CN111323792A - 一种基于双频gbas电离层异常完好性监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于完好性监测领域,具体涉及一种实现实时监测电离层梯度,进而排除受电离层异常梯度影响的卫星,实现电离层梯度异常检测误警和漏检同步控制,进而来提高GBAS服务的完好性的基于双频GBAS电离层异常完好性监测方法。本发明包括根据双频GBAS电离层梯度特性,建立参考星之间双差伪距与载波相位双频模型并构建双频电离层梯度检测统计量;在双频GBAS的框架下,使用MW组合求解宽巷模糊度,采用MW‑IF模型求解电离层无关型整周模糊度等。本发明在GBAS框架下利用双频观测量的灵活组合,实现实时监测电离层梯度,排除受电离层异常梯度影响的卫星,实现电离层梯度异常检测误警和漏检同步控制,来提高GBAS服务完好性。
Description
技术领域
本发明属于完好性监测领域,具体涉及一种实现实时监测电离层梯度,进而排除受电离层异常梯度影响的卫星,实现电离层梯度异常检测误警和漏检同步控制,进而来提高GBAS服务的完好性的基于双频GBAS电离层异常完好性监测方法。
背景技术
GBAS是用于取代传统仪表着陆系统(Instrument Landing System,ILS)的新一代民用航空导航系统。GBAS主控站向作用范围内的航空用户播发全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System,GNSS)伪距差分校正和完好性信息,提供飞机精密进场和着陆服务。随着GNSS的发展,国际民用航空组织(International Civil AviationOrganization,ICAO)推荐使用双频GBAS提供精密进近和着陆引导服务,与单频GBAS相比,双频GBAS观测信息冗余度更高,能够提供更高精度的导航定位服务以及更高等级的GBAS完好性监测性能,对于GBAS支持CAT II/III等级服务有着重要意义。在众多影响精密进近可靠性的风险源中,电离层梯度是进近着陆阶段所需监测的重要风险源。
电离层的变化与太阳活动强度、磁纬度、当地时间等因素密切相关,难以通过精确建模消除由电离层延迟造成的定位误差,为了保障精密进近阶段的可靠性,需对电离层梯度进行实时监测。电离层活动正常情况下,由于GBAS主控站与用户之间距离较短,因此典型电离层梯度时空变化在L波段对GBAS用户造成的导航定位误差通常小于10cm,不会影响III类精密进近和着陆引导服务。然而,在电离层风暴期间,电离层电子浓度的异常波动会产生异常电离层梯度,从而对GBAS导航定位性能造成严重危害。航空无线电技术委员会(RadioTechnical Commission forAeronautics,RTCA)规定在GBAS支持CAT III等级服务中,电离层梯度监测的完好性风险指标为10-9,最小可检测电离层梯度为300mm/km。2003年美国CORS的监测结果表明,跑道方向上存在高达412mm/km的电离层梯度,此时若卫星几何分布情况较差,将产生不可接受的定位误差。因此,实时监测电离层梯度并排除受异常梯度影响的卫星,实现离层梯度异常检测误警和漏检同步控制,对于提高GBAS服务完好性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种充分利用双频GBAS电离层梯度的相关特性,进行实时监测电离层梯度并剔除电离层异常梯度卫星,实现离层梯度异常检测误警和漏检同步控制,从而来提高GBAS服务完好性的基于双频GBAS电离层异常完好性监测方法。
本发明的目的是这样实现的:
一种基于双频GBAS电离层异常完好性监测方法,包括以下步骤:
步骤1,根据双频GBAS电离层梯度特性,建立参考星之间双差伪距与载波相位双频模型并构建双频电离层梯度检测统计量;
步骤2,在双频GBAS的框架下,使用MW组合求解宽巷(WL)模糊度,采用MW-IF模型求解电离层无关型整周模糊度;
步骤3,利用步骤1中所得双频电离层梯度检测统计量和预先定义的误警错误的控制要求求出检测阈值,判断检测统计量是否超过检测阈值,电离层梯度监测应当及时告警并标记出来;
步骤4,在有限模糊度解算失败模式基础下,计算出双基线漏检概率,并通过改变双基线模糊度计算正常和错误假定下来获得最大漏检错误概率,再判断漏检概率是否满足预先定义的漏检错误控制要求。
步骤5,在同时满足步骤3和步骤4的误警和漏检双重检验后,保证了双基线双频电离层异常监测方法的完好性。
所述的步骤1中,双频检测统计量q表示为,
其中,e—12×1列向量;
E、D—分别为期望和方差;
A—基线向量b的设计矩阵;
ΔI—基于f1的双差电离层延迟;
Λ=diag{[λ1 λ2]},λi—对应fi的相位波长;
a=[a1 a2]T—在两个频率上的双差模糊度;
μ=[μ1 μ2]T,μi=f1 2/fi 2—对应fi相对f1的电离层比例系数;
p=[p1 p2]T、φ=[φ1 φ2]T—分别为双差伪距与载波相位观测向量;
Δ▽Qp、Δ▽Qφ—分别对应双差伪距和相位观测量的方差-协方差矩阵。
所述步骤2中采用MW-IF模型求解整周模糊度,解算过程共分为两步,首先使用MW组合求解宽巷模糊度,
其中:εWL—宽巷组合观测噪声;
当宽巷组合模糊度成功固定后,电离层无关窄巷组合表示为,
其中:εNL—窄巷组合观测噪声;
设宽巷、窄巷组合观测噪声均服从高斯分布,采用多历元平滑的方法降低宽巷和窄巷观测量中的噪声,由误差传播规律得平滑后噪声方差如下,
其中:β1、β2和η1、η2—分别表示窄巷组合观测噪声放大系数;
L—表示移动平滑长度;
窄巷模糊度aNL解算成功率表示为,
所述步骤3中推导基于多参考接收机的电离层梯度完好性监测误警和漏检错误计算方法电离层梯度误警错误包括
对应任意基线的任一检测统计量超过检测门限时,电离层梯度监测产生误警错误。
Pfa=P(max(|q1|,|q2|)>T|H0)=P((|q1|>T)∪(|q2|>T)|H0)
=P(|q1|>T|H0)+P(|q2|>T|H0)-P((|q1|>T)∩(|q2|>T)|H0)
其中:T—检测门限;
Pfa—双基线电离层监测误警概率;
q1和q2—分别表示两条基线生成的检测统计量;
电离层梯度监测误警情况由单基线误警和双基线误警组成,在浮点模糊度固定后检测统计量不再具有随机特性,基于高斯分布条件,利用全概率公式将单基线误警概率表示为,
其中:Pfas—单基线误警概率;
模糊度解算成功条件下误警概率计算为,
其中整周模糊度解算第i种失败模式下误警概率计算为,
两条基线同时发生误警概率则计算如下,
在检测统计量构建过程中,各条基线独立进行整周模糊度解算,设P{CF1∩2}=P{CF}2;考虑基线之间相关性,设双基线模糊度解算正确情况下误警概率计算为,
其中随机变量矩阵X=[q1 q2]T,协方差矩阵如下,
当整周模糊度解算失败时,双基线误警概率计算如下,
其中μ=[Δa1,i Δa2,i]T分别表示每一条基线生成的检测统计量因模糊度解算失败而产生的整周偏移量;
在已知所需误警概率前提下,解得检测门限T,通过比较检测统计量qi和检测门限T,控制电离层梯度监测的误警错误,当某对卫星检测统计量超过检测门限时,电离层梯度监测及时告警,并将此对卫星中的非参考星标记为电离层异常状态;当所有检测统计量都在检测门限保护水平之内时,对监测算法漏检错误进行评估;
电离层梯度漏检错误包括:
当检测统计量通过误警错误约束后,设H1条件下,任一基线生成的检测统计量低于检测门限保护水平时产生漏检错误;参考误警率计算方法得,有限模糊度解算失败模式下双基线漏检概率Pmd约束为,
考虑基线之间相关性,设双基线模糊度解算正确情况下漏检概率计算如下,
同理双基线模糊度解算错误情况下漏检概率计算如下,
比较求得的漏检概率和所需漏检概率,验证电离层梯度监测是否存在漏检错误;
根据所需的误警和漏检概率,当同时满足下述两个条件约束时,即可保证电离层梯度未发生异常:①检测统计量处于检测门限的保护水平之内,其中检测门限可由式解出;②漏检率必须小于所需漏检率;双基线双频电离层梯度监测方法通过多个短基线参考接收机的观测量,形成了双重检测统计量,即计算得到的双频检测统计量qi和推导出的漏检概率Pmd。其中使用双频检测统计量qi与检测门限T以控制误警错误,通过基于最差保护原理求得的漏检率Pmd和所需漏检率以约束漏检错误。
本发明的有益效果在于:
本发明在GBAS框架下利用双频观测量的灵活组合,实现实时监测电离层梯度,进而排除受电离层异常梯度影响的卫星,实现电离层梯度异常检测误警和漏检同步控制,从而来提高GBAS服务完好性。
附图说明
图1是基于双频GBAS电离层梯度异常完好性监测技术的实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述
本发明包括:步骤1,根据双频GBAS电离层梯度特性,建立参考星之间双差伪距与载波相位双频模型并构建双频电离层梯度检测统计量。
步骤2,在双频GBAS的框架下,使用MW组合求解宽巷(Wide-Lane,WL)模糊度,采用MW-IF模型求解电离层无关型整周模糊度。
步骤3,利用步骤1中所得双频电离层梯度检测统计量和预先定义的误警错误的控制要求求出检测阈值,判断检测统计量是否超过检测阈值,若超出电离层梯度监测应当及时告警并标记出来,否则继续检测下一个卫星。
步骤4,在有限模糊度解算失败模式基础下,获得双基线漏检概率,并通过改变双基线模糊度计算正常和错误假定下来获得最大漏检错误概率,再判断漏检概率是否满足预先定义的漏检错误控制要求。
步骤5,在同时满足步骤3和步骤4的误警和漏检双重检验后,保证了双基线双频电离层异常监测方法的完好性。
步骤1中任何时刻只有一颗卫星受异常电离层梯度影响;
步骤1中基线与跑道方向平行且接收机天线坐标准确已知,短基线条件下当电离层活动正常时,由双差电离层和对流层延迟造成的大气偏差可以被忽略;
步骤1中在短基线条件情况下监测电离层梯度方法;
步骤2中在电离层梯度监测中需采用电离层无关(Ionosphere-free)模型求解整周模糊度;
在步骤2中假设宽巷、窄巷组合观测噪声均服从高斯分布;
在步骤3中,虽然检测统计量受非线性固定影响服从混合高斯分布,但是在浮点模糊度固定后检测统计量不再具有随机特性,仍然可以基于高斯分布条件研究误警概率。
下面通过实施例,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例:
本发明是基于双频GBAS电离层梯度异常完好性监测方法,具体步骤包括:
步骤1,双频检测统计量构建
为了有效监测沿跑道方向的电离层梯度,在基线与跑道方向平行且接收机天线坐标准确已知基础下,短基线条件下当电离层活动正常时,可忽略双差电离层和对流层延迟造成的大气偏差,则双频检测统计量q表示为,
其中,e—12×1列向量;
E、D—分别为期望和方差;
A—基线向量b的设计矩阵;
ΔI—基于f1的双差电离层延迟;
Λ=diag{[λ1 λ2]},λi—对应fi的相位波长;
a=[a1 a2]T—在两个频率上的双差模糊度;
μ=[μ1 μ2]T,μi=f1 2/fi 2—对应fi相对f1的电离层比例系数;
p=[p1 p2]T、φ=[φ1 φ2]T—分别为双差伪距与载波相位观测向量。
Δ▽Qp、Δ▽Qφ—分别对应双差伪距和相位观测量的方差-协方差矩阵;
步骤2,电离层无关型整周模糊度解算
在双频GBAS的框架下,为减少电离层梯度监测算法的初始化时间,在短时间内获得满足监测需求的整周模糊度解算成功率,采用MW-IF模型求解整周模糊度,解算过程共分为两步,首先使用MW组合求解宽巷模糊度,
其中:εWL—宽巷组合观测噪声;
当宽巷组合模糊度成功固定后,电离层无关窄巷组合可以表示为,
其中:εNL—窄巷组合观测噪声;
假设宽巷、窄巷组合观测噪声均服从高斯分布,为保证模糊度解算成功率,采用多历元平滑的方法降低宽巷和窄巷观测量中的噪声,由误差传播规律可得平滑后噪声方差如下,
其中:β1、β2和η1、η2—分别表示窄巷组合观测噪声放大系数;
L—表示移动平滑长度(Moving average length,MAL)。
为了获得可解析表达的模糊度解算成功率,采用实现最为简单的就近取整法固定整周模糊度。窄巷模糊度aNL解算成功率可表示为,
步骤3,电离层梯度的完好性监测
定义电离层梯度存在两种互斥假设,分别为H0:电离层梯度正常;H1:电离层梯度异常。为满足导航定位需求为满足,电离层梯度完好性监测需满足误警错误和漏检错误的双重约束。以3参考接收机配置形成两条基线为例,推导基于多参考接收机的电离层梯度完好性监测误警和漏检错误计算方法。
a.电离层梯度误警错误
在H0假设下,对应任意基线的任一检测统计量超过检测门限时,我们认为电离层梯度监测产生误警错误。
其中:T—检测门限;
Pfa—双基线电离层监测误警概率;
q1和q2—分别表示两条基线生成的检测统计量。
由此发现电离层梯度监测误警情况由单基线误警和双基线误警组成。其中,在浮点模糊度固定后检测统计量不再具有随机特性,可认定仍然可以基于高斯分布条件,利用全概率公式将单基线误警概率表示为,
其中:Pfas—单基线误警概率。
模糊度解算成功条件下误警概率可以计算为,
其中整周模糊度解算第i种失败模式下误警概率可以计算为,
同理两条基线同时发生误警概率则可计算如下,
在检测统计量构建过程中,各条基线独立进行整周模糊度解算,因此假设P{CF1∩2}=P{CF}2。考虑基线之间相关性,假设双基线模糊度解算正确情况下误警概率可以计算为,
其中随机变量矩阵X=[q1 q2]T,协方差矩阵如下,
同理,当整周模糊度解算失败时,双基线误警概率可以计算如下,
其中:μ=[Δa1,i Δa2,i]T—分别表示每一条基线生成的检测统计量因模糊度解算失败而产生的整周偏移量。
在已知所需误警概率前提下,由式可以解得检测门限T,通过比较检测统计量qi和检测门限T,可以控制电离层梯度监测的误警错误。当某对卫星检测统计量超过检测门限时,电离层梯度监测应当及时告警,并将此对卫星中的非参考星标记为电离层异常状态。当所有检测统计量都在检测门限保护水平之内时,需要对监测算法漏检错误进行评估,避免监测算法的可用性丢失。
b.电离层梯度漏检错误
当检测统计量通过误警错误约束后,我们假设H1条件下,任一基线生成的检测统计量低于检测门限保护水平时产生漏检错误。参考误警率计算方法可得,有限模糊度解算失败模式下双基线漏检概率Pmd可约束为,
考虑基线之间相关性,假设双基线模糊度解算正确情况下漏检概率可以计算如下,
同理双基线模糊度解算错误情况下漏检概率可以计算如下,
通过比较由式求得的漏检概率和所需漏检概率,可以验证电离层梯度监测是否存在漏检错误。
根据所需的误警和漏检概率,当同时满足下述两个条件约束时,即可保证电离层梯度未发生异常:①检测统计量处于检测门限的保护水平之内,其中检测门限可由式解出;②由式计算的漏检率必须小于所需漏检率。综上所述,双基线双频电离层梯度监测方法通过多个短基线参考接收机的观测量,形成了双重检测统计量,即由式计算得到的双频检测统计量qi和由式推导出的漏检概率Pmd。其中使用双频检测统计量qi与检测门限T以控制误警错误,通过基于最差保护原理求得的漏检率Pmd和所需漏检率以约束漏检错误。通过双重检验过程,保证了双基线双频电离层异常监测方法的完好性。
综上本发明公开一种基于双频GBAS电离层梯度异常完好性监测方法。本发明方法是:建立参考星之间双差伪距与载波相位双频模型和构建双频电离层梯度检测统计量;采用MW-IF模型求解电离层无关型整周模糊度;判断检测统计量是否超过误警检测阈值,电离层梯度监测应当及时告警并标记出来;在有限模糊度解算失败模式基础下,计算出双基线漏检概率,并通过改变双基线模糊度计算正常和错误假定下来获得最大漏检错误概率,再判断漏检概率是否满足预先定义的漏检错误控制要求;在满足误警和漏检双重检验下,保证了双基线双频电离层异常监测方法的完好性。本发明在GBAS框架下利用双频观测量的灵活组合,实现实时监测电离层梯度,进而排除受异常梯度影响的卫星,实现电离层梯度异常检测误警和漏检同步控制,从而提高GBAS服务的完好性和可用性。
当然,本发明还可有其他多种实施例,在不偏离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的调整,但这些相应的调整都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于双频GBAS电离层异常完好性监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,根据双频GBAS电离层梯度特性,建立参考星之间双差伪距与载波相位双频模型并构建双频电离层梯度检测统计量;
步骤2,在双频GBAS的框架下,使用MW组合求解宽巷(WL)模糊度,采用MW-IF模型求解电离层无关型整周模糊度;
步骤3,利用步骤1中所得双频电离层梯度检测统计量和预先定义的误警错误的控制要求求出检测阈值,判断检测统计量是否超过检测阈值,电离层梯度监测应当及时告警并标记出来;
步骤4,在有限模糊度解算失败模式基础下,计算出双基线漏检概率,并通过改变双基线模糊度计算正常和错误假定下来获得最大漏检错误概率,再判断漏检概率是否满足预先定义的漏检错误控制要求;
步骤5,在同时满足步骤3和步骤4的误警和漏检双重检验后,保证了双基线双频电离层异常监测方法的完好性。
2.根据权利要求1所述的一种基于双频GBAS电离层异常完好性监测方法,其特征在于,所述的步骤1中,双频检测统计量q表示为:
其中,e—12×1列向量;
E、D—分别为期望和方差;
A—基线向量b的设计矩阵;
ΔI—基于f1的双差电离层延迟;
Λ=diag{[λ1 λ2]},λi—对应fi的相位波长;
a=[a1 a2]T—在两个频率上的双差模糊度;
μ=[μ1 μ2]T,μi=f1 2/fi 2—对应fi相对f1的电离层比例系数;
p=[p1 p2]T、φ=[φ1 φ2]T—分别为双差伪距与载波相位观测向量;
Δ▽Qp、Δ▽Qφ—分别对应双差伪距和相位观测量的方差-协方差矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种基于双频GBAS电离层异常完好性监测方法,其特征在于,所述步骤2中采用MW-IF模型求解整周模糊度,解算过程共分为两步:
首先使用MW组合求解宽巷模糊度,
其中:εWL—宽巷组合观测噪声;
当宽巷组合模糊度成功固定后,电离层无关窄巷组合表示为,
其中:εNL—窄巷组合观测噪声;
设宽巷、窄巷组合观测噪声均服从高斯分布,采用多历元平滑的方法降低宽巷和窄巷观测量中的噪声,由误差传播规律得平滑后噪声方差如下,
其中:β1、β2和η1、η2—分别表示窄巷组合观测噪声放大系数;
L—表示移动平滑长度;
窄巷模糊度aNL解算成功率表示为,
4.根据权利要求1所述的一种基于双频GBAS电离层异常完好性监测方法,其特征在于,所述步骤3中推导基于多参考接收机的电离层梯度完好性监测误警和漏检错误计算方法包括:
电离层梯度误警错误包括
对应任意基线的任一检测统计量超过检测门限时,电离层梯度监测产生误警错误;
Pfa=P(max(|q1|,|q2|)>T|H0|)=P((|q1|>T)∪(|q2|>T)|H0)
=P(|q1|>T|H0)+P(|q2|>T|H0)-P((|q1|>T)∩(|q2|>T)|H0)
其中:T—检测门限;
Pfa—双基线电离层监测误警概率;
q1和q2—分别表示两条基线生成的检测统计量;
电离层梯度监测误警情况由单基线误警和双基线误警组成,在浮点模糊度固定后检测统计量不再具有随机特性,基于高斯分布条件,利用全概率公式将单基线误警概率表示为,
其中:Pfas—单基线误警概率;
模糊度解算成功条件下误警概率计算为,
其中整周模糊度解算第i种失败模式下误警概率计算为,
两条基线同时发生误警概率则计算如下,
在检测统计量构建过程中,各条基线独立进行整周模糊度解算,设P{CF1∩2}=P{CF}2;考虑基线之间相关性,设双基线模糊度解算正确情况下误警概率计算为,
其中随机变量矩阵X=[q1 q2]T,协方差矩阵如下,
当整周模糊度解算失败时,双基线误警概率计算如下,
其中μ=[Δa1,i Δa2,i]T分别表示每一条基线生成的检测统计量因模糊度解算失败而产生的整周偏移量;
在已知所需误警概率前提下,解得检测门限T,通过比较检测统计量qi和检测门限T,控制电离层梯度监测的误警错误,当某对卫星检测统计量超过检测门限时,电离层梯度监测及时告警,并将此对卫星中的非参考星标记为电离层异常状态;当所有检测统计量都在检测门限保护水平之内时,对监测算法漏检错误进行评估;
电离层梯度漏检错误包括:
当检测统计量通过误警错误约束后,设H1条件下,任一基线生成的检测统计量低于检测门限保护水平时产生漏检错误;参考误警率计算方法得,有限模糊度解算失败模式下双基线漏检概率Pmd约束为,
考虑基线之间相关性,设双基线模糊度解算正确情况下漏检概率计算如下,
同理双基线模糊度解算错误情况下漏检概率计算如下,
比较求得的漏检概率和所需漏检概率,验证电离层梯度监测是否存在漏检错误;
根据所需的误警和漏检概率,当同时满足下述两个条件约束时,即可保证电离层梯度未发生异常:①检测统计量处于检测门限的保护水平之内,其中检测门限可由式解出;②漏检率必须小于所需漏检率;双基线双频电离层梯度监测方法通过多个短基线参考接收机的观测量,形成了双重检测统计量,即计算得到的双频检测统计量qi和推导出的漏检概率Pmd;其中使用双频检测统计量qi与检测门限T以控制误警错误,通过基于最差保护原理求得的漏检率Pmd和所需漏检率以约束漏检错误。
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