CN111323793A - 一种gnss伪距单点定位状态域完好性监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GNSS伪距单点定位状态域完好性监测方法,通过卫星伪距单点定位扩展卡尔曼滤波得到先验状态估计与后验状态估计二者之差及其协方差矩阵,并判断该协方差矩阵是否半正定,构建状态域完好性监测统计量;根据不同导航定位应用领域的实际误警率需求,确定监测阈值;将监测统计量与监测阈值进行比较,完成状态域的完好性监测,若监测统计量大于监测阈值,则向用户发出报警。否则,继续下一历元的完好性监测。本发明能够直接从GNSS的状态域展开,通过描述系统的状态值进行完好性监测,且能够在线实时进行完好性监测,更加有效、准确、及时的监测出复杂环境下GNSS可能出现的各种故障。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测方法,具体是一种GNSS伪距单点定位状态域完好性监测方法,属于卫星监测技术领域。
背景技术
完好性监测主要功能是对卫星定位系统存在的影响定位精度的故障进行有效监测和排除,并在定位精度超过限差时及时提供预警,从而保证系统能提高定位服务的品质以降低完好性风险。
随着GNSS导航系统的不断建设与完善,研究GNSS导航定位系统的完好性对于提升我国BDS导航系统的竞争力和应用水平至关重要。而当前,面向无人车导航定位、精细农业、无人机应用等诸多新兴应用领域,从安全角度出发的GNSS导航系统完好性监测也逐渐成为了用户重点考虑的因素。
GNSS的完好性监测可分为外部增强法,接收机自主完好性监测法(RAIM),系统基本完好性监测、卫星自主完好性监测三大类,其中,接收机自主完好性监测法(RAIM)对于卫星故障及空中异常反应迅速且完全自主,无需外部干预,因此是卫星导航系统应用的重要研究内容之一。Hewitson等指出尽管目前有系统完好性监测、广域増强系统完好性监测等各种监测手段,但是对于用户的多路径误差、信号被遮挡等情况所造成的定位偏差,RAIM是唯一的监测手段,并指出设计RAIM算法时应遵循的原则是:算法简单、易于实现,以保证在规定时间内告警。当前国内外对GNSS定位自主完好性监测(RAIM)的研究大多都是从量测域展开,从严格的理论角度来讲,通过量测值进行完好性监测都是间接地对系统性能进行评价,存在着非线性系统的近似误差,因为直接描述系统的是状态值,量测角度的完好性并不一定意味着系统(状态角度)的完好性,并且要求有冗余观测值。
因此,为了更加有效、准确、及时的监测各个历元GNSS导航定位的自主完好性信息,充分考虑量测域完好性监测算法所忽略的非线性系统的近似误差,亟需一种直接从状态域展开、通过描述系统的状态值进行完好性监测的方法。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明提供一种GNSS伪距单点定位状态域完好性监测方法,能够直接从GNSS的状态域展开,通过描述系统的状态值进行完好性监测,且能够在线实时进行完好性监测,更加有效、准确、及时的监测出复杂环境下GNSS可能出现的各种故障。
为实现上述目的,本发明一种GNSS伪距单点定位状态域完好性监测方法,包括以下步骤:
S3.1若是,执行步骤S4;若不是,则向用户发出警报;
S4:构建状态域完好性监测统计量sk;
其中,
Mxx′,k=(Mx′x,k)T (18)
式中,为后验状态估计,为先验状态估计,为后验状态协方差矩阵,为先验状态协方差矩阵,Mxx′,k=(Mx′x,k)T为先验状态估计差与后验状态估计差的协方差矩阵,Mx′x,k的值通过使用基于随机点的积分规则求得;为卡尔曼滤波增益,x′k为通过先验状态估计和状态噪声模拟的真实状态值,hk为测量关系函数。
进一步,步骤S4中的监测统计量sk通过以下公式得到:
式中,sk是一个自由度为nx的卡方分布变量,sk~p(sk)表示sk服从相应自由度的卡方分布,p(sk)为概率密度函数。
式中,PFA为导航定位具体应用领域的误警率,sk服从相应自由度的卡方分布,F(sk)为分布函数。
与传统的基于量测域即测量误差的间接的完好性监测方法相比,本发明直接从状态域进行GNSS系统的完好性监测,利用先验状态估计与后验状态估计二者之差及其协方差矩阵进行完好性监测,计算效率高,反应迅速,避免了非线性系统的近似误差,误差小,准确率高,实现了在线实时进行完好性监测。本发明不仅可以用于BDS、GPS、GLONASS和GALILEO等单一系统,也可以用于不同卫星系统的组合定位,适用于任何基于卡尔曼滤波的GNSS系统。
附图说明
图1为本发明流程图;
图2为本发明具体实施例流程图;
图3为本发明监测阈值与误警率和状态域维数关系图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,本发明GNSS伪距单点定位状态域完好性监测方法,具体方法如下:
S3.1若是,执行步骤S4;若不是,则向用户发出警报;
S4:构建状态域完好性监测统计量sk;
如图2所示,本发明GNSS伪距单点定位状态域完好性监测方法应用在BDS导航系统中,具体包括以下步骤:
S1.1初始化:定义接收机初始状态值与误警率
令k=0;
S1.2通过BDS系统的伪距观测方程以及多普勒观测方程,获取BDS伪距观测值P和多普勒观测值D:
P=l·dX+m·dY+n·dZ+ρ0+c·dtr-c·dts+I+T (1)
λD=l(vx-vX)+m(vy-vY)+n(vz-vZ)+c·dtf-c·dtf (2)
式中,l,m,n为接收机到卫星的方向余弦;dX,dT,dZ为测站坐标的改正数;ρ0为卫星与接收机之间的真正距离;c为光速;dtr和dts分别为接收机钟差和卫星钟差;I为电离层延迟改正;T为对流层延迟改正;λ为载波相位的波长;D为卫星多普勒观测值;vx,vy,vz表示接收机的运动速度;vX,vY,vZ表示卫星的运动速度;dtf和dtf分别表示接收机钟差和卫星钟差的变化率。
S1.3.1定义BDS系统的状态方程以及量测方程:
xk+1=fk(xk)+wk (3)
zk=hk(xk)+vk (4)
式中,k=0,1,2,...,向量和分别表示k历元的真实状态值(包括接收机的三维坐标、三维速度、钟差和频漂)和量测值(包括伪距观测值P和多普勒观测值D),状态转移函数和测量关系函数均已知;状态噪声的概率密度函数 和测量噪声的概率密度函数均是已知且相互独立的。
p(xk|zk-1)=∫p(xk|xk-1)p(xk-1|zk-1)dxk-1 (5)
式中,zk=[z0,z1,z2,...,zk],表示一组从0-k历元的所有量测值;p(xk|zk-1)是由科尔莫格洛夫(Chapman-Kolmogorov)方程计算出来的预测概率密度函数;p(xk|zk)是由贝叶斯规则计算出来的滤波概率密度函数;p(xk|xk-1)和p(zk|xk)分别是由BDS系统状态转移函数fk和测量关系函数hk计算所得的概率密度函数。
其中:
其中,
Mxx′,k=(Mx′x,k)T (18)
式中,为后验状态估计值,为先验状态估计值,为后验状态协方差矩阵,为先验状态协方差矩阵,Mxx′,k=(Mx′x,k)T为先验状态估计差与后验状态估计差的协方差矩阵,Mx′x,k的值通过使用基于随机点的积分规则求得;为卡尔曼滤波增益,x′k为通过先验状态估计和状态噪声wk模拟的状态真实值,hk为测量关系函数,具体是量测方程中的非线性函数;
S3.1若是,执行步骤S4;若不是,则向用户发出警报,算法需要重新初始化,返回步骤S1.1;
S4:构建完好性监测统计量sk:
式中,sk是一个自由度为nx的卡方分布变量,sk~p(sk)表示sk服从相应自由度的卡方分布,p(sk)为概率密度函数;
S5:根据导航定位具体应用领域的实际误警率PFA需求,计算相应误警率PFA下的监测阈值:
式中,PFA为导航定位具体应用领域的误警率,sk服从相应自由度的卡方分布,F(sk)为分布函数。
监测阈值与误警率和状态域维数关系图如图2所示;
公式(21)和公式(22)形成了新的预测概率密度函数:
然后令k=k+1,k=0,1,2,...,返回步骤S1.2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种GNSS伪距单点定位状态域完好性监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
S3.1若是,执行步骤S4;若不是,则向用户发出警报;
S4:构建状态域完好性监测统计量sk;
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