CN110988930A - 一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法及装置，读取配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据；通过解析后的GNSS卫星数据及ISM电文参数，模拟仿真先进的接收机自主完好性监测(ARAIM)算法，通过计算得到飞机的保护级和定位误差；根据计算结果，评估GNSS系统的准确性指标测试值、可用性指标测试值及完好性指标测试值。本发明完整且系统地建立了一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法，ARAIM无现有标准，而本发明模拟出一个ARAIM标准的环境进行监测，整个仿真评估过程简单、易执行。

Description

一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种先进的接收机仿真评估方法及装置。

背景技术

卫星、机载及地面各种定位与导航技术的结合，为航空器提供飞行引导信息，使其能够安全、正常飞行，是现代民用航空安全高效运行的基础。为了保证民航的运行安全，将全球卫星导航系统(GNSS)应用于民用航空导航，需要解决卫星导航系统的性能不满足民航运行的高标准需求问题。

在ICAO、美国联邦航空局(FAA)和美国航空无线电委员会(RTCA)等提出的GNSS民用航空应用需求中，均强调机载卫星导航接收机必须具有自主完好性监测功能。RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)是一种自主自主完好性监测技术，由机载接收机自主执行故障检测和排除。RAIM方法已在民航中实际应用多年，在航路到非精密进近的过程中提供水平辅助引导，并在远洋航路和偏远航路中作为主用导航方式，但RAIM相对脆弱，因为其依赖于机载设备对卫星信号及数据的处理，需要28颗卫星在非精确进近操作期间支持横向导航。目前GPS有32颗卫星，但是同一时间的可见卫星数远不及此。先进的接收机自主完好性监测(ARAIM，Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring)是基于RAIM提出的内嵌在机载接收机中的一种卫星导航系统完好性监测方法。ARAIM利用接收机接收到的多颗导航卫星的信息，进行卫星故障检测和识别，支持多星座多种故障的假设。具有对卫星故障反应迅速、完全自主等特点，可以有效保证导航完好性需求。

当前国际及国内还未对ARAIM用户处理算法及性能评估提出相关标准，多模式接收机中ARAIM的算法及性能评估实现尚在研究阶段，亟需研制出日趋完善的产品。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法及装置。本发明的方法包括：读取配置文件、GNSS卫星数据及ISM(IntegritySupport Message，完好性支持信息)电文数据；通过解析后的GNSS卫星数据及ISM电文参数，模拟仿真先进的接收机自主完好性监测(ARAIM)算法，通过计算得到飞机的保护级和定位误差；根据计算结果，评估GNSS系统的准确性指标测试值、可用性指标测试值及完好性指标测试值。本发明完整且系统地建立了一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法，整个仿真评估过程简单、易执行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：读取配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据；

所述配置文件为基准位置；

所述GNSS卫星数据来自GNSS多模接收机，数据类型包括星历数据、历书数据以及伪距数据；为GNSS多模接收机输出的连续数据，本发明使用的是存储设备内记录的GNSS多模接收机输出的连续数据，以二进制文本文件，且以天为单位存储的；

所述ISM电文数据为地面系统提供的完好性支持数据，但由于当前并没有建成的ARAIM地面站，本发明使用的ISM电文数据为模拟仿真数据，即按照ISM标准接口的定义，仿真出相应ISM电文，作为后续处理步骤的输入；

步骤2、对步骤1读取的配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据进行解析，将配置文件解析为可读的基准位置参数，为后续定位误差处理提供基准位置，将GNSS数据中的导航数据及观测数据解析为可读的明文数据，将ISM电文数据解析为可读的ISM参数数据；

ISM电文参数ISM为ARAIM完好性支持信息，反映了GNSS星座性能的改善；ISM包括用户测距误差，用户测距精度，卫星故障率，星座故障率，连续性偏差，完好性偏差及标志信息；

步骤3、对步骤2解析后的数据进行数据处理，模拟仿真先进的接收机自主完好性监测(ARAIM)算法，通过计算得到飞机的保护级和定位误差；

所述数据处理包括伪距协方差矩阵计算和全可见星位置解算，根据ISM中卫星故障率与星座故障率确定需要监控的故障及故障概率，计算容错位置、标准差与偏置，解分离阈值检验及卡方检验，定位误差计算及保护级解算处理；

步骤4、根据步骤3处理后的飞机定位误差及保护级，评估GNSS系统的准确性指标测试值、可用性指标测试值和完好性指标测试值；

准确性指标测试值计算方法为：取连续时间n(n≥1天)内的定位误差集合，将该定位误差集合内的定位误差值升序排序，取排序后定位误差集合内置信度95％所对应的定位误差值，该定位误差值即准确性指标测试值；

可用性指标测试值指运行区间内的可用服务数据百分比，计算方法为：

4.1、计算每个时刻的垂直保护级VPL；

4.2、将保护级与保护级门限比较，如果满足VPL≤VAL条件，则认为服务可用，否则服务不可用；

4.3、取大于等于1天的运行数据，分别统计数据总包数、服务可用包数及服务不可用包数，通过下式计算可用性指标测试值：

其中P_avail为可用性指标测试值，Pa_unavail为服务不可用包数，Pa_total为数据总包数；

完好性指标测试值指通过危险误导信息统计判断设备的服务性能是否满足完好性指标要求，计算方法如下：

4.4、计算每个时刻的垂直保护级VPL；

4.5、当满足VPL＜VAL＜VPE条件时，则认为点落在HMI(Hazardously MisleadingInformation，危险误导信息)区域内；

4.6、取大于等于1天的运行数据，统计落在HMI区域的点的百分比，即误差、保护级、保护级门限三者的关系反应当前的完好性指标；其中VPL为垂直保护级，VPE为垂直定位误差，VAL为垂直告警门限，HMI为危险误导信息，通过下式计算完好性指标：

其中P_integ为完好性指标，P_HMI为落在HMI区域内的点数，P_total为总点数。

本发明的有益效果在于完整且系统地建立了一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法，ARAIM无现有标准，而本发明模拟出一个ARAIM标准的环境进行监测，整个仿真评估过程简单、易执行。

附图说明

图1是本发明一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法的流程图。

图2是本发明一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估装置的结构示意图。

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。

本发明的实施例公开了一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法，参照图1所示，主要包括下列步骤：

步骤1：读取配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据；

所述配置文件为基准位置；为仿真基准位置参数，包括经度，纬度及高度。

所述GNSS卫星数据来自GNSS多模接收机，数据类型包括星历数据、历书数据以及伪距数据；为GNSS多模接收机输出的连续数据，本发明使用的是存储设备内记录的GNSS多模接收机输出的连续数据，以二进制文本文件，且以天为单位存储的；

所述ISM电文数据为地面系统提供的完好性支持数据，但由于当前并没有建成的ARAIM地面站，本发明使用的ISM电文数据为模拟仿真数据，即按照ISM标准接口的定义，仿真出相应ISM电文，作为后续处理步骤的输入；

步骤2、对步骤1读取的配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据进行解析，将配置文件解析为可读的基准位置参数，为后续定位误差处理提供基准位置，将GNSS数据中的导航数据及观测数据解析为可读的明文数据，将ISM电文数据解析为可读的ISM参数数据；

ISM电文参数ISM为ARAIM完好性支持信息，反映了GNSS星座性能的改善；ISM包括用户测距误差，用户测距精度，卫星故障率，星座故障率，连续性偏差，完好性偏差及标志信息；

步骤3、对步骤2解析后的数据进行数据处理，模拟仿真先进的接收机自主完好性监测(ARAIM)算法，通过计算得到飞机的保护级和定位误差；

所述数据处理包括伪距协方差矩阵计算和全可见星位置解算，根据ISM中卫星故障率与星座故障率确定需要监控的故障及故障概率，计算容错位置、标准差与偏置，解分离阈值检验及卡方检验，定位误差计算及保护级解算处理；

步骤4、根据步骤3处理后的飞机定位误差及保护级，评估GNSS系统的准确性指标测试值、可用性指标测试值和完好性指标测试值；

准确性指标测试值计算方法为：取连续时间n(n≥1天)内的定位误差集合，将该定位误差集合内的定位误差值升序排序，取排序后定位误差集合内置信度95％所对应的定位误差值，该定位误差值即准确性指标测试值；

可用性指标测试值指运行区间内的可用服务数据百分比，计算方法为：

4.1、计算每个时刻的垂直保护级VPL；

4.2、将保护级与保护级门限比较，如果满足VPL≤VAL条件，则认为服务可用，否则服务不可用；

4.3、取大于等于1天的运行数据，分别统计数据总包数、服务可用包数及服务不可用包数，通过下式计算可用性指标测试值：

其中P_avail为可用性指标测试值，Pa_unavail为服务不可用包数，Pa_total为数据总包数；

完好性指标测试值指通过危险误导信息统计判断设备的服务性能是否满足完好性指标要求，计算方法如下：

4.4、计算每个时刻的垂直保护级VPL；

4.5、当满足VPL＜VAL＜VPE条件时，则认为点落在HMI(Hazardously MisleadingInformation，危险误导信息)区域内；

4.6、取大于等于1天的运行数据，统计落在HMI区域的点的百分比，即误差、保护级、保护级门限三者的关系反应当前的完好性指标；其中VPL为垂直保护级，VPE为垂直定位误差，VAL为垂直告警门限，HMI为危险误导信息，通过下式计算完好性指标：

其中P_integ为完好性指标，P_HMI为落在HMI区域内的点数，P_total为总点数。

本发明实施例提供一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估装置，参照图2所示，该装置包括：

数据读取单元，读取配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据；

数据解析单元，将数据读取单元中的配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据进行解析，将配置文件解析为可读的基准位置参数，GNSS数据中的导航数据及观测数据解析为可读的明文数据，将ISM电文数据解析为可读的ISM参数数据；

数据处理单元，对数据解析单元解析后的数据进行处理，模拟仿真先进的接收机自主完好性监测(ARAIM)算法，通过计算得到飞机的保护级和定位误差；

性能评估单元，根据数据处理单元处理后的飞机定位误差及保护级，评估GNSS系统的准确性指标测试值、可用性指标测试值和完好性指标测试值。

本发明提供一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法及装置，该方法包括：读取配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据；通过解析后的GNSS卫星数据及ISM电文参数，模拟仿真先进的接收机自主完好性监测(ARAIM)算法，通过计算得到飞机的保护级和定位误差；根据计算结果，评估GNSS系统的准确性指标测试值、可用性指标测试值及完好性指标测试值。本发明完整且系统地建立了一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法，整个仿真评估过程简单、易执行。

本领域技术人员可以理解，实现上述各方法实施例的全部或部分步骤通过程序指令相关的硬件来完成。程序存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤，而存储介质包括ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (2)

1.一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：读取配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据；

所述配置文件为基准位置；

所述GNSS卫星数据来自GNSS多模接收机，数据类型包括星历数据、历书数据以及伪距数据；为GNSS多模接收机输出的连续数据，本发明使用的是存储设备内记录的GNSS多模接收机输出的连续数据，以二进制文本文件，且以天为单位存储的；

所述ISM电文数据为地面系统提供的完好性支持数据，但由于当前并没有建成的ARAIM地面站，本发明使用的ISM电文数据为模拟仿真数据，即按照ISM标准接口的定义，仿真出相应ISM电文，作为后续处理步骤的输入；

步骤2、对步骤1读取的配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据进行解析，将配置文件解析为可读的基准位置参数，为后续定位误差处理提供基准位置，将GNSS数据中的导航数据及观测数据解析为可读的明文数据，将ISM电文数据解析为可读的ISM参数数据；

ISM电文参数ISM为ARAIM完好性支持信息，反映了GNSS星座性能的改善；ISM包括用户测距误差，用户测距精度，卫星故障率，星座故障率，连续性偏差，完好性偏差及标志信息；

步骤3、对步骤2解析后的数据进行数据处理，模拟仿真先进的接收机自主完好性监测(ARAIM)算法，通过计算得到飞机的保护级和定位误差；

所述数据处理包括伪距协方差矩阵计算和全可见星位置解算，根据ISM中卫星故障率与星座故障率确定需要监控的故障及故障概率，计算容错位置、标准差与偏置，解分离阈值检验及卡方检验，定位误差计算及保护级解算处理；

步骤4、根据步骤3处理后的飞机定位误差及保护级，评估GNSS系统的准确性指标测试值、可用性指标测试值和完好性指标测试值；

准确性指标测试值计算方法为：取连续时间n(n≥1天)内的定位误差集合，将该定位误差集合内的定位误差值升序排序，取排序后定位误差集合内置信度95％所对应的定位误差值，该定位误差值即准确性指标测试值；

可用性指标测试值指运行区间内的可用服务数据百分比，计算方法为：

4.1、计算每个时刻的垂直保护级VPL；

4.2、将保护级与保护级门限比较，如果满足VPL≤VAL条件，则认为服务可用，否则服务不可用；

4.3、取大于等于1天的运行数据，分别统计数据总包数、服务可用包数及服务不可用包数，通过下式计算可用性指标测试值：

其中P_avail为可用性指标测试值，Pa_unavail为服务不可用包数，Pa_total为数据总包数；

完好性指标测试值指通过危险误导信息统计判断设备的服务性能是否满足完好性指标要求，计算方法如下：

4.4、计算每个时刻的垂直保护级VPL；

4.5、当满足VPL＜VAL＜VPE条件时，则认为点落在HMI(Hazardously MisleadingInformation，危险误导信息)区域内；

4.6、取大于等于1天的运行数据，统计落在HMI区域的点的百分比，即误差、保护级、保护级门限三者的关系反应当前的完好性指标；其中VPL为垂直保护级，VPE为垂直定位误差，VAL为垂直告警门限，HMI为危险误导信息，通过下式计算完好性指标：

其中P_integ为完好性指标，P_HMI为落在HMI区域内的点数，P_total为总点数。

2.根据权利要求1所述的一种先进的接收机自主完好性监测仿真评估方法的装置，其特征在于：

数据读取单元，读取配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据；

数据解析单元，将数据读取单元中的配置文件、GNSS卫星数据及ISM电文数据进行解析，将配置文件解析为可读的基准位置参数，GNSS数据中的导航数据及观测数据解析为可读的明文数据，将ISM电文数据解析为可读的ISM参数数据；

数据处理单元，对数据解析单元解析后的数据进行处理，模拟仿真先进的接收机自主完好性监测(ARAIM)算法，通过计算得到飞机的保护级和定位误差；

性能评估单元，根据数据处理单元处理后的飞机定位误差及保护级，评估GNSS系统的准确性指标测试值、可用性指标测试值和完好性指标测试值。

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