CN110988928B - 一种基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法 - Google Patents

一种基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法，先任意选择主节点与基准卫星，然后通过计算多节点间双差值和伪距双差残差，从而进行多节点综合判断。本发明采用双差的方式进行完好性监测，由于双差观测量消除了大部分公共误差且转化得到的距离理论双差值精度高，因此能够更好的对故障进行监测识别。在现有算法运行之前执行，并不影响现有算法体系，可与现有算法同时运行，提升系统的完好性监测能力。仅涉及双差、坐标转换、比对等运算，算法简单，占用运算资源较小。

Description

一种基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法
技术领域
本发明涉及卫星导航定位领域，是卫星导航着陆系统中一种利用地面基准站内多个基准接收机天线之间固定的基线向量作为约束信息的完好性监测方法。
背景技术
完好性监测是卫星导航着陆系统的一个关键环节，决定着系统所能提供的服务等级，关系着飞机的着陆安全。在卫星导航着陆系统中，地面基准站设备通常配置的4部基准接收机用于完好性监测处理，对可能的故障源(包括卫星钟、卫星星历、电离层、对流层、多径和接收机)进行分类的监视。完好性监测算法利用3～4台基准接收机信号测量提供的信息通过信号质量件监视(SQM)、量测质量监视(MQM)、数据质量监视(DQM)等一系列方法完成故障监测和告警，实现故障监测完好性。SQM对卫星导航信号功率异常和相关峰畸变情况进行监测；DQM连续检查卫星星历和星钟参数，验证卫星导航数据足够可信；MQM主要对于生成的各种观测质量的好坏和状态加以判断和鉴别。上述一系列算法仅通过对各台基准接收机数据进行独立运算分析以及多台基准接收机的数据冗余性比对实现故障的监测。
上述算法并未利用天线间准确基线关系进行完好性监测，而在卫星导航着陆系统中，地面站基准接收机天线布设在固定位置，且每台基准接收机天线位置事先进行了标定，同时多天线间的准确基线关系可通过测量的方式获得。由于通过测定多天线间准确基线关系可达到毫米精度，同时天线间准确基线关系能够转化为“卫星-基准接收机”间的距离理论双差值，通过将基准接收机测量获得的伪距值进行双差运算获得的伪距双差值与转化获得的距离双差值进行比对，即可对伪距的异常进行监测，实现完好性监测的目的。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法。本发明介绍一种基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法，利用多个节点(节点数不少于3个)卫星导航基准接收机天线之间固定的基线向量作为约束信息进行完好性监测。基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法总体框图如图1所示。其中多节点包括节点1、节点2…节点n(n＝1,2,3…N，N≥3)，共N个节点，其中节点M为在节点n中选定的主节点(M＝1,2,3…N，N≥3)。由于N个节点间任意两个节点间的基线矢量关系可以事先测定，因此在选定主节点M后，可以节点1-节点M、节点2-节点M…节点n-节点M(M,n＝1,2,3…N，N≥3，n≠M)间的基线关系作为约束信息进行完好性监测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：
步骤1：主节点与基准卫星任意选择；
选择节点1、节点2、节点3、…节点n中的一个节点作为主节点，记作M，其中，n＝1,2,3…N，N≥3；选择节点1、节点2、节点3、…节点n的共视卫星集合Q(共L颗卫星)中的一颗卫星作为基准卫星，记作S；
步骤2：多节点间双差值计算；
在选定主节点M以及基准卫星S后，分别计算除去M节点后的其他节点与节点M间的伪距双差观测值与伪距双差理论值；
伪距双差观测值
Figure GDA0003903169830000021
通过对不同节点间、不同卫星间基准接收机测量获得的伪距观测量进行两次作差获得：
Figure GDA0003903169830000022
其中n代表节点编号，n＝1,2,3...N,n≠M；k代表N个节点中共视卫星编号，k≠S；
Figure GDA0003903169830000023
为构建的伪距双差观测值；
Figure GDA0003903169830000024
为节点n与节点M间卫星k与卫星S真实距离的双差观测值；
Figure GDA0003903169830000025
为伪距双差观测量噪声；
伪距双差理论值
Figure GDA0003903169830000026
通过将事先测量获得的基线向量BnM进行转换，转换为不同节点间、不同卫星间基准接收机所对应的双差值获得：
Figure GDA0003903169830000027
其中，BnM为事先测量的节点n与节点M间的基线向量，ek、eS分别为节点n与节点M到卫星k与卫星S的方向矢量，n代表节点编号，n＝1,2,3...N,n≠M；k代表N个节点中共视卫星编号，k≠S；
Figure GDA0003903169830000028
为节点n与节点M间卫星k与卫星S的伪距双差理论值；
步骤3：伪距双差残差计算；
根据步骤2计算得到的伪距双差理论值、伪距双差观测值，并将其作差得到双差残差值
Figure GDA0003903169830000031
Figure GDA0003903169830000032
M,n＝1,2,3…N，N≥3，n≠M，
Figure GDA0003903169830000033
代表由伪距双差理论值与伪距双差观测值构建的伪距双差残差值；
步骤4：多节点综合判断；
根据步骤3计算得到的伪距双差残差值
Figure GDA0003903169830000034
构建伪距双差残差平均值
Figure GDA0003903169830000035
Figure GDA0003903169830000036
分别计算伪距双差残差值与伪距双差平均值的距离
Figure GDA0003903169830000037
(M,n＝1,2,3…N，N≥3，n≠M)；记
Figure GDA0003903169830000038
中最大值为
Figure GDA0003903169830000039
将
Figure GDA00039031698300000310
与预设门限
Figure GDA00039031698300000311
进行比较，若距离
Figure GDA00039031698300000312
小于门限，则判定通过；若
Figure GDA00039031698300000313
大于等于门限，则判定节点n的卫星k发生故障；按照99.7％置信概率对预设门限进行
Figure GDA00039031698300000314
设置；
Figure GDA00039031698300000315
Figure GDA00039031698300000316
步骤1中为保证选择的基准卫星具有较好的数据质量，进行以下限定：
1)基准卫星载噪比在所有共视卫星中最大；
2)基准卫星仰角大于45度。
步骤4中为了更加真实的评估伪距双差观测量噪声
Figure GDA00039031698300000317
采用仰角加权模型对
Figure GDA00039031698300000318
进行取值。由于双差观测量消除了大部分公共误差，仅剩接收机热噪声以及多路径误差影响，因此参照卫星导航着陆系统性能标准，选取模型为
Figure GDA00039031698300000319
其中参数a、b、c为可变参数，θ为卫星k的仰角，按照标准规定的中精度等级参数取值，设置a、b、c分别为0.16、1.07、15.5，因此
Figure GDA00039031698300000320
本发明的有益效果在于：
1)本发明采用双差的方式进行完好性监测，由于双差观测量消除了大部分公共误差且转化得到的距离理论双差值精度高，因此能够更好的对故障进行监测识别。
2)在现有算法运行之前执行，并不影响现有算法体系，可与现有算法同时运行，提升系统的完好性监测能力。
3)本发明仅涉及双差、坐标转换、比对等运算，算法简单，占用运算资源较小。
附图说明
图1为本发明基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法框图。
图2为本发明的基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法流程图。
图3为本发明基线向量与双差理论值转换关系示意图。
图4为本发明天线位置与基线关系示意图。
图5为本发明完好性监测结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明是一种利用地面基准站内多个基准接收机天线之间固定的基线向量作为约束信息的卫星导航着陆系统完好性监测的方法，具体步骤如图2所示：
步骤一：主节点与基准卫星选择
主节点与基准卫星选择任意。选择节点1、节点2、节点3、…节点n(n＝1,2,3…N，N≥3)中的一个节点作为主节点，记作M；选择节点1、节点2、节点3、…节点n(n＝1,2,3…N，N≥3)的共视卫星集合Q(共L颗卫星)中的一颗卫星作为基准卫星，记作S。要求选择的S卫星的载噪比在所有共视卫星中最大且该颗卫星仰角大于45度。
步骤二：多节点间双差值计算
在选定主节点M以及基准卫星S后，分别计算除去M节点的其他节点与节点M间的伪距双差观测值与伪距双差理论值，方法如下：
(1)伪距双差观测值计算
对不同节点间、不同卫星间基准接收机测量获得的伪距观测量两次作差，得到伪距双差观测值如下：
Figure GDA0003903169830000041
式中n代表节点编号，n＝1,2,3...N,n≠M；k代表N个节点中共视卫星编号，k≠S；
Figure GDA0003903169830000042
为构建的伪距双差观测值；
Figure GDA0003903169830000043
为节点n与节点M间卫星k与卫星S真实距离的双差观测值；
Figure GDA0003903169830000044
为伪距双差观测量噪声。
(2)伪距双差理论值计算
将事先测量获得的基线关系进行转换，转换为不同节点间、不同卫星间基准接收机所对应的双差值，得到伪距双差理论值如下：
如图3所示，BnM为事先测量的节点n与节点M间的基线向量，ek、eS分别为节点n与节点M指向卫星k与卫星S的方向矢量。根据转换关系，可得：
Figure GDA0003903169830000051
式中n代表节点编号，n＝1,2,3...N,n≠M；k代表N个节点中共视卫星编号，k≠S；
Figure GDA0003903169830000052
为节点n与节点M间卫星k与卫星S理论距离的双差观测值。
步骤三：伪距双差残差计算
根据步骤二计算得到的伪距双差理论值、伪距双差观测值，并将其作差得到双差残差值
Figure GDA0003903169830000053
Figure GDA0003903169830000054
代表由伪距双差理论值与伪距双差观测值构建的伪距双差残差值，根据
Figure GDA0003903169830000055
发生跳变的情况即可判断卫星k是否发生异常。但由于
Figure GDA0003903169830000056
包含节点n、节点M的异常信息，因此
Figure GDA0003903169830000057
发生跳变时无法辨别是节点n与节点M的异常情况，因此需利用N个节点生成的N-1个
Figure GDA0003903169830000058
信息进行综合判断确定。
步骤四：多节点综合判断
根据步骤三计算得到的伪距双差残差值
Figure GDA0003903169830000059
构建伪距双差残差平均值
Figure GDA00039031698300000510
Figure GDA00039031698300000511
分别计算伪距双差残差值与伪距双差平均值的距离
Figure GDA00039031698300000512
Figure GDA00039031698300000513
记
Figure GDA00039031698300000514
中最大值为
Figure GDA00039031698300000515
将
Figure GDA00039031698300000516
与预设门限
Figure GDA00039031698300000517
进行比较，若距离
Figure GDA00039031698300000518
小于门限，则通过；若
Figure GDA00039031698300000519
大于等于门限，则判定节点n的卫星k发生故障。式中按照99.7％置信概率对预设门限进行
Figure GDA00039031698300000520
设置。
Figure GDA00039031698300000521
采用仰角加权模型对
Figure GDA00039031698300000522
进行取值，
Figure GDA00039031698300000523
θ为卫星k的仰角。
为验证该方法的实际性能，开展了如下试验。架设4副卫星导航接收天线，其中天线1与天线2基线距离100.08m，天线1与天线3基线距离145.798m，天线1与天线4基线距离99.634m。天线位置与基线位置关系如图4所示。
试验中，选择天线1作为主节点，选择10号卫星作为基准卫星，在46秒、91秒时刻在节点1的1号星伪距上分别设置1m、2m的故障，完好性监测结果如图5所示。由图5看出在第46秒时，节点1的伪距双差残差值与伪距双差平均值的距离最大且超出门限值；在第91秒时，节点1、3、4的伪距双差残差值与伪距双差平均值的距离均超出门限，但节点1的伪距双差残差值与伪距双差平均值的距离最大。因此，在46秒、91秒分别判定节点1的1号卫星发生故障。因此基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法能够将有效的对卫星导航着陆系统的故障进行监测识别，降低系统的完好性风险。

Claims (3)

1.一种基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：主节点与基准卫星任意选择；
选择节点1、节点2、节点3、…节点n中的一个节点作为主节点，记作M，其中，n＝1,2,3…N，N≥3；选择节点1、节点2、节点3、…节点n的共视卫星集合Q中的一颗卫星作为基准卫星，记作S，共视卫星集合Q共L颗卫星；
步骤2：多节点间双差值计算；
在选定主节点M以及基准卫星S后，分别计算除去M节点后的其他节点与节点M间的伪距双差观测值与伪距双差理论值；
伪距双差观测值
Figure FDA0003903169820000011
通过对不同节点间、不同卫星间基准接收机测量获得的伪距观测量进行两次作差获得：
Figure FDA0003903169820000012
其中n代表节点编号，n＝1,2,3...N,n≠M；k代表N个节点中共视卫星编号，k≠S；
Figure FDA0003903169820000013
为构建的伪距双差观测值；
Figure FDA0003903169820000014
为节点n与节点M间卫星k与卫星S真实距离的双差观测值；
Figure FDA0003903169820000015
为伪距双差观测量噪声；
伪距双差理论值
Figure FDA0003903169820000016
通过将事先测量获得的基线向量BnM进行转换，转换为不同节点间、不同卫星间基准接收机所对应的双差值获得：
Figure FDA0003903169820000017
其中，BnM为事先测量的节点n与节点M间的基线向量，ek、eS分别为节点n与节点M到卫星k与卫星S的方向矢量，n代表节点编号，n＝1,2,3...N,n≠M；k代表N个节点中共视卫星编号，k≠S；
Figure FDA0003903169820000018
为节点n与节点M间卫星k与卫星S的伪距双差理论值；
步骤3：伪距双差残差计算；
根据步骤2计算得到的伪距双差理论值、伪距双差观测值，并将其作差得到双差残差值
Figure FDA0003903169820000019
M,n＝1,2,3…N，N≥3，n≠M，
Figure FDA00039031698200000110
代表由伪距双差理论值与伪距双差观测值构建的伪距双差残差值；
步骤4：多节点综合判断；
根据步骤3计算得到的伪距双差残差值
Figure FDA00039031698200000111
构建伪距双差残差平均值
Figure FDA00039031698200000112
Figure FDA0003903169820000021
分别计算伪距双差残差值与伪距双差平均值的距离
Figure FDA0003903169820000022
M,n＝1,2,3…N，N≥3，n≠M；记
Figure FDA0003903169820000023
中最大值为
Figure FDA0003903169820000024
将
Figure FDA0003903169820000025
与预设门限
Figure FDA0003903169820000026
进行比较，若距离
Figure FDA0003903169820000027
小于门限，则判定通过；若
Figure FDA0003903169820000028
大于等于门限，则判定节点n的卫星k发生故障；按照99.7％置信概率对预设门限进行
Figure FDA0003903169820000029
设置；
Figure FDA00039031698200000210
M,n＝1,2,3…N，N≥3，n≠M。
2.根据权利要求1所述的一种基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法，其特征在于：
步骤1中基准卫星进行以下限定：
1)基准卫星载噪比在所有共视卫星中最大；
2)基准卫星仰角大于45度。
3.根据权利要求1所述的一种基于长度约束的卫星导航着陆完好性监测方法，其特征在于：
步骤4中为了更加真实的评估伪距双差观测量噪声
Figure FDA00039031698200000211
采用仰角加权模型对
Figure FDA00039031698200000212
进行取值，选取模型为
Figure FDA00039031698200000213
其中参数a、b、c为可变参数，θ为卫星k的仰角，设置a、b、c分别为0.16、1.07、15.5，因此
Figure FDA00039031698200000214
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