下：
北斗卫星导航设备三阶锁相环载波相位测量误差主要包括热噪 声相位抖动误差和动态应力误差，公式如(1)。
3σPLL＝3σtPLL+θe (1)
其中σPLL为载波相位测量均方误差，σtPLL为热噪声相位抖动均方 误差,
Figure BDA0002306437230000041
为动态应力误差。
热噪声相位抖动均方差误差由输入信号强度决定，与环路阶数无 关，其表达式如式(2)。
Figure BDA0002306437230000042
式中：Bn代表PLL环路噪声带宽，
Figure BDA0002306437230000043
表示等效载波 与噪声功率比，[C/N0]eq表示等效输入载噪比(dB-Hz)，T为积分清除 时间。
根据工程经验当三阶锁相环相位测量误差小于90度时能够保持较高精度的跟踪和观测，因此选择σPLL＝90，导航设备可以根据使用要求所确定动态应力误差
Figure BDA0002306437230000044
同时根据设备设计的PLL环 路噪声带宽Bn和积分清除时间T通过公式(1)和(2)可以得到低信 噪比门限。
卫星伪距率预测公式如下：
Figure RE-GDA0002390220510000044
式中，
Figure BDA0002306437230000046
为预测的卫星伪距率，
Figure BDA0002306437230000047
为卫星速度矢量，
Figure BDA0002306437230000048
为接收 机速度矢量，
Figure BDA0002306437230000051
为卫星位置矢量，
Figure BDA0002306437230000052
为接收机位置矢量。
2.伪距率自主完好性检测算法剔除
卫星导航系统的测量方程为：
Y＝HX+ε
式子中，Y是n维观测列矢量，H矩阵为n×4维观测矩阵，X 为4维用户列矢量，即用户3维位置及时钟偏差，ε是n维观测噪声 服从零均值高斯分布，其方差为σ。
根据最小二乘法原理，可得接收机状态的最小二乘解为：
X′＝(HTH)-1HTY
故伪距残差为：
R＝Y-HX′＝[I-H(HTH)-1HT]ε
伪距残差各个分量的平方和为
RTR＝εTSε
当系统无故障时，变量
Figure BDA0002306437230000053
服从自由度为(n-4)的卡方分布 χ2(n-4)，当系统有故障时
Figure BDA0002306437230000054
服从自由度为(n-4)的非中心化的卡方 分布χ2(n-4,λ)，这里λ是非中心化参数。利用
Figure BDA0002306437230000055
的这个分布特性 即可进行故障的检测。逐个使用n-1(n为当前可用卫星数目)颗卫 星组合镜像计算得到每种情况下的几何分布，可以确定最坏卫星来进 行排除或修复。
3.信息相互检测
检测方法包含伪距改变量和多普勒偏移量、钟差和钟漂的相互 检测，具体内容如下：
根据一颗卫星所获得的伪距初始测量值和多普勒频偏测量值进 行相互检查，比较伪距初始测量值的改变量和多普勒频偏测量值之 间的差异，完成两个直接观测量相互之间的验证，由于两个直接观 测量由不同的测量原理得到，因此之间可以进行相互验证，如果两 者之间的差异较小，则认为数据可信，如果差异较大，则认为数据 不可信，此颗卫星判定不可用，不进入解算并重新进行捕获(载波环 同步)。
在定位解算完成后进行钟差和钟漂检测。分别设置钟差化量和 钟漂间的差异。钟差用伪距通过卡尔曼滤波得到导航设备系统时和 导航系统系统时的差异量，钟漂则是伪距率进行卡尔曼滤波或者最 小二乘得到系统时间变化量。对于导航系统钟差变化量和钟漂为不 同观测量计算得到系统时间变化量，因此之间可以进行相互验证， 如果两者之间的差异较小，则认为数据可信，如果差异较大，则认 为数据不可信，本地定位计算结果无效。

Claims (5)

1.一种关于北斗卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)低信噪比伪距率超限卫星剔除；
步骤2)伪距率自主完好性检测算法；
步骤3)信息相互检测。
2.根据权利要求1所述的一种关于北斗卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法，其特征在于：所述的步骤1)中，利用北斗卫星导航设备三阶锁相环载波相位测量误差方程、热噪声相位抖动均方差方程和卫星导航设备环路设计值计算得到信噪比门限，方程如下：
3σPLL＝3σtPLL+θe
Figure RE-FDA0002390220500000011
其中σPLL为载波相位测量均方误差，σtPLL为热噪声相位抖动均方误差,
Figure RE-FDA0002390220500000012
为动态应力误差，Bn为PLL环路噪声带宽，
Figure RE-FDA0002390220500000013
表示等效载波与噪声功率比，[C/N0]eq表示等效输入载噪比(dB-Hz)，T为积分清除时间；
利用预测公式进行伪距率计算并结合卫星信噪比进行剔除，公式如下：
Figure RE-FDA0002390220500000014
式中，
Figure RE-FDA0002390220500000015
为预测的卫星伪距率，
Figure RE-FDA0002390220500000016
为卫星速度矢量，
Figure RE-FDA0002390220500000017
为接收机速度矢量，
Figure RE-FDA0002390220500000018
为卫星位置矢量，
Figure RE-FDA0002390220500000019
为接收机位置矢量。
3.根据权利要求1所述的一种关于北斗卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法，其特征在于：所述的步骤2)中，伪距残差各个分量的平方和RTR与方差为σ组成的变量
Figure FDA0002306437220000021
当系统无故障时，服从自由度为(n-4)的卡方分布χ2(n-4)；当系统有故障时服从自由度为(n-4)的非中心化的卡方分布χ2(n-4,λ)，λ是非中心化参数。
4.根据权利要求1所述的一种关于北斗卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法，其特征在于：所述的步骤3)中，根据一颗卫星所获得的伪距初始测量值和多普勒频偏测量值进行相互检查，比较伪距初始测量值的改变量和多普勒频偏测量值之间的差异，完成两个直接观测量相互之间的验证，由于两个直接观测量由不同的测量原理得到，因此之间可以进行相互验证，如果两者之间的差异较小，则认为数据可信，如果差异较大，则认为数据不可信，此颗卫星判定不可用，不进入解算并重新进行捕获；在定位解算完成后进行钟差和钟漂检测。
5.根据权利要求4所述的一种关于北斗卫星导航定位测速结果正确性的在线检测方法，其特征在于：分别设置钟差化量和钟漂间的差异，钟差用伪距通过卡尔曼滤波得到导航设备系统时和导航系统系统时的差异量，钟漂则是伪距率进行卡尔曼滤波或者最小二乘得到系统时间变化量；对于导航系统钟差变化量和钟漂为不同观测量计算得到系统时间变化量，因此之间可以进行相互验证，如果两者之间的差异较小，则认为数据可信，如果差异较大，则认为数据不可信，本地定位计算结果无效。
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