CN111427068B - 一种动对动平台局域增强卫星a类星历故障完好性监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于全球导航卫星系统卫星星历故障监测领域，具体涉及一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法。本发明包括：基于星间‑联动节点对间‑历元间构建三差观测量，由于视距方向向量在高采样频率中基本保持不变，按照多重假设解分离思想构建A类星历故障检测统计量；在利用多历元平滑抑制高频观测噪声对整周模糊度解算影响的基础上，根据检测统计量所服从的统计分布特性，计算所需监测误警率检测门限等。本发明满足实时动态高精度相对定位完好性和连续性的需求，达到系统的完好性与可用性的要求，实现无参考基准下的自主性。根据所需的误警和漏检概率，在误警和漏检错误同步满足条件下，实现对A类星历故障的自主监测。
Description
技术领域
本发明属于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)卫星星历故障监测领域，具体涉及一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法。
背景技术
对于许多安全性有着严格要求的导航应用来说，卫星星历故障是空间信号监测必须考虑的重要风险源。在接收机自主完好性监测(RAIM)中，面对联动应用环境导致精确参考基准缺失的关键问题，必须监测星历故障，防止出现过大的位置误差以及避免完好性监测中的可用性缺失。
A类星历故障是由于卫星机动后，星历未及时更新所引发的，A类故障中可进一步细分为两个独立类型A1和A2。在A1中，卫星机动是被预定和策划的，但是在机动过程中播发的是错误的星历数据。目前，国外针对星历故障监测最常用的方法是接收机自主完好性监测 (RAIM)，该方法利用测量冗余性和多参考一致性检测原理检测大偏差星历故障。然而在高精度的载波相位动动差分定位技术中，小偏差星历故障同样不能忽略。为了对小偏差星历故障进行有效检测，提出了针对星历故障检测的空间误差信号估计，利用精密星历和广播星历的差异实现星历故障检测的后处理。然而，由于精密星历的更新需要大约7天的延时，因此无法满足高精度动态的实时检测需求。故而提出了基于短基线载波相位观测量的星历故障检测方法，有效的避免了电离层和对流层等大气传播误差对卫星星历故障监测性能的影响，在一定程度上实现了对卫星A类星历故障的检测。
但是在无参考基准约束条件下，传统基于载波相位测量值的几何相关型星历故障检测方法失效，因此设计一种动对动局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法具有迫切性和必要性。
发明内容
本发明提供了一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，具体包括以下步骤：
步骤1、基于星间-联动节点对间-历元间构建三差观测量，由于视距方向向量在高采样频率中基本保持不变，按照多重假设解分离思想构建A类星历故障检测统计量；
步骤2、在利用多历元平滑抑制高频观测噪声对整周模糊度解算影响的基础上，根据检测统计量所服从的统计分布特性，计算所需监测误警率检测门限；
步骤3、将检测统计量与检测门限值做比较，若检测统计量大于检测门限值，则及时进行报警；若检测统计量小于检测门限值，则进行下一步；
步骤4、当所有检测统计量都在检测门限T保护水平之内时，则需基于最差情况保护原则形成漏检错误约束，即在最差的情况计算所需的漏检率；
步骤5、将检测漏检率与漏检门限值做比较，若检测漏检率大于漏检门限值，则进行报警；若漏检率统计量小于漏检率门限值，则未发生A类星历故障。
所述步骤1构建基于星间-联动节点对间-历元间三差观测量的模型，其前提是逐历元周跳被正确检测的条件。
所述步骤1构建基于星间-联动节点对间-历元间三差观测量的模型，其前提是逐历元周跳被正确排除的条件。
所述步骤1构建基于星间-联动节点对间-历元间三差观测量的模型，其前提是前一个历元时刻星历无故障。
所述步骤1构建基于星间-联动节点对间-历元间三差观测量的模型，其前提是视距方向向量需要在高采样频率中的条件。
所述步骤2构建检测统计量时采用基于接收机自主完好性监测(RAIM)算法的原理。
所述步骤2构建检测统计量时利用多重假设解分离原则构建检测统计量。
本发明的有益之处在于：
在无参考基准约束条件下，传统基于载波相位测量值的几何相关型星历故障检测方法失效，本发明提供一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，满足实时动态高精度相对定位完好性和连续性的需求，达到系统的完好性与可用性的要求，实现无参考基准下的自主性。根据所需的误警和漏检概率，在误警和漏检错误同步满足条件下，实现对A 类星历故障的自主监测。
附图说明
图1为一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法技术流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如附图1所示，为一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法技术流程图。
本发明的目的在于提供一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，包括步骤1、基于星间-联动节点对间-历元间构建三差观测量后，由于视距方向向量在高采样频率中基本保持不变，按照多重假设解分离思想构建A类星历故障检测统计量；步骤2、在利用多历元平滑抑制高频观测噪声对整周模糊度解算影响的基础上，根据检测统计量所服从的统计分布特性，计算所需监测误警率检测门限；步骤3、将检测统计量与检测门限值做比较，若检测统计量大于检测门限值，则进行报警；若检测统计量小于检测门限值，则进行下一步；步骤4、当所有检测统计量都在检测门限T保护水平之内时，则需基于最差情况保护原则形成漏检错误约束，即在最差的情况计算所需的漏检率；步骤5、将检测漏检率与漏检门限值做比较，若检测漏检率大于漏检门限值，则进行报警；若漏检率统计量小于漏检率门限值，则未发生A类星历故障。本发明通过多重假设分离的序贯型星历故障监测方法，在无参考基准约束条件下实现对A类星历故障的监测，满足系统的完好性与可用性。
步骤1、基于星间-联动节点对间-历元间构建三差观测量，由于视距方向向量在高采样频率中基本保持不变，按照多重假设解分离思想构建A类星历故障检测统计量；
载波相位观测量模型：
φ＝λ-1(r+c(δtu-δt(s))-I+T)+N+εφ (1)
其中，r为卫星与接收机之间的几何距离，δtu代表接收机钟差，δt(s)代表卫星钟差，I 代表电离层，T代表对流层，N代表模糊度，εφ代表载波相位总的误差。
由于进行双差，故可消除卫星钟差、接收机钟差，即
其中表示接收机ur和卫星i,j而进行的双差，Δ▽T表示对流层的变化量，Δ▽I 表示双差电离层的变化量，εφ表示噪声。
由于在短基线的条件下，对流层和电离层可以消除，故可得
其中▽eeph是利用当前广播星历计算得到的单位视距向量，b表示基线。
此时还存在模糊度这一未知量，故再进行差分(即进行三差)以消除模糊度这一变量，在逐历元周跳被正确检测且排除以及前一历元时刻星历无故障情况的条件下，由于视距方向向量在高采样频率中基本保持不变的特性，构建星间-联动节点对间-历元间三差观测量模型，基于接收机自主完好性监测(RAIM)算法原理，利用多重假设解分离原则构建检测统计量：
其中，δΔ▽φ表示三差载波相位观测量，上标i和j分别表示监测星和参考星，下标k表示第k个历元，εφ表示噪声，i1为假设发生A类星历故障的卫星。
步骤2、在利用多历元平滑抑制高频观测噪声对整周模糊度解算影响的基础上，根据检测统计量所服从的统计分布特性，计算所需监测误警率检测门限。
针对式(4)所构建的观测量同时根据所需误警指标要求选取所需检测门限T。对星历做如下两个假设，假设H0:星历无故障；假设H1：星历有故障；当星历故障时，一旦检测统计量超过检测阈值就会产生误警错误。在利用多历元平滑抑制高频观测噪声对整周模糊度解算影响的基础上，根据检测统计量所服从的统计分布特性，构建监测算法为：
其中Pfa是预先定义的误警概率要求，q1和q2表示两个检验统计量，T表示检测门限。利用误警概率要求，由式(5)可以计算所需的检测门限T,通过遍历移动平滑长度和误警概率相关要求的检测门限分布表，在实际使用过程中则需要根据所选择的移动平滑长度和所需误警性能选择检测门限T，通过比较检测统计量q和检测门限T，可对星历故障完好性监测的误警错误进行约束。
步骤3、将检测统计量与检测门限值做比较，若检测统计量大于检测门限值，则进行报警；若检测统计量小于检测门限值，则进行下一步。
如果检测统计量大于步骤2所计算出来的检测门限，将星历故障标志出来进行及时报警。若检测统计量小于检测门限值，所提出的检测方法中的漏检错误将按下面的方法进行评估，星历故障可进一步被排除。
步骤4、当所有检测统计量都在检测门限T保护水平之内时，则需基于最差情况保护原则形成漏检错误约束，即在最差的情况计算所需的漏检率。
将计算解得的漏检率与所需漏检指标进行比较以控制漏检错误。在星历故障假设下，当两个检验统计量都在检验门阀值内，漏检错误概率可按如下计算：
计算出的漏检概率被用来计算和同预先定义的漏检率要求进行比较，以便地面设施验证星历是否足够健康。
步骤5、将检测漏检率与漏检门限值做比较，若检测漏检率大于漏检门限值，则进行报警；若漏检率统计量小于漏检率门限值，则认为未发生A类星历故障。
若漏检率统计量小于漏检率门限值，则经过了误警和漏检的双重检验，认为未发生A类星历故障，若漏检率统计量大于漏检率门限值，则进行及时的报警。
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 (9)
1.一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、基于星间-联动节点对间-历元间构建三差观测量，由于视距方向向量在高采样频率中保持不变，按照多重假设解分离思想构建A类星历故障检测统计量；
A类星历故障是由于卫星机动后，星历未及时更新所引发的；卫星的载波相位观测量模型为：
φ＝λ-1(r+c(δtu-δt(s))-I+T)+N+εφ
其中，r为卫星与接收机之间的几何距离；δtu代表接收机钟差；δt(s)代表卫星钟差；I代表电离层；T代表对流层；N代表模糊度；εφ代表载波相位总的误差；
消除卫星钟差、接收机钟差，即：
其中，表示接收机ur和卫星i,j而进行的双差；/>表示对流层的变化量；表示双差电离层的变化量；εφ表示噪声；
在短基线的条件下，对流层和电离层消除：
其中，是利用当前广播星历计算得到的单位视距向量，b表示基线；
再进行差分以消除模糊度这一变量，在逐历元周跳被正确检测且排除以及前一历元时刻星历无故障情况的条件下，构建星间-联动节点对间-历元间三差观测量模型，基于接收机自主完好性监测算法原理，利用多重假设解分离原则构建检测统计量：
其中，表示三差载波相位观测量；上标i和j分别表示监测星和参考星，下标k表示第k个历元；εφ表示噪声；i1为假设发生A类星历故障的卫星；
步骤2、在利用多历元平滑抑制高频观测噪声对整周模糊度解算影响的基础上，根据检测统计量所服从的统计分布特性，计算所需监测误警率检测门限；
步骤3、将检测统计量与检测门限值做比较，若检测统计量大于检测门限值，则及时进行报警；若检测统计量小于检测门限值，则进行下一步；
步骤4、当所有检测统计量都在检测门限T保护水平之内时，则需基于最差情况保护原则形成漏检错误约束，即在最差的情况计算所需的漏检率；
步骤5、将检测漏检率与漏检门限值做比较，若检测漏检率大于漏检门限值，则进行报警；若漏检率统计量小于漏检率门限值，则未发生A类星历故障。
2.根据权利要求1所述的一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，其特征在于，所述的计算所需监测误警率检测门限，包括：
针对步骤1所构建的观测量同时根据所需误警指标要求选取所需检测门限T；对星历做如下两个假设，假设H0：星历无故障；假设H1：星历有故障；当星历故障时，当检测统计量超过检测阈值产生误警错误；在利用多历元平滑抑制高频观测噪声对整周模糊度解算影响的基础上，根据检测统计量所服从的统计分布特性，构建监测算法为：
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，Pfa是预先定义的误警概率要求，q1和q2表示两个检验统计量，T表示检测门限；计算所需的检测门限T,通过遍历移动平滑长度和误警概率相关要求的检测门限分布表，在实际使用过程中则需要根据所选择的移动平滑长度和所需误警性能选择检测门限T，通过比较检测统计量q和检测门限T，对星历故障完好性监测的误警错误进行约束。
3.根据权利要求2所述的一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，其特征在于：步骤4中计算所需的漏检率包括将计算解得的漏检率与所需漏检指标进行比较以控制漏检错误，在星历故障假设下，当两个检验统计量都在检验门阀值内，漏检错误概率按如下计算：
计算出的漏检概率被用来计算和同预先定义的漏检率要求进行比较，以便地面设施验证星历是否足够健康。
4.根据权利要求1所述的一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，其特征在于：所述步骤1构建基于星间-联动节点对间-历元间三差观测量的模型，其前提是逐历元周跳被正确检测的条件。
5.根据权利要求1所述的一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，其特征在于：所述步骤1构建基于星间-联动节点对间-历元间三差观测量的模型，其前提是逐历元周跳被正确排除的条件。
6.根据权利要求1所述的一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，其特征在于：所述步骤1构建基于星间-联动节点对间-历元间三差观测量的模型，其前提是前一个历元时刻星历无故障。
7.根据权利要求1所述的一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，其特征在于：所述步骤1构建基于星间-联动节点对间-历元间三差观测量的模型，其前提是视距方向向量需要在高采样频率中的条件。
8.根据权利要求1所述的一种动对动平台局域增强卫星A类星历故障完好性监测方法，其特征在于：所述步骤2构建检测统计量时采用基于接收机自主完好性监测(RAIM)算法的原理。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111427068A (zh) | 2020-07-17 |
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