CN111175789B - 地基增强系统的电离层异常监测方法、装置以及系统 - Google Patents

地基增强系统的电离层异常监测方法、装置以及系统 Download PDF

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CN111175789B CN202010045376.XA CN202010045376A CN111175789B CN 111175789 B CN111175789 B CN 111175789B CN 202010045376 A CN202010045376 A CN 202010045376A CN 111175789 B CN111175789 B CN 111175789B
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Abstract

本发明提供一种地基增强系统的电离层异常监测方法、装置以及系统，该方法包括：接收各导航卫星的测量信息；对每一导航卫星的测量信息进行预处理；将每一导航卫星的测量信息的Jensen‑Renyi散度度量作为概率分布估计的成本函数，使用拟牛顿法进行迭代计算，估计出每一导航卫星的测量信息的概率分布；对预处理后的每一导航卫星的测量信息中的码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息，分别对应按双积分高斯‑马尔科夫过程以及双积分布朗运动过程建模，得到离散时间状态方程，并根据每一导航卫星的测量信息的概率分布以及离散时间状态方程，利用非线性估计方法获得电离层延迟的估计矩阵；对电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值，监测电离层是否发生异常。本发明能提高离层异常监测的精准度。

Description

地基增强系统的电离层异常监测方法、装置以及系统
技术领域
本发明涉及GBAS技术领域，尤其涉及一种地基增强系统的电离层异常监测方法、装置以及系统。
背景技术
以卫星导航为代表的全球卫星导航系统，以全天候、自动化等显著优势应用于各领域。但由于广播星历固有的特性，并不能完全满足航空等特殊行业的需求，为满足各飞行阶段所需定位精度、完好性、连续性和可用性等导航性能要求，航空导航领域引入了包括地基增强系统(GBAS)等卫星导航增强系统。导航卫星发射的无线电信号在穿越电离层时，会产生与电子总量及电磁波频率相关的距离误差、载波相位比自由空间的速度超前、多普勒频移的误差、射频脉冲畸变、信号振幅衰减及突跃、相位闪烁等不利影响，造成GBAS系统无法区分星载故障，威胁GBAS的性能。GBAS系统需要具备检测电离层威胁的技术，保障航空器飞行安全。
目前，由于国际民航组织标准规定，GBAS系统使用单频伪距差分定位技术，其地面站使用码伪距测量，其测量噪声远大于载波相位测量的，但不存在整周模糊度问题，无需初始化，解算时间较短，准确度比较高；同时使用载波相位测量对码伪距测量进行平滑。现有的电离层异常检测通常采用多接收机配对或双频方式。例如，公开号为CN106226785B的中国发明专利，公开了“电离层异常监测模型建立方法和装置”，其通过预设区域内目标参考站对的电离层梯度统计，实现电离层异常监测。此种方法存在缺陷，需要通过安装在地理位置间隔较大的参考接收机配对进行处理，并且不能缓解错误测量引起的异常，需要人工进行筛选，判断是否由真实的电离层事件引起。公开号为CN107015245B的中国发明专利，公开了“电离层活跃程度的监测方法及系统、定位终端、存储器”，公开了根据预设规则选择卫星的载波相位的两个频率计算电离层变化率，实现电离层活跃度监测。此种方法存在缺陷，需要同时处理两个频率上的测量，而按照国际民航组织标准规定，GBAS系统的机载子系统、地面站均使用单频检测方式，因此不适用于GBAS系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种地基增强系统的电离层异常监测方法、装置以及系统，以提高电离层异常监测的精准度。
一方面，本发明提供一种地基增强系统的电离层异常监测方法，包括：
接收各导航卫星的测量信息，所述测量信息包括码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息等；并根据预设的预处理算法，对每一导航卫星的测量信息进行预处理；
将每一导航卫星的测量信息的Jensen-Renyi散度度量作为概率分布估计的成本函数，使用拟牛顿法进行迭代计算，估计出每一导航卫星的测量信息的概率分布；
对预处理后的每一导航卫星的测量信息中的码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息，分别对应按双积分高斯-马尔科夫过程以及双积分布朗运动过程建模，得到离散时间状态方程，并根据每一导航卫星的测量信息的概率分布以及离散时间状态方程，利用非线性估计方法获得电离层延迟的估计矩阵；
对所述电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值，并根据所述延迟累积值监测所述电离层是否发生异常。
进一步地，将每一导航卫星的测量信息的Jensen-Renyi散度度量作为概率分布估计的成本函数，使用拟牛顿法进行迭代计算，估计出每一导航卫星的测量信息的概率分布的步骤，包括：
根据公式JRω(P1，…，PN)＝H2(∑ωiPi)-∑ωiH2(Pi)进行Jensen-Renyi散度最小化的拟牛顿方法估计预处理后的每一导航卫星的测量信息的概率分布；
其中，ωi表示概率分布Pi的权重；H2(X)表示阶数为2的Renyi熵，概率密度函数为Pi的随机变量X其2阶Renyi熵为公式
Figure BDA0002369188660000021
JRω(P1，…，PN)表示概率之间Jensen-Renyi散度估计。
对预处理后的每一导航卫星的测量信息中的码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息，分别对应按双积分高斯-马尔科夫过程以及双积分布朗运动过程建模，得到离散时间状态方程，并根据每一导航卫星的测量信息的概率分布以及离散时间状态方程，利用非线性估计方法获得电离层延迟的估计矩阵的步骤，包括：
所述离散时间状态方程分别为公式x(n+1)＝Φx(n)+Γu(n)以及公式z(n)＝Ψx(n)+v(n)；
其中，
Figure BDA0002369188660000031
Figure BDA0002369188660000032
Figure BDA0002369188660000033
Ψ＝[0.5 -0.5]
Figure BDA0002369188660000034
Figure BDA0002369188660000035
其中，x(n+1)为非线性滤波函数，z(n)为电离层延迟估计矩阵。
进一步地，对所述电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值，并根据所述延迟累积值监测所述电离层是否发生异常的步骤包括：
根据公式d(n+1)＝mαx{0，d(n)+Δρ(n)-THD}，对所述电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值d(n+1)，并在延迟累积值d(n+1)大于零时，确定电离层发生异常。
进一步地，根据预设的预处理算法，对每一导航卫星的测量信息进行预处理的步骤，包括：
对每一导航卫星的测量信息中两个相邻数据点的变化幅度，进行跳变检测，删除跳变的数据点；
将采样时间间隔大于采样测量周期之间的数据点作为一段时间内的连续测量，建立不同的测量子集；
删除测量持续时间小于预设时长的测量子集；
对保留的测量子集使用数据驱动的曲线拟合方法进行处理；
对拟合处理后的测量子集使用分段匹配法和趋势及残差因素法进行异常检测；
将通过异常检测后的连续弧段根据公式
Figure BDA0002369188660000041
建立点集，得到预处理后的每一导航卫星的测量信息；
其中，
Figure BDA0002369188660000042
表示第i个点集第k颗导航卫星的第n个码伪距测量；
Figure BDA0002369188660000043
表示第i个点集第k颗导航卫星的第n个载波相位伪距测量。
另一方面，本发明还提供一种地基增强系统的电离层异常监测装置，包括：
预处理单元，用于接收各导航卫星的测量信息，所述测量信息包括码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息；并根据预设的预处理算法，对每一导航卫星的测量信息进行预处理；
概率分布计算单元，用于将每一导航卫星的测量信息的Jensen-Renyi散度度量作为概率分布估计的成本函数，使用拟牛顿法进行迭代计算，估计出每一导航卫星的测量信息的概率分布；
电离层延迟计算单元，用于对预处理后的每一导航卫星的测量信息中的码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息，分别对应按双积分高斯-马尔科夫过程以及双积分布朗运动过程建模，得到离散时间状态方程，并根据每一导航卫星的测量信息的概率分布以及离散时间状态方程，利用非线性估计方法获得电离层延迟的估计矩阵；
电离层异常监测单元，用于对所述电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值，并根据所述延迟累积值监测所述电离层是否发生异常。
进一步地，所述概率分布计算单元具体用于：
根据公式JRω(P1，…，PN)＝H2(∑ωiPi)-∑ωiH2(Pi)进行Jensen-Renyi散度最小化的拟牛顿方法估计预处理后的每一导航卫星的测量信息的概率分布；
其中，ωi表示概率分布Pi的权重；H2(X)表示阶数为2的Renyi熵，概率密度函数为Pi的随机变量X的2阶Renyi熵为公式
Figure BDA0002369188660000044
JRω(P1，…，PN)表示概率之间Jensen-Renyi散度估计。
进一步地，所述电离层延迟计算单元具体用于：建立离散时间状态方程分别为公式x(n+1)＝Φx(n)+Γu(n)以及公式z(n)＝Ψx(n)+v(n)；
其中，
Figure BDA0002369188660000051
Figure BDA0002369188660000052
Figure BDA0002369188660000053
Ψ＝[0.5 -0.5]
Figure BDA0002369188660000054
Figure BDA0002369188660000055
其中，x(n+1)为非线性滤波函数，z(n)为电离层延迟估计矩阵。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有程序，所述程序包括用于执行上述地基增强系统的电离层异常监测方法的指令。
本发明还提供一种地基增强系统的电离层异常监测系统，包括：卫星接收机、导航卫星测量单元、至少两个光终端以及上述的地基增强系统的电离层异常监测系装置，所述卫星接收机、导航卫星测量单元、至少两个光终端以及电离层异常监测系统依次连接。
本发明地基增强系统的电离层异常监测方法、装置与系统，通过采样双积分高斯-马尔科夫过程、双积分布朗运动过程分别对码伪距和载波相位伪距进行动态建模，有效消除了线性模型不能刻画导航卫星信号传播过程中非线性特征的缺陷，同时采用Jensen-Renyi散度度量，可方便地根据其梯度，使用拟牛顿方法搜索测量点集概率分布，从而使概率分布估计不受点集大小影响，克服了缺失或虚假特征存在的点集的不利影响，降低了检测的虚警率，提高了电离层异常检测的精准度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为根据本发明示例性第一实施例的地基增强系统的电离层异常监测方法的流程图；
图2为根据本发明示例性第二实施例的地基增强系统的电离层异常监测方法中预处理的流程图；
图3为根据本发明示例性导航卫星的测量数据编码示意图；
图4为根据本发明示例性第三实施例的地基增强装置的电离层异常监测方法的流程图；
图5为根据本发明示例性第四实施例的地基增强装置的电离层异常监测系统的结构框图，为方便理解，图5中还示出了地基增强系统的电离层异常监测系统中的卫星接收机、导航卫星测量单元以及光终端等；
图6为根据本发明示例性第五实施例的地基增强系统的电离层异常监测系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
如图1所示，本发明一种地基增强系统的电离层异常监测方法，包括：
步骤101：接收各导航卫星的测量信息,所述测量信息包括码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息。
步骤102：根据预设的预处理算法,对每一导航卫星的测量信息进行预处理。
步骤103：判断预处理是否完成，若预处理完成则执行步骤104，否则回到步骤102。
步骤104：进行概率分布估计，具体将每一导航卫星的测量信息的Jensen-Renyi散度度量作为概率分布估计的成本函数，使用拟牛顿法进行迭代计算，估计出每一导航卫星的测量信息的概率分布。
步骤105：进行模型化处理，具体为对预处理后的每一导航卫星的测量信息中的码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息，分别对应按双积分高斯-马尔科夫过程以及双积分布朗运动过程建模，得到离散时间状态方程；
步骤106：进行电离层威胁估计，具体为根据每一导航卫星的测量信息的概率分布以及离散时间状态方程，利用非线性估计方法获得电离层延迟的估计矩阵；对所述电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值，并根据所述延迟累积值监测所述电离层是否发生异常。
本实施例通过采样双积分高斯-马尔科夫过程、双积分布朗运动过程分别对码伪距和载波相位伪距进行动态建模，有效消除了线性模型不能刻画导航卫星信号传播过程中非线性特征的缺陷，同时采用Jensen-Renyi散度度量，可方便地根据其梯度，使用快速牛顿法(即拟牛顿方法)搜索测量点集概率分布，从而使概率分布估计不受点集大小影响，克服了缺失或虚假特征存在的点集的不利影响，降低了检测的虚警率，提高了电离层异常检测的精准度。
图2提供了本发明示例性第二实施例的地基增强系统的电离层异常监测方法中预处理的流程图，包括：
步骤201，接收每个导航卫星测量单元传输的测量数据。测量数据的编码格式可以如图3所示。具体为：
报文由报文头、报文长度、站识别、时间戳、测量数据、CRC校验字段构成。报文头为8比特长度字段，用于同步检测，固定值为“1101 0011”；报文长度为10比特长度字段，记录传输数据的长度；站识别为12比特长度字段，记录每个导航卫星测量单元识别码；时间戳为17比特长度字段，记录进行伪距测量的时间，以秒为单位；测量数据为0～1023字节长度字段，记录测量的数据；CRC校验为24比特长度字段，使用CRC-24校验方法对测量数据字段生成24比特校验码。测量数据字段中，每个数据块长度为88比特。每个数据块由6比特长度的卫星识别信号字段、3比特长度的信号指示字段、24比特长度的码伪距字段、24比特长度的载波相位伪距字段、7比特长度的信噪比字段、12比特长度的导航卫星仰角字段、12比特长度的导航卫星方位字段构成。
步骤202，接收到用于对各导航卫星进行测量的每个导航卫星测量单元传输的测量数据后，对其进行解码，获得该导航卫星测量单元可见范围内所选导航卫星的码伪距测量、载波相位伪距测量、方位、仰角、测量时间等观测量。
步骤203，判断卫星是否可见，确定可见则执行步骤204，确定不可见，则执行步骤207。
步骤204，在确定卫星可见时，进一步判断是否为新卫星。由于观测仰角很小时，无法保证观测精度，在接收测量数据后，进行导航卫星可见性指标度量，判断是否对其相关数据进行后续处理。
步骤205，若确定为新卫星时，新建新卫星的记录。
步骤206，若确定不为新卫星时，插入测量记录。
步骤207，若确定不可见时，删除卫星记录。
步骤208，对每颗可见导航卫星，根据载波观测产生的两个相邻数据点变化，进行跳变检测，存在跳变的点予以删除；
步骤209，检测观测数据的连续性，删除较短的连续弧段，对较长的连续弧段使用曲线拟合方法进行处理；
即，将采样时间间隔大于采样测量周期之间的数据点作为一段时间内的连续测量，建立不同的测量子集，删除测量持续时间小于预定时长(如2分钟)的测量子集，根据连续时间段内相邻观测量聚类分析及学习，对该时间段内的观测信息进行拟合(即数据驱动的曲线拟合方法)；
步骤210，对拟合的连续弧段分别使用分段匹配法和趋势及残差因素法进行异常检测，对无异常存在的测量数据予以保留，即根据预先建立的不同观测仰角区间范围及其对应的显著性水平置信区间查询表，将测量子集中的测量信息按查询表所设范围进行分段，计算绝对中位差，并结合各分段的趋势和残差偏离程度实现测量信息异常检测。
本实施例通过采样双积分高斯-马尔科夫过程、双积分布朗运动过程分别对码伪距和载波相位伪距进行动态建模，有效消除了线性模型不能刻画导航卫星信号传播过程中非线性特征的缺陷，同时采用Jensen-Renyi散度度量，可方便地根据其梯度，使用快速牛顿法(即拟牛顿方法)搜索测量点集概率分布，从而使概率分布估计不受点集大小影响，克服了缺失或虚假特征存在的点集的不利影响，将估计的概率分布用于计算垂直保护级，克服了需要使用经验因子对概率分布尾拖进行放大的缺点，降低了检测的虚警率，提高了电离层异常检测的精准度。
如图4所示，本发明示例性第三实施例的地基增强系统的电离层异常监测方法的流程图，本实施例为图1所示实施例的优选实施方式，图1-图3所示实施例的解释说明可以应用于本实施例，该地基增强系统的电离层异常监测方法包括：
步骤401：中央处理单元更新导航卫星观测量后，对拟合的每个连续弧段，按公式1建立点集；然后对每个点集计算导航卫星k的重心
Figure BDA0002369188660000091
和协方差
Figure BDA0002369188660000092
Figure BDA0002369188660000093
其中，
Figure BDA0002369188660000094
表示第i个点集第k颗导航卫星的第n个码伪距测量；
Figure BDA0002369188660000095
表示第i个点集第k颗导航卫星的第n个载波相位伪距测量。
步骤402，计算Jensen-Renyi梯度。具体根据公式2进行相对于均值的梯度计算，方差参数根据剩余的参数更新
Figure BDA0002369188660000096
其中，μi表示第i个概率分布的均值。
步骤403，计算Jensen-Renyi散度。具体根据公式3最小化优化，使用拟牛顿法估计概率
JRω(P1，…，PN)＝H2(∑ωiPi)-∑ωiH2(Pi) (公式3)
其中，ωi表示概率分布Pi的权重；H2(X)表示阶数为2的Renyi熵；概率密度函数为Pi的随机变量X其2阶Renyi熵为公式
Figure BDA0002369188660000097
其量化了测量的随机性；JRω(P1，…，PN)表示概率之间Jensen-Renyi散度估计，即两个概率分布之间的差异度量。
步骤404，使用拟牛顿法估计概率，判断散度是否最小化，若散度未达到最小化，则返回步骤402，更新Jensen-Renyi梯度。
步骤405，若散度最小化，则得到预测的概率分布。
步骤406，计算滤波后的概率分布；
步骤407，对预处理后的每一导航卫星的测量信息中的码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息，分别对应按双积分高斯-马尔科夫过程以及双积分布朗运动过程建模，得到离散时间状态方程。
步骤408，使用Jensen-Renyi散度的概率分布和状态方程对测量值进行电离层延迟估计。
具体地，将码伪距测量按双积分高斯-马尔科夫过程、载波相位伪距测量按双积分布朗运动过程建模，建立离散时间状态方程公式(4)及公式(5)，使用非线性滤波方法估计x(n+1)，获得电离层延迟z(n)估计；
x(n+1)＝Φx(n)+Tu(n) (公式4)
z(n)＝Ψx(n)+v(n) (公式5)
其中，
Figure BDA0002369188660000101
Figure BDA0002369188660000102
Figure BDA0002369188660000111
Ψ＝[0.5 -0.5]
Figure BDA0002369188660000112
Figure BDA0002369188660000113
步骤409，进行电离层延迟估计的累积计算；
具体地，根据公式(6)判断是否检测到电离层威胁，结果大于零即表示存在的电离层威胁超过系统容差要求。
d(n+1)＝max{0，d(n)+Δρ(n)-THD} (公式6)
其中，THD表示设置的阀值，可根据运行使用的精密进近类型和漏检概率要求确定。
步骤410，判断累积计算的结果d(n+1)是否大于0。
步骤411，累积计算的结果d(n+1)大于0时，则表征检测到电离层威胁。
步骤411，累积计算的结果小于或等于0时，则表征未检测到电离层威胁。
本实施例直接利用GBAS系统现有架构下远端卫星测量单元的码伪距测量值和载波相位伪距测量值，克服现有技术中电离层异常检测过程中结构复杂，检测时间长，只辨识相对特征，对有缺失或虚假特征存在测量值缺乏健壮性，不能适应不同大小采样点集的问题，并提供采样点数据集密度概率分布之间Jensen-Renyi散度测量，提高电离层异常检测的精准度。
图5为根据本发明示例性第四实施例的地基增强系统的电离层异常监测装置的结构框图，为方便理解，图5中还示出了地基增强系统的电离层异常监测系统中的卫星接收机、导航卫星测量单元以及光终端等。图1-图4所示实施例的解释说明可以应用于本实施例。如图5所示，电离层异常监测装置包括：
预处理单元，用于接收各导航卫星的测量信息，所述测量信息包括码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息；并根据预设的预处理算法，对每一导航卫星的测量信息进行预处理；
概率分布计算单元，用于将每一导航卫星的测量信息的Jensen-Renyi散度度量作为概率分布估计的成本函数，使用拟牛顿法进行迭代计算，估计出每一导航卫星的测量信息的概率分布；
电离层延迟计算单元，用于对预处理后的每一导航卫星的测量信息中的码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息，分别对应按双积分高斯-马尔科夫过程以及双积分布朗运动过程建模，得到离散时间状态方程，并根据每一导航卫星的测量信息的概率分布以及离散时间状态方程，利用非线性估计方法获得电离层延迟的估计矩阵；
电离层异常监测单元，用于对所述电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值，并根据所述延迟累积值监测所述电离层是否发生异常。
优选地，所述概率分布计算单元具体用于：根据公式(3)进行Jensen-Renyi散度最小化的拟牛顿方法估计预处理后的每一导航卫星的测量信息的概率分布。
优选地，所述电离层延迟计算单元503的具体功能详见步骤407以及步骤408的解释说明。
具体操作时，GBAS系统电离层威胁检测方法和装置包括导航卫星测量单元、中央处理单元和光终端。导航卫星测量单元可部署2～6部，任意两个单元之间间距不小于100米。导航卫星测量单元根据控制信号，完成初始化配置后，通过GNSS天线接收GNSS卫星空间信号，对配置频率上处于天线可见范围的GNSS卫星进行码伪距测量和载波相位伪距测量，所获得的每颗可见GNSS卫星的测量值按图3进行编码，然后将其传输到发送端的光终端。导航卫星测量单元测量的码伪距、载波相位伪距标记时间戳、测量单元识别后传输到发送端的光终端，经多模或单模光纤传输到接收端的光终端，导航卫星测量单元、中央处理单元与光终端之间可以通过RJ-45、RS-232或RS-485标准接口连接。中央处理单元从接收端光终端接收到信号，利用预处理、模型化、概率分布估计、电离层威胁评估模块对接收的测量值进行处理。进而通过，实现电离层威胁检测。
图6为根据本发明示例性第五实施例的地基增强系统的电离层异常监测系统的结构框图。如图6所示，地基增强系统的电离层异常监测系统包括导航卫星测量单元和中央处理单元，导航卫星测量单元与中央处理单元之间由光纤连接，导航卫星测量单元将测量值通过光纤传输到中央处理单元，中央处理单元对接收到的测量值进行处理，实现电离层异常影响检测。
其中，导航卫星测量单元通过天线接收的空间信号，对可视范围内的每颗导航卫星进行伪距测量。导航卫星测量单元可根据GBAS系统配置，完成导航卫星单频上码伪距和载波相位伪距的测量，并将测量结果传输到中央处理单元。中央处理单元对每个导航卫星测量单元传输的测量数据按方位角、仰角进行排序；对每颗导航卫星没有发生跳变的连续观测弧段，根据同一导航卫星测量单元的测量值估计电离层威胁。中央处理单元分别对码伪距按双积分高斯-马尔科夫过程、载波相位伪距按双积分布朗运动建立动态模型。中央处理单元计算测量采样点数据集概率分布之间Jensen-Renyi散度度量。
继续参见图6，导航卫星测量单元由RS-232接口1、RS-232接口2、FPGA构成，RS-232接口1与GBAS卫星接收机的输出端口和控制端口连接，将GBAS卫星接收机测量的伪距、秒脉冲等输入到FPGA的数据接收模块，然后由FPGA中的编码模块、传输模块将测量数据编码后通过RS-232接口2传输到光终端1。FPGA中集成的RISC处理器完成各模块的控制。中央处理单元由预处理模块、概率分布估计模块、模型化模块和电离层威胁评估模块构成，使用非暂态计算机可读存储介质存储；GBAS地面站的控制器管理中央处理单元的调用，中央处理单元被调用后，预处理模块接收到通信端口接收导航卫星测量单元传输的数据，按照预定义编码格式进行解码，对解码的数据进行预处理；概率分布估计模块使用Jensen-Renyi散度最小化的准牛顿方法估计测量值的概率分布；模型化模块利用测量数据的概率分布估计，结合状态方程，利用非线性估计方法获得电离层延迟的估计；电离层威胁评估模块利用公式5所示的电离层延迟的累积量、预定义阀值检测电离层威胁，判断是否存在达到标准规定大小的电离层威胁。
本实施例地基增强系统的电离层异常监测系统具有上述电离层异常监测系统相应的技术效果，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种地基增强系统的电离层异常监测方法，其特征在于，包括：
接收各导航卫星的测量信息,所述测量信息包括码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息；并根据预设的预处理算法,对每一导航卫星的测量信息进行预处理；
将每一导航卫星的测量信息的Jensen-Renyi散度度量作为概率分布估计的成本函数，使用拟牛顿法进行迭代计算，估计出每一导航卫星的测量信息的概率分布；
对预处理后的每一导航卫星的测量信息中的码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息，分别对应按双积分高斯-马尔科夫过程以及双积分布朗运动过程建模，得到离散时间状态方程，并根据每一导航卫星的测量信息的概率分布以及离散时间状态方程，利用非线性估计方法获得电离层延迟的估计矩阵；
对所述电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值，并根据所述延迟累积值监测所述电离层是否发生异常。
2.根据权利要求1所述的地基增强系统的电离层异常监测方法，其特征在于，将每一导航卫星的测量信息的Jensen-Renyi散度度量作为概率分布估计的成本函数，使用拟牛顿法进行迭代计算，估计出每一导航卫星的测量信息的概率分布的步骤，包括：
根据公式JRω(P1，…，PN)＝H2(∑ωiPi)-∑ωiH2(Pi)进行Jensen-Renyi散度最小化的拟牛顿方法；估计预处理后的每一导航卫星的测量信息的概率分布；
其中，ωi表示概率分布Pi的权重；H2(X)表示阶数为2的Renyi熵；概率密度函数为Pi的随机变量X的2阶Renyi熵为公式
Figure FDA0002369188650000011
JRω(P1，…，PN)表示概率之间Jensen-Renyi散度估计。
3.根据权利要求2所述的地基增强系统的电离层异常监测方法，其特征在于，对预处理后的每一导航卫星的测量信息中的码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息，分别对应按双积分高斯-马尔科夫过程以及双积分布朗运动过程建模，得到离散时间状态方程，并根据每一导航卫星的测量信息的概率分布以及离散时间状态方程，利用非线性估计方法获得电离层延迟的估计矩阵的步骤，包括：
所述离散时间状态方程分别为公式x(n+1)＝Φx(n)+Γu(n)以及公式z(n)＝Ψx(n)+v(n)；
其中，
Figure FDA0002369188650000021
Figure FDA0002369188650000022
Figure FDA0002369188650000023
Ψ＝[0.5 -0.5]
Figure FDA0002369188650000024
Figure FDA0002369188650000025
其中，x(n+1)为非线性滤波函数，z(n)为电离层延迟估计矩阵。
4.根据权利要求3所述的地基增强系统的电离层异常监测方法，其特征在于，对所述电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值，并根据所述延迟累积值监测所述电离层是否发生异常的步骤包括：
根据公式d(n+1)＝max{0，d(n)+Δρ(n)-THD}，对所述电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值d(n+1)，并在延迟累积值d(n+1)大于零时，确定电离层发生异常。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的地基增强系统的电离层异常监测方法，其特征在于，根据预设的预处理算法,对每一导航卫星的测量信息进行预处理的步骤，包括：
对每一导航卫星的测量信息中两个相邻数据点的变化幅度，进行跳变检测，删除跳变的数据点；
将采样时间间隔大于采样测量周期之间的数据点作为一段时间内的连续测量，建立不同的测量子集；
删除测量持续时间小于预定时长的测量子集；
对保留的测量子集使用数据驱动的曲线拟合方法进行处理；
对拟合处理后的测量子集使用分段匹配法和趋势及残差因素法进行异常检测；
将通过异常检测后的连续弧段根据公式
Figure FDA0002369188650000031
建立点集，得到预处理后的每一导航卫星的测量信息；
其中，
Figure FDA0002369188650000032
表示第i个点集第k颗导航卫星的第n个码伪距测量；
Figure FDA0002369188650000033
表示第i个点集第k颗导航卫星的第n个载波相位伪距测量。
6.一种地基增强系统的电离层异常监测装置，其特征在于，包括：
预处理单元，用于接收各导航卫星的测量信息,所述测量信息包括码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息；并根据预设的预处理算法,对每一导航卫星的测量信息进行预处理；
概率分布计算单元，用于将每一导航卫星的测量信息的Jensen-Renyi散度度量作为概率分布估计的成本函数，使用拟牛顿法进行迭代计算，估计出每一导航卫星的测量信息的概率分布；
电离层延迟计算单元，用于对预处理后的每一导航卫星的测量信息中的码伪距测量信息以及载波相位伪距测量信息，分别对应按双积分高斯-马尔科夫过程以及双积分布朗运动过程建模，得到离散时间状态方程，并根据每一导航卫星的测量信息的概率分布以及离散时间状态方程，利用非线性估计方法获得电离层延迟的估计矩阵；
电离层异常监测单元，用于对所述电离层延迟的估计矩阵进行累积计算得到延迟累积值，并根据所述延迟累积值监测所述电离层是否发生异常。
7.根据权利要求6所述的地基增强系统的电离层异常监测装置，其特征在于，所述概率分布计算单元具体用于：
根据公式JRω(P1，…，PN)＝H2(∑ωiPi)-∑ωiH2(Pi)进行Jensen-Renyi散度最小化的拟牛顿方法，估计预处理后的每一导航卫星的测量信息的概率分布；
其中，ωi表示概率分布Pi的权重；H2(X)表示阶数为2的Renyi熵，概率密度函数为Pi的随机变量X的2阶Renyi熵为公式
Figure FDA0002369188650000034
JRω(P1，…，PN)表示概率之间Jensen-Renyi散度估计。
8.根据权利要求7所述的地基增强系统的电离层异常监测装置，其特征在于，所述电离层延迟计算单元具体用于：建立离散时间状态方程分别为公式x(n+1)＝Φx(n)+Γu(n)以及公式z(n)＝Ψx(n)+v(n)；
其中，
Figure FDA0002369188650000041
Figure FDA0002369188650000042
Figure FDA0002369188650000043
Ψ＝[0.5 -0.5]
Figure FDA0002369188650000044
Figure FDA0002369188650000045
其中，x(n+1)为非线性滤波函数，z(n)为电离层延迟估计矩阵。
9.一种计算机可读存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序包括用于执行如权利要求1-5中任一项所述地基增强系统的电离层异常监测方法的指令。
10.一种地基增强系统的电离层异常监测系统，其特征在于，包括：卫星接收机、导航卫星测量单元、至少两个光终端以及如权利要求6-8中任一项所述的地基增强系统的电离层异常监测装置，所述卫星接收机、导航卫星测量单元、至少两个光终端以及电离层异常监测系统依次连接。
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