CN111142125B - 一种卫星完好性监测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及卫星定位技术,公开了一种卫星完好性监测方法和系统。本申请根据全球导航卫星系统接收机得到的卫星观测值和星历,通过采用选权迭代策略和抗差估计方法对卫星的完好性系统进行计算监测。本申请的优点在于可以在故障卫星为一颗以上的时候,还可以进行监测,并对故障卫星进行剔除,同时本申请引入的选权迭代策略和抗差估计方法还有效地提高了卫星完好性计算的计算效率和计算正确率。
Description
技术领域
本申请涉及卫星定位技术,特别涉及一种卫星完好性监测方法和系统。
背景技术
完好性监测技术分为三类:第一种是卫星自主完好性监测技术(SAIM);第二种是系统内部增强技术,即利用地面基准站的参考接收机内部冗余信息观测量或机载系统上其他辅助信息,排除和监测卫星导航系统故障,这种方法称为机载接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM);第三种是系统外部增强技术,构架是地面部分设置监测站来监测卫星广播信息完好状况、数据链广播完好状况和地面参考接收机的好坏程度状况,然后通过数据链广播播发给机载用户。
完好性是指当系统不能用于正常导航定位,或系统误差超限时,向用户提供及时告警的能力。在采用卫星导航定位时,完好性对许多应用来说很重要,面对航空航天来说是关系重大的,因为用户正在以高速航行,而且可能会很快偏离航线路。由于通过卫星导航系统自身的操作控制部分进行卫星故障监测时,告警时间比较长,通常在15分钟到几小时之内,不能满足航空导航需求,因此就需要在用户端对卫星故障进行快速监测,即RAIM,现有的RAIM方法仅仅只能对单颗卫星的故障进行监测,而且现有的监测方法针对监测方法也存在较大的错误概率。
故障识别方法很多,一种简单粗暴的方法是:删除一颗卫星伪距观测数据,用剩余的卫星观测数据进行单点定位,记录此时的单位权中误差,单位权中误差最小时对应的那颗删除的卫星即为故障卫星。但是这种故障识别方法只适应于只有一颗卫星故障的前提下,假如有两颗以上卫星故障,那么即使删除一颗故障卫星,单点定位结果依然很差,因此识别不出故障星。
发明内容
本申请的目的在于提供一种卫星完好性监测方法和系统,在故障卫星为一颗以上的情况下,仍可以对卫星完好性进行监测和故障卫星的剔除,并且本申请的计算方法可以有效的提高计算效率和计算正确率。
为了解决上述问题,一种卫星完好性监测方法,其特征在于,该方法步骤如下:
根据卫星接收机接收到的卫星信号计算每颗卫星的观测值;
根据该每颗卫星的观测值建立每颗卫星的观测方程;
通过迭代方式根据该观测方程计算各个观测值残差,其中,将每次迭代所得的观测值残差带入预设的权函数,求得用于下次迭代的权重,以便在该下次迭代中根据该权重重新计算各个观测值残差;
该迭代结束后,将大于预设阈值的观测值残差所对应的卫星判定为故障卫星。
在一个优选例中,该迭代的首次迭代是将单位权和单点定位的结果带入观测方程,计算得到各个观测值残差;
该迭代结束的条件为:迭代次数大于预定次数,或者前后相邻两次迭代解算出的所有观测值残差变化都小于预定门限。
在一个优选例中,该预设的权函数表示如下:
本申请公开了一种卫星完好性监测系统,包括:
单点定位模块,用于根据卫星的伪距观测值进行单点定位;
观测方程确定模块,用于根据卫星接收机接收到的卫星信号计算每颗卫星的观测值和根据该每颗卫星的观测值建立每颗卫星的观测方程;
观测值残差确定模块,通过迭代方式根据该观测方程计算各个观测值残差,其中,将每次迭代所得的观测值残差带入预设的权函数,求得用于下次迭代的权重,以便在该下次迭代中根据该权重重新计算各个观测值残差;
故障卫星确定模块,用于在该迭代结束后,将大于预设阈值的观测值残差所对应的卫星判定为故障卫星。
在一个优选例中,该迭代的首次迭代是将单位权和单点定位的结果带入观测方程,计算各个观测值残差;
该迭代结束的条件为:迭代次数大于预定次数,或者前后相邻两次迭代解算出的所有观测值残差变化都小于预定门限。
在一个优选例中,该预设的权函数表示如下:
本申请还公开了一种卫星完好性监测设备,包括:
存储器,用于存储计算机可执行指令;以及,
处理器,用于在执行该计算机可执行指令时实现如前文描述的方法中的步骤。
本申请还公开了一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令,该计算机可执行指令被处理器执行时实现如前文描述的方法中的步骤。
本申请实施方式中,在GNSS接收机在接收卫星复杂的情况下,完成对于卫星的完好性的判断,同时在保证接收卫星数量的基础上将接收质量较差或存在粗差的卫星进行合理剔除,保证在整个定位过程中的卫星数据质量,避免在进行卡尔曼滤波的过程中,出现发散的问题,本发明提出的卫星完好性监测方法,可以有效提高卫星的利用率并提高后处理的计算的精度。
针对传统的卫星完好性监测方法,通过删除一颗卫星伪距观测数据,用剩余的卫星观测数据进行单点定位,记录此时的单位权中误差,单位权中误差最小时对应的那颗删除的卫星即为故障卫星,这种故障识别方法只适应于只有一颗卫星故障的前提下,如果故障卫星有两颗以上,那么即使删除一颗卫星,定点定位结果依然很差,因此识别不出故障卫星;而本申请可以在故障卫星为一颗以上的时候,可以通过引入抗差估计方法和选权迭代策略相结合进行卫星完好性监测和故障卫星的剔除。
原来的完好性监测方法需要进行循环的计算,计算过程繁琐且计算结果不是特别准确,本算法不仅有效的提高了计算效率和还可以保证计算结果的正确率。
本申请的说明书中记载了大量的技术特征,分布在各个技术方案中,如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话,会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题,本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征,都可以自由地互相组合,从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载),除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如,在一个例子中公开了特征A+B+C,在另一个例子中公开了特征A+B+D+E,而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段,技术上只要择一使用即可,不可能同时采用,特征E技术上可以与特征C相组合,则,A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载,而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。
附图说明
图1是根据本申请第一实施方式的卫星完好性监测方法流程示意图
图2是根据本申请第二实施方式的卫星完好性监测系统结构示意图
具体实施方式
在以下的叙述中,为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是,本领域的普通技术人员可以理解,即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改,也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
部分概念的说明:
选权迭代:选权迭代法就是在平差的过程中根据前一次迭代的结果对观测值进行重新定权、重新平差,直至结果收敛为止。
完好性:完好性是指当系统不能用于正常导航、定位,或系统误差超限时,向用户提供及时告警的能力。
单位权中误差:权等于1的观测值成为单位权观测值。权等于1的观测值方差成为单位权方差。权等于1的观测值中误差称为单位权中误差。
抗差估计:抗差估计(Robust Estimation),实际是在粗差不可避免的情况下,选择适当的估计方法使未知量估值尽可能减免粗差的影响,得出正常模式下的最佳估值。抗差估计应具备两大特点:一是它能消除和削弱粗差对参数估值的影响。二是它基本上具备经典估计的一些优良特性。前者是主要的,因为一个不可靠的估计量很难保证其估值是有效的。有两种方式排除粗差对估值的干扰。一种是完全排除一部分可疑的观测值。另一种只是对一些观测值加以限制,削弱它们对估值影响的程度。后者在排除粗差方面比前者要缓和一些,其目的是避免损失一些还可以利用的信息。鉴别粗差的方法有多种,基本上都是根据残差绝对值的大小来判定。因此在处理粗差之前,要事先对观测数据进行“前期”平差计算来获得残差。为了通过残差正确地发现粗差,要求寻找一种抗差能力很强的平差模型。前期平差的目的是获得可靠的残差,并不十分强调估值的效率。
单点定位:采用单台GNSS接收机,利用国际GNSS服务组织(International GNSSService,IGS)提供的精密星历和卫星钟差,基于载波相位观测值可实现毫米至分米级高精度定位。
单位权:权重是针对某一指标而言。某一指标的权重是指该指标在整体评价中的相对重要程度;在等精度测量中,具有同一方差的单次测得值的权数为1,将等于1的权特称为单位权;非等精度测量数据精度不同因而不便利用算术平均去综合得到最终结果,此时可采用单位权化方法对每一非等精度结果加权。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
本申请的第一实施方式涉及一种卫星完好性监测方法,其流程如图1所示,该方法包括以下步骤:
101:根据卫星接收机接收到的卫星信号计算每颗卫星的观测值;
102:根据该每颗卫星的观测值建立每颗卫星的观测方程;
103:通过迭代方式根据该观测方程计算各个观测值残差,其中,将每次迭代所得的观测值残差带入预设的权函数,求得用于下次迭代的权重,以便在该下次迭代中根据该权重重新计算各个观测值残差;
104:该迭代结束后,将大于预设阈值的观测值残差所对应的卫星判定为故障卫星。
注:本申请涉及的方法步骤是针对n颗卫星所一一对应的n观测值残差同时进行计算的。
可选地,本申请执行一次101~105的步骤是基于同一个观测历元的观测值,如果该观测历元执行结束,则可以进入对下一个观测历元的观测值继续执行101~105的步骤。
可选地,本申请中卫星接收机可以是全球导航卫星系统接收机。
可选地,如图1所示,本申请第一实施方式涉及的方法还可以包括以下步骤:
105:对故障卫星进行标记并将其从其他计算过程中剔除。
可选地,本申请是利用全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem,简称:GNSS)接收机输出的高精度卫星导航定位信息,利用每个历元输出的卫星信息进行完好性的监测,假设基站接收机接收了n颗卫星的观测值,单颗卫星r的伪距观测方程采用伪距观测量作为基本输入:
上式中各参数含义如下:
c:光速(m/s);
λ:卫星导航信号载波波长(m);
f:卫星导航信号载波频率(Hz);
δtA(ti):ti时刻接收机钟差(s);
δtr(ti):ti时刻导航卫星r的卫星钟差(s);
伪距观测方程可记为:
Lρ=BX+Vρ ②
上式中各参数含义如下:
X:待求解的未知数(基站坐标x、y、z和接收机钟差);
Lρ:观测伪距与近似计算伪距的差值;
B:系数矩阵;
Vρ:伪距残差向量;
根据最小二乘原理,方程的解为:X=(BTPB)-1BTPL ③
由于VTPV综合反映了观测伪距误差信息,因此可以用其作为观测故障的检测量。
其中表示所述验后单位权方差,V代表观测值残差,P代表观测值向量的观测伪距权矩阵,n代表参与计算的观测值个数(假设基站接收机接收了n颗卫星的观测值都参与计算),T代表矩阵转置。
可选地,该迭代的首次迭代是将单位权和单点定位的结果带入观测方程②,计算得到各个观测值残差V(i),其中,第i颗卫星对应的观测值残差为V(i)。
可选地,本申请的迭代结束的条件是可以根据情况修改的。迭代结束的条件可以是:迭代次数大于预定次数,或者前后相邻两次迭代解算出的所有观测值残差变化都小于预定门限,其中,预定次数和预定门限的设定是可以通过设置改变的,本申请中迭代结束的条件一个实施例是:迭代次数大于5次,或者前后相邻两次迭代解算出的所有观测值残差变化都小于0.05mm。
本申请最终计算得到较准确的观测值残差V(i),本申请将V(i)大于预设阈值所对应的卫星判定为故障卫星,可选地,预设阈值是可以根据情况改变的,本申请的预设阈值一个实施例是:预设阈值为3σ,如果V(i)大于3σ,则认为第i颗卫星为故障卫星,其中,V代表观测值残差,P代表观测值向量的观测伪距权矩阵,n代表参与计算的观测值个数,T代表矩阵转置;其中,V(i):第i颗卫星对应的观测值残差为V(i)。
可选地,预设的权函数是可以根据情况改变的,本申请迭代过程中选权过程就是“将每次迭代所得的观测值残差带入此预设的权函数来得到下次迭代的权重”,本申请预设的权函数一个实施例如下:
本申请的第二实施方式涉及一种卫星完好性监测系统,如图2所示,此系统包括单点定位模块、观测方程确定模块、观测值残差确定模块和故障卫星确定模块。其中,
单点定位模块,用于根据卫星的伪距观测值进行单点定位;
观测方程确定模块,用于根据卫星接收机接收到的卫星信号计算每颗卫星的观测值和根据该每颗卫星的观测值建立每颗卫星的观测方程;
观测值残差确定模块,通过迭代方式根据该观测方程计算各个观测值残差,其中,将每次迭代所得的观测值残差带入预设的权函数,求得用于下次迭代的权重,以便在该下次迭代中根据该权重重新计算各个观测值残差;
故障卫星确定模块,用于在该迭代结束后,将大于预设阈值的观测值残差所对应的卫星判定为故障卫星。
注:本申请涉及的方法步骤是针对n颗卫星所一一对应的n观测值残差同时进行计算的。
可选地,如图2所示,本申请还包括故障卫星剔除模块,此故障卫星剔除模块用于对所述故障卫星进行标记并将其从其他计算过程中剔除。
可选地,本申请是利用全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem,简称:GNSS)接收机输出的高精度卫星导航定位信息,利用每个历元输出的卫星信息进行完好性的监测,假设基站接收机接收了n颗卫星的观测值,单颗卫星r的伪距观测方程采用伪距观测量作为基本输入:
①式中各参数含义如下:
c:光速(m/s);
λ:卫星导航信号载波波长(m);
f:卫星导航信号载波频率(Hz);
δtA(ti):ti时刻接收机钟差(s);
δtr(ti):ti时刻导航卫星r的卫星钟差(s);
伪距观测方程可记为:
Lρ=BX+Vρ ②
②式中各参数含义如下:
X:待求解的未知数(基站坐标x、y、z和接收机钟差);
Lρ:观测伪距与近似计算伪距的差值;
B:系数矩阵;
Vρ:伪距残差向量;
根据最小二乘原理,方程的解为:X=(BTPB)-1BTPL ③
由于VTPV综合反映了观测伪距误差信息,因此可以用其作为观测故障的检测量。
其中表示所述验后单位权方差,V代表观测值残差,P代表观测值向量的观测伪距权矩阵,n代表参与计算的观测值个数,T代表矩阵转置。
可选地,本申请的观测值残差确定模块具体可以包括观测值残差确定子模块和抗差估计迭代子模块;其中,抗差估计迭代子模块用于反复迭代,直到达到迭代结束的条件,观测值残差确定子模块用于利用抗差估计迭代子模块的计算结果对观测值的残差进行调整。
可选地,迭代的首次迭代是将单位权和单点定位的结果带入观测方程②,计算各个观测值残差V(i),其中,第i颗卫星对应的观测值残差为V(i)。
可选地,迭代结束的条件是可以根据情况修改的。迭代结束的条件可以是:迭代次数大于预定次数,或者前后相邻两次迭代解算出的每颗卫星所对应的观测值残差变化都小于预定门限,其中,预定次数和预定门限的设定是可以通过设置改变的,本申请中迭代结束的条件的一个实施例是:迭代次数大于5次,或者前后相邻两次迭代解算出的所有观测值残差变化都小于0.05mm。
本申请最终计算得到较准确的观测值残差V(i),本申请将V(i)大于预设阈值所对应的卫星判定为故障卫星,可选地,预设阈值是可以根据情况改变的,本申请中预设阈值一个实施例是:如果V(i)大于3σ,则认为第i颗卫星为故障卫星,其中,V代表观测值残差,P代表观测值向量的观测伪距权矩阵,n代表参与计算的观测值个数,T代表矩阵转置。其中,V(i):第i颗卫星对应的观测值残差为V(i)。
可选地,预设的权函数是可以根据情况改变的,本申请迭代过程中选权过程就是“将每次迭代所得的观测值残差带入此预设的权函数来得到下次迭代的权重”,本申请中预设的权函数的一个实施例如下:
需要说明的是,本领域技术人员应当理解,上述卫星完好性监测系统的实施方式中所示的各模块的实现功能可参照前述卫星完好性监测系统的相关描述而理解。上述卫星完好性监测系统的实施方式中所示的各模块的功能可通过运行于处理器上的程序(可执行指令)而实现,也可通过具体的逻辑电路而实现。本发明实施例上述卫星完好性监测系统如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样,本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
相应地,本发明实施例还提供一种计算机存储介质,其中存储有计算机可执行指令,该计算机可执行指令被处理器执行时实现本发明的各方法实施方式。
此外,本发明实施例还提供一种卫星完好性监测设备,其中包括用于存储计算机可执行指令的存储器,以及,处理器;该处理器用于在执行该存储器中的计算机可执行指令时实现上述各方法实施方式中的步骤。
需要说明的是,在本专利的申请文件中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中,如果提到根据某要素执行某行为,则是指至少根据该要素执行该行为的意思,其中包括了两种情况:仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中,以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解,在阅读了本申请的上述公开内容之后,本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。
Claims (8)
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述迭代的首次迭代是将单位权和单点定位的结果带入观测方程,计算得到各个观测值残差;
所述迭代结束的条件为:迭代次数大于预定次数,或者前后相邻两次迭代解算出的所有观测值残差变化都小于预定门限。
5.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述迭代的首次迭代是将单位权和单点定位的结果带入观测方程,计算各个观测值残差;
所述迭代结束的条件为:迭代次数大于预定次数,或者前后相邻两次迭代解算出的所有观测值残差变化都小于预定门限。
7.一种卫星完好性监测设备,其特征在于,包括:
存储器,用于存储计算机可执行指令;以及,
处理器,用于在执行所述计算机可执行指令时实现如权利要求1至3中任意一项所述的方法中的步骤。
8.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令,所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1至3中任意一项所述的方法中的步骤。
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