CN111505667A - 一种基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自主完好性监测领域，具体涉及一种在无参考基准约束条件下，实现动对动平台局域增强全球导航卫星系统多径和观测噪声的自主性监测，满足系统对观测数据质量的完好性需求的基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法。包括构建原始观测数据的双差伪距和载波相位观测模型，利用载波相位和伪距双差观测量模型构建MW组合；基于波长噪声比最大化原则，选择北斗三频组合系数快速可靠求解MW超宽巷模糊度等。本发明在无参考基准约束条件下，利用检测门限使误警率和漏检率同步控制，能够有效及时地判断数据的可用性，进行多径及观测噪声异常告警，剔除不可用的数据。满足了动对动平台系统对观测数据质量的连续性需求与完好性风险。

Description

一种基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法

技术领域

发明属于自主完好性监测领域(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM)，具体涉及一种在无参考基准约束条件下，实现动对动平台局域增强全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)多径和观测噪声的自主性监测，满足系统对观测数据质量的完好性需求的基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法。

背景技术

影响精密定位的因素有很多，如信号的大气传播延迟、卫星和接收机相关的误差等。现今，对这些误差影响源已有了较深入的认识，并得出了很多将其有效消除或削弱的方法。例如，多频观测量的线性组合和差分技术。而多路径及观测噪声对不同频点以及不同环境的测量值影响不同，难以利用差分技术或通过多频线性组合建立数学模型消除，已经成为了影响精密定位的重要因素之一。

天线和接收机硬件技术的提高使多路径效应的影响得到了很大的改进，但是会增加很大的成本，很难普及。通常的做法是将多路径影响和观测噪声在定位解算模型中忽略不计，而这对于一般的环境是适用，但是在城市峡谷等恶劣应用环境中，多径及观测噪声对伪距的影响可达到米级，对载波相位的影响可达厘米级，甚至还会引起信号的失锁，是影响接收机在恶劣环境精密定位的重要风险源之一。如何检测多径及观测噪声异常以及及时正确告警是提高在城市峡谷等恶劣应用环境中定位性能的关键所在。综上所述，设计一种基于动对动平台局域增强GNSS多径及观测噪声异常完好性检测方法具有相当的迫切性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用MW超宽巷模型构建几何无关-消电离层型多径及观测噪声检测统计量，根据预先定义的误警约束方程和检测统计量在多径及观测噪声是否异常时所服从的统计分布特性计算得到检测门限，通过检测门限控制误警率。在无告警的情况下，通过比较实际漏检率与系统所需漏检率形成双重约束，以完善对多径及观测噪声的异常检测的基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法，包括如下步骤：

步骤1，构建原始观测数据的双差伪距和载波相位观测模型，利用载波相位和伪距双差观测量模型构建MW组合。基于波长噪声比最大化原则，选择北斗三频组合系数快速可靠求解MW超宽巷模糊度。

步骤2，根据步骤1求出的超宽巷模糊度，利用Bootstrapping算法求出MW超宽巷组合的整周模糊度。根据求出的MW整周模糊度和MW超宽巷组合的双差载波相位观测量构建检验统计量。

步骤3，根据步骤1所求的检验统计量和预先定义的误警错误约束方程求取检测门限。当检测统计量大于检测门限时，多径及观测噪声监测及时告警。

步骤4，当所有的检测统计量都在检测门限以内时，基于最差保护原则构建漏检错误约束方程，计算实际漏检率并与所需漏检率比较，当实际漏检率大于所需漏检率时，多径及观测噪声监测及时告警。

步骤5，在同时满足步骤3和步骤4的双重检验后，确认观测数据质量。

步骤1中构建MW超宽巷组合，求解MW超宽巷模糊度包括：

a.构建双差伪距和载波相位观测方程式：

式中：i＝1,2,3；

—双差伪距观测量；

—以周为单位的双差载波相位观测量；

—为双差几何距离；

—分别为双差卫星星历误差、双差对流层延时、双差电离层延时；

—双差整周模糊度；

—分别为双差伪距和双差载波相位多径及观测噪声。

b.MW组合方程如下

式中：c为光速；

i,j＝1,2,3且i≠j；

—MW组合以距离为单位的双差载波相位观测量；

—MW组合波长；

—双差MW组合模糊度；

当三频组合系数取(0,1,1)时MW组合为超宽巷组合，波长最长。

步骤2中求解MW超宽巷整周模糊度，构建几何无关消电离层型检测统计量包括：

利用Bootstrapping算法解出MW组合的整周模糊度，然后将其代入构建的几何无关消电离层型观测方程式中求解检验统计量。

式中：

Bootstrapping算法解算出的MW超宽巷整周模糊度；

q—为载波相位观测量残差。

步骤3中设置检测门限，控制误警率包括：

a.对多径及观测噪声设H₀：多径及观测噪声无异常；设H₁：多径及观测噪声异常；当多径及观测噪声无异常时，检测统计量大于检测门限就会产生误警错误。计算检测算法在整周模糊度解算成功和失败情况下误警率，总的误警错误为两种情况之和，约束方程如下，

P_fa＝P{|q|＞T|H₀,CF}P{CF}+P{|q|＞T|H₀,IF}P{IF}

式中：P_fa—表示预先定义的误警率要求；

T—表示检测门限；

CF—表示模糊度解算正确；

IF—表示模糊度解算失败。

b.经过整周模糊度正确性检验后，根据误警率要求以及检测统计量在多径及观测噪声无异常时所服从的统计分布特性，计算所需的检测门限T。

c.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，通过遍历移动平滑长度与误警概率要求，形成与移动平滑长度和误警率相关的检测门限分布表，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。

d.通过比较检测统计量q和检测门限T，对多径和观测噪声完好性进行监测，当某对卫星检测统计量超过检测门限时，多径和观测噪声监测应当及时告警。否则，进入下一步骤。

步骤4中计算漏检率，构成双重约束包括：

当所有检测统计量都在检测门限T保护水平之内时，基于最差情况保护原则形成漏检错误约束方程如下，

P_md＝P{|q|＜T|H₁,CF}P{CF}+P{|q|＜T|H₁,IF}P{IF}

式中：P_md—实际漏检率。

根据检测统计量在多径及观测噪声异常情况下服从的统计分布，计算多径及观测噪声为50cm时的漏检概率并与系统所需漏检率相比较，当大于系统所需漏检率时，及时告警。否则，进入下一步骤。

本发明的有益效果在于：

在无参考基准约束条件下，利用检测门限使误警率和漏检率同步控制，能够有效及时地判断数据的可用性，进行多径及观测噪声异常告警，剔除不可用的数据。满足了动对动平台系统对观测数据质量的连续性需求与完好性风险。

附图说明

图1是基于动对动平台多径及观测噪声自主完好性检测技术途径流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明包括以下步骤：

步骤1，构建原始观测数据的双差伪距和载波相位观测模型，利用载波相位和伪距双差观测量模型构建MW组合。基于波长噪声比最大化原则，恰当选择GNSS三频组合系数实现MW 超宽巷模糊度快速可靠求解。

步骤2，根据步骤1求出的超宽巷模糊度，利用Bootstrapping算法求出MW超宽巷组合的整周模糊度。根据求出的MW整周模糊度和MW超宽巷组合的双差载波相位观测量构建检验统计量。

步骤3，根据步骤2所求的检验统计量和预先定义的误警错误约束方程求取检测门限。当检测统计量大于检测门限时，多径及观测噪声监测及时告警。否则，进入下一步。

步骤4，当所有的检测统计量都在检测门限以内时，基于最差保护原则构建漏检错误约束方程，计算实际漏检率并与所需漏检率比较，当实际漏检率大于所需漏检率时，多径及观测噪声监测及时告警。

步骤5，在同时满足步骤3和步骤4的双重假设检验后，保证了多径及观测噪声异常监测方法的完好性，则可认为观测数据质量较高。

本发明集成双差、RAIM、观测量组合等技术，利用GNSS三频观测量的线性组合构造几何无关消电离层型多径及观测噪声检测统计量，利用误警错误约束条件和漏检错误约束条件的双重约束条件，实现了针对多径误差以及观测噪声异常的完好性监测。

步骤1构建MW超宽巷有利于模糊度求解，三频观测量的线性MW组合能够建立几何无关消电离层型解算模型，超长的波长有利于观测噪声的衰减，进而利于求解模糊度以及构造检测统计量。

步骤2利用Bootstrapping算法求出MW超宽巷组合的整周模糊度，Bootstrapping算法具备解析的理论概率统计函数，能够准确给出整周模糊度解算成功的置信度。

步骤3利用步骤1构建的检测统计量所服从的统计分布以及预先定义的误警错误约束方程求解检测门限。若检测统计量大于检测门限，则多径及观测噪声监测告警。

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，则基于最差情况保护原则形成漏检错误约束方程。

步骤5经过误警率和漏检率双重约束后，更好地过滤出多径及观测噪声异常值，满足了系统对观测数据质量的完好性与可用性需求。

本发明具体步骤包括：

步骤1、构建MW超宽巷组合，求解MW超宽巷模糊度。

a.构建双差伪距和载波相位观测方程式：

式中：i＝1,2,3；

—双差伪距观测量；

—以周为单位的双差载波相位观测量；

—为双差几何距离；

—分别为双差卫星星历误差、双差对流层延时、双差电离层延时；

—双差整周模糊度；

—分别为双差伪距和双差载波相位多径及观测噪声。

b.MW组合方程如下

式中：c为光速；

i,j＝1,2,3且i≠j；

—MW组合以距离为单位的双差载波相位观测量；

—MW组合波长；

—双差MW组合模糊度；

MW组合消除了几何距离和一阶电离层延迟影响，可基于波长噪声比最大化原则，恰当选择三频组合系数实现MW模糊度的快速可靠性解算。当三频组合系数取(0,1,1)，此时MW组合为超宽巷组合，波长最长。

步骤2、求解MW超宽巷整周模糊度，构建几何无关消电离层型检测统计量。

a.得到MW超宽巷模糊度以后，利用Bootstrapping算法解出MW组合的整周模糊度，然后将其代入构建的几何无关消电离层型观测方程式中求解检验统计量。如下式，

式中：

—Bootstrapping算法解算出的MW超宽巷整周模糊度；

q—本质上反映了载波相位观测量残差，主要是多径与观测噪声的影响。

步骤3、设置检测门限，控制误警率。

a.对多径及观测噪声做出如下两个假设。假设H₀：多径及观测噪声无异常；假设H₁：多径及观测噪声异常；当多径及观测噪声无异常时，检测统计量大于检测门限就会产生误警错误。计算检测算法在整周模糊度解算成功和失败情况下误警率，总的误警错误为两种情况之和，约束方程如下，

P_fa＝P{|q|＞T|H₀,CF}P{CF}+P{|q|＞T|H₀,IF}P{IF} (5)

式中：P_fa—表示预先定义的误警率要求；

T—表示检测门限；

CF—表示模糊度解算正确；

IF—表示模糊度解算失败。

b.经过整周模糊度正确性检验后，根据误警率要求以及检测统计量在多径及观测噪声无异常时所服从的统计分布特性，针对式(5)可以计算所需的检测门限T。

c.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，通过遍历移动平滑长度与误警概率要求，形成与移动平滑长度和误警率相关的检测门限分布表，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。

d.通过比较检测统计量q和检测门限T，可以对多径和观测噪声完好性进行监测。当某对卫星检测统计量超过检测门限时，多径和观测噪声监测应当及时告警。否则，进入下一步骤。

步骤4、计算漏检率，构成双重约束。

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方程如下，

P_md＝P{|q|＜T|H₁,CF}P{CF}+P{|q|＜T|H₁,IF}P{IF} (6)

式中：P_md—实际漏检率。

根据检测统计量在多径及观测噪声异常情况下服从的统计分布，利用上式(6)计算多径及观测噪声为50cm时的漏检概率并与系统所需漏检率相比较，当大于系统所需漏检率时，及时告警。否则，进入下一步骤。

步骤5、根据所需的误警和漏检概率，当同时满足下述两个条件时，即可保证多径及观测噪声未发生异常：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(5) 解出；②由式(6)计算的实际漏检率小于所需漏检率。

当同时满足双重约束后，则认为观测数据质量较高可进行定位解算。否则，应及时告警剔除观测数据。

本发明提供了一种基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法。在无基准动态参考布设条件下，针对各类型空间信号风险源存在相互耦合的特点，利用MW超宽巷组合求解整周模糊度，通过剥离MW组合系数对观测噪声的放大作用，构建几何无关-消电离层型检测统计量，根据检测统计量和预先定义的误警错误约束方程获取检测门限。若检测统计量超过检测门限，则认为存在多径与观测噪声异常，及时告警。反之当所有检测统计量都在检测门限保护水平之内时，则需基于最差情况保护原则形成漏检错误约束。通过计算多径及观测噪声在50cm时的漏检概率与所需漏检率相比较，约束计算漏检率错误，形成双重假设检验，以完善对多径误差以及观测噪声异常完好性检测。在城市峡谷等恶劣环境及无参考基准约束的条件下，能够有效及时的告知数据的可用性。

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 (5)

1.一种基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，构建原始观测数据的双差伪距和载波相位观测模型，利用载波相位和伪距双差观测量模型构建MW组合；基于波长噪声比最大化原则，选择北斗三频组合系数快速可靠求解MW超宽巷模糊度；

步骤2，根据步骤1求出的超宽巷模糊度，利用Bootstrapping算法求出MW超宽巷组合的整周模糊度；根据求出的MW整周模糊度和MW超宽巷组合的双差载波相位观测量构建检验统计量；

步骤3，根据步骤1所求的检验统计量和预先定义的误警错误约束方程求取检测门限；当检测统计量大于检测门限时，多径及观测噪声监测及时告警；

步骤4，当所有的检测统计量都在检测门限以内时，基于最差保护原则构建漏检错误约束方程，计算实际漏检率并与所需漏检率比较，当实际漏检率大于所需漏检率时，多径及观测噪声监测及时告警；

步骤5，在同时满足步骤3和步骤4的双重检验后，确认观测数据质量。

2.根据权利要求1所述的一种基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法，其特征在于，步骤1中构建MW超宽巷组合，求解MW超宽巷模糊度包括：

a.构建双差伪距和载波相位观测方程式：

式中：i＝1,2,3；

—双差伪距观测量；

—以周为单位的双差载波相位观测量；

—为双差几何距离；

—分别为双差卫星星历误差、双差对流层延时、双差电离层延时；

—双差整周模糊度；

—分别为双差伪距和双差载波相位多径及观测噪声；

b.MW组合方程如下

式中：c为光速；

i,j＝1,2,3且i≠j；

—MW组合以距离为单位的双差载波相位观测量；

—MW组合波长；

—双差MW组合模糊度；

当三频组合系数取(0,1,1)时MW组合为超宽巷组合，波长最长。

3.根据权利要求1所述的一种基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法，其特征在于，步骤2中求解MW超宽巷整周模糊度，构建几何无关消电离层型检测统计量包括：

利用Bootstrapping算法解出MW组合的整周模糊度，然后将其代入构建的几何无关消电离层型观测方程式中求解检验统计量；

式中：

Bootstrapping算法解算出的MW超宽巷整周模糊度；

q—为载波相位观测量残差。

4.根据权利要求1所述的一种基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法，其特征在于，步骤3中设置检测门限，控制误警率包括：

a.对多径及观测噪声设H₀：多径及观测噪声无异常；设H₁：多径及观测噪声异常；当多径及观测噪声无异常时，检测统计量大于检测门限就会产生误警错误；计算检测算法在整周模糊度解算成功和失败情况下误警率，总的误警错误为两种情况之和，约束方程如下，

P_fa＝P{|q|＞T|H₀,CF}P{CF}+P{|q|＞T|H₀,IF}P{IF}

式中：P_fa—表示预先定义的误警率要求；

T—表示检测门限；

CF—表示模糊度解算正确；

IF—表示模糊度解算失败；

b.经过整周模糊度正确性检验后，根据误警率要求以及检测统计量在多径及观测噪声无异常时所服从的统计分布特性，计算所需的检测门限T；

c.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，通过遍历移动平滑长度与误警概率要求，形成与移动平滑长度和误警率相关的检测门限分布表，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；

d.通过比较检测统计量q和检测门限T，对多径和观测噪声完好性进行监测，当某对卫星检测统计量超过检测门限时，多径和观测噪声监测应当及时告警；否则，进入下一步骤。

5.根据权利要求1所述的一种基于动对动平台多径及观测噪声异常完好性检测方法，其特征在于，步骤4中计算漏检率，构成双重约束包括：

当所有检测统计量都在检测门限T保护水平之内时，基于最差情况保护原则形成漏检错误约束方程如下，

P_md＝P{|q|＜T|H₁,CF}P{CF}+P{|q|＜T|H₁,IF}P{IF}

式中：P_md—实际漏检率；

根据检测统计量在多径及观测噪声异常情况下服从的统计分布，计算多径及观测噪声为50cm时的漏检概率并与系统所需漏检率相比较，当大于系统所需漏检率时，及时告警；否则，进入下一步骤。

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