CN111522032B - 一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法及优化装置 - Google Patents

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CN111522032B CN202010449381.7A CN202010449381A CN111522032B CN 111522032 B CN111522032 B CN 111522032B CN 202010449381 A CN202010449381 A CN 202010449381A CN 111522032 B CN111522032 B CN 111522032B
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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明公开了一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，包括利用获取的伪距观测数据，采用优化误警概率和危险性误导信息概率分配的方式，对基于MHSS的ARAIM算法进行优化，计算用户完好性；利用获取的载波相位观测数据，并行采用CRAIM算法计算用户完好性；分析PPP定位误差的计算结果，当PPP定位结果满足收敛条件时，采信CRAIM算法的完好性计算结果；当PPP定位结果不满足收敛条件时，采信优化后ARAIM算法的完好性计算结果。本发明解决了传统RAIM算法无法满足民航更高层次的完好性要求和伪距观测值的噪声水平较大这两方面问题，综合采用两类RAIM算法可实现垂直保护水平对垂直定位误差更为紧致的包络。

Description

一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法及优化装置
技术领域
本发明属于GNSS系统完好性处理技术领域，更具体的说是涉及一种北斗三 号系统用户完好性处理的优化方法及优化装置。
背景技术
在GNSS系统中，用户级完好性监测通常指的是各类接收机自主完好性监 测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)算法。传统的RAIM算 法在单卫星故障的情况下应用效果较为明显，典型的算法主要有Y.Lee提出的伪 距比较法、B.W.Parkinson提出的最小二乘残差法和M.A.Sturza提出的奇偶矢量 法等，其中奇偶矢量法运算量较小，因而被用户普遍采用。为了提升传统RAIM 算法的性能，各国学者从理论上对其进行了修正，但传统的及在此基础上进行 改进的RAIM算法均存在一定的局限性，主要表现在两个方面：一是传统的 RAIM算法无法满足民航更高层次的完好性要求；二是传统RAIM算法的观测 量多为伪距观测值，但由于伪距观测值的噪声水平较大，算法的应用范围受到 很大限制。
因此，如何提供一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法及优化装置 是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法及 优化装置，采用合理的ARAIM算法，可以将航空器以规定所需的导航性能引导 至距地面200英尺(约60m)高度的LPV，即LPV-200，采用CRAIM算法可以 在一定程度上解决伪距观测值噪声较大的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，包括：
利用获取的伪距观测数据，采用优化误警概率和危险性误导信息概率分配 的方式，对基于MHSS的ARAIM算法进行优化，计算用户完好性；
利用获取的载波相位观测数据，并行采用CRAIM算法计算用户完好性；
分析PPP定位误差的计算结果，当PPP定位结果满足收敛条件时，采信 CRAIM算法的完好性计算结果；当PPP定位结果不满足收敛条件时，采信优化 后ARAIM算法的完好性计算结果。
优选的，PPP定位结果收敛的条件为：东、北、天三个方向的定位误差均 小于0.2m，且持续时长为100个历元。
优选的，采用优化误警概率和危险性误导信息概率分配的方式，对基于 MHSS的ARAIM算法进行优化，计算用户完好性，包括：
利用加权最小二乘法求解无故障条件下接收机位置误差和钟差x的估计值
Figure BDA0002506960710000021
和扣除第i颗故障卫星后x的估计值
Figure BDA0002506960710000022
计算第i颗卫星的检验统计量
Figure BDA0002506960710000023
求解3组K系数Kfa,i，Kmd,0和Kmd,i，其中，Kfa,i表示由连续性风险概率计 算而得的系数；Kmd,0和Kmd,i表示由完好性风险概率计算而得的系数；
求解由符合连续性风险概率的垂直定位误差和由连续性偏差引起的垂直定 位误差两部分组成的误差检测门限Di；
判断第i颗卫星是否为故障卫星，如果di＞Di，则将该卫星剔除；
求解当前历元的垂直保护水平VPL＝max(VPL0,max(VPLi))，其中，VPL0表 示卫星无故障时的VPL值；VPLi表示扣除第i颗故障卫星后，其余可见卫星对应 的VPL值。
优选的，所述Kmd,0系数的公式为：
Figure BDA0002506960710000031
式中PHMI表示危险性误导信息概率；Q表示单边标准正态累积分布函数； n表示当前历元可见卫星数；
采取优化危险性误导信息概率分配的方式，所述Kmd,i系数的计算方式包括：
将对VPLi取值产生影响的Kmd,i×σV,i设为相等，即
Kmd,1×σV,1＝Kmd,2×σV,2＝...＝Kmd,n×σV,n (1-2)
式中σV,i表示第i颗卫星故障时，垂直方向定位误差的标准差；
同时，Kmd,i应满足如下条件：
Figure BDA0002506960710000032
式中Psat(i)表示第i颗卫星的先验故障概率；
使用数值搜索法获取优化后的Kmd,i值；选择几何分布最差，即σV,i最大的卫 星开始调整，σV,i最大则Kmd,i最小，而较小的Kmd,i值对应较大的PHMI分配。
优选的，采用数值搜索法对Kmd,i进行优化的过程中，应当选择合适的迭代 步长，迭代结束的条件可以根据实际需要自行设定，例如：将判定条件设置为
Figure BDA0002506960710000033
迭代结束后，可以获取一组优化后 的Kmd值。
优选的，所述误差检测门限的公式为：
Figure BDA0002506960710000041
式中σdV,i表示垂直方向定位误差差值的标准差；ΔSi＝Si-S0，其中，S0和Si分别表示卫星无故障和第i颗卫星故障条件下的投影矩阵；bnorm,i表示第i颗卫星 的连续性偏差。
优选的，所述垂直保护水平的公式为：
Figure RE-GDA0002569306590000042
Figure RE-GDA0002569306590000043
式中σV,0和σV,i分别表示卫星无故障和第i颗卫星故障时，垂直方向定位误 差的标准差；bmax,i表示第i颗卫星的完好性偏差。
优选的，利用获取的载波相位观测数据，并行采用CRAIM算法计算用户完 好性，包括：
使用载波相位观测量和平滑后的伪距观测量组合作为观测数据，利用PPP 算法完成定位解算；
将相应的误警概率Pfa和危险性误导信息概率PHMI合理地分配到每个故障 风险中，为每个故障风险找到合理的PL值，最终计算得到垂直方向上的用户保 护水平VPL＝max(VPL0,max(VPLi))＜VAL，其中，VPL0表示卫星无故障时的VPL 值；VPLi表示扣除第i颗故障卫星后，其余可见卫星对应的VPL值；VAL表示 垂直告警限值。
一种北斗三号系统用户完好性处理的优化装置，包括：
优化的ARAIM计算模块，用于输出采用单点定位算法时的定位结果和采用 ARAIM优化算法时的VPL计算结果；
CRAIM计算模块，用于输出采用PPP算法时的定位结果和采用CRAIM算 法时的VPL计算结果；
输出模块，用于确定PPP定位结果是否收敛，进而输出该历元的VPL计算 结果。
优选的，所述输出模块，当PPP定位结果未收敛时，输出优化后ARAIM 算法的VPL计算结果，当PPP定位结果已收敛时，输出CRAIM算法的VPL计 算结果。
本发明的有益效果在于：
本发明采用合理的ARAIM算法，可以实现航空器的垂直制导，采用CRAIM 算法可以在一定程度上解决伪距观测值噪声较大的问题，综合两类算法可实现 VPL值对VPE计算结果更为紧致的包络，该方法解决了传统RAIM算法无法支 持垂直制导和伪距观测量噪声较大的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明北斗三号系统用户完好性处理的优化方法的流程图。
图2为本发明ARAIM算法优化处理流程图。
图3为本发明北斗三号系统用户完好性处理的优化装置的框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅附图1-2，本发明提供了一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方 法，包括：
S101：利用获取的伪距观测数据，采用优化误警概率和危险性误导信息概 率分配的方式，对基于MHSS的ARAIM算法进行优化，计算用户完好性；
S102：利用获取的载波相位观测数据，并行采用CRAIM算法计算用户完好 性；
S103：分析PPP定位误差的计算结果；
S104：当PPP定位结果满足收敛条件时，采信CRAIM算法的完好性计算 结果；
S105：当PPP定位结果不满足收敛条件时，采信优化后ARAIM算法的完 好性计算结果。
本发明在传统RAIM算法的基础上，采用合理的ARAIM算法，可以达到 民航系统LPV-200的要求，并行采用CRAIM算法可以有效提升系统的可用性。 本发明提供了一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，以解决传统RAIM 算法无法支持垂直制导和伪距观测量噪声较大的问题。
下面分别对上述步骤进行详细的说明。
本实施例中，步骤S101中基于MHSS的ARAIM算法将完好性风险分配到 多类故障假设中，通过求解连续性和完好性风险的最优分配策略来计算垂直保 护水平，这样能够使算法更加严格和灵活，易于工程实现。
其中ARAIM算法的具体步骤包括：
步骤1：求解第i颗卫星的检验统计量
线性化后的系统观测方程为：
L＝Hx+V (2-1)
式中L表示观测伪距与伪距预测值之间的差；H表示观测矩阵；x表示接收 机位置误差和钟差；V表示服从零均值高斯分布的伪距观测误差。
设可见卫星数为n，利用加权最小二乘法求解无故障条件下x的估计值
Figure BDA0002506960710000071
和 扣除第i颗故障卫星后x的估计值
Figure BDA0002506960710000072
分别为：
Figure BDA0002506960710000073
Figure BDA0002506960710000074
式中S0表示卫星无故障条件下的投影矩阵；Si表示第i颗卫星故障条件下的 投影矩阵；Mi表示第i个对角元素为0的单位矩阵；
Figure BDA0002506960710000075
表示与完好性相关的 权逆阵，各个对角线元素由卫星的URA和各项观测误差组成：
Figure BDA0002506960710000076
Figure BDA0002506960710000077
对
Figure BDA0002506960710000078
和
Figure BDA0002506960710000079
作差，第i颗卫星的检验统计量为
Figure BDA00025069607100000710
步骤2：求解3组K系数
ARAIM算法涉及3组K系数的计算：Kfa,i，Kmd,0和Kmd,i，其中，Kfa,i表 示由连续性风险概率计算而得的系数；Kmd,0和Kmd,i表示由完好性风险概率计算 而得的系数。这些系数的大小直接影响VPL的计算结果。从满足连续性和完好 性的需求出发，3组K系数的公式分别为：
Figure BDA0002506960710000081
Figure BDA0002506960710000082
Figure BDA0002506960710000083
式中
Figure BDA0002506960710000084
Pfa表示误警率；PHMI表示危险性误导信息概率；Q表示单边标准正态累积分布函数；Psat(i)表 示第i颗卫星的先验故障概率。通常会将某个GNSS系统中的卫星先验故障故障 概率设为同一值，如果系统中不同卫星的Psat(i)不相同，在ARAIM算法的实现 过程中可以进行修改。
优化的ARAIM算法采取优化误警概率Pfa和危险性误导信息概率PHMI分 配的方式，使得Kfa和Kmd与垂直定位误差协方差相关，达到优化VPLi最大值的 目的。
Kmd,0系数的公式为：
Figure BDA0002506960710000085
具体的，以Kmd的优化为例，优化过程包含以下步骤：
步骤(1)：将对VPLi取值产生影响的Kmd,i×σV,i设为相等，即
Kmd,1×σV,1＝Kmd,2×σV,2＝...＝Kmd,n×σV,n (2-10)
式中σV,i表示第i颗卫星故障时，垂直方向定位误差的标准差。
同时，Kmd,i应满足如下条件：
Figure BDA0002506960710000086
步骤(2)：使用数值搜索法获取优化后的Kmd,i值。选择σV,i最大的卫星开 始调整，σV,i最大，即卫星几何分布最差，而σV,i最大则Kmd,i最小，较小的Kmd,i值又会对应较大的PHMI分配。
优化过程中选择合适的迭代步长(3％-5％)，迭代结束的条件根据需要自 行设定，可以将其设置为
Figure BDA0002506960710000091
迭代结束 后，可以获取一组优化后的Kmd值。Kfa值的优化处理过程类似，在此不再详述。
理想情况下，Pfa和PHMI能够同时达到最优配置。通常先对Pfa进行处理， 而后处理PHMI，最终使得VPL对垂直定位误差的包络性更加理想。
步骤3：筛选故障卫星并剔除
求解由符合连续性风险概率的垂直定位误差和由连续性偏差引起的垂直定 位误差两部分组成的误差检测门限Di。
所述误差检测门限的公式为：
Figure BDA0002506960710000092
ΔSi＝Si-S0 (2-13)
式中σdV,i表示垂直方向定位误差差值的标准差；bnorm,i表示第i颗卫星的连续 性偏差。σdV,i的计算公式如下：
Figure BDA0002506960710000093
式中Wacc表示对角线元素由卫星URE和各项观测误差组成的加权对角阵。
判断第i颗卫星是否为故障卫星，如果di＞Di，则将该卫星剔除。
步骤4：求解垂直保护水平
求解由符合完好性风险概率的垂直定位误差和由完好性偏差引起的垂直定 位误差两部分组成的垂直保护水平VPL0和VPLi。
求解当前历元的垂直保护水平VPL＝max(VPL0,max(VPLi))。
垂直保护水平的公式为：
Figure RE-GDA0002569306590000101
Figure RE-GDA0002569306590000102
式中σV,0表示卫星无故障时，垂直方向定位误差的标准差；bmax,i表示第i 颗卫星的完好性偏差。
上述步骤S102中，利用获取的载波相位观测数据，并行采用CRAIM算法 计算用户完好性，具体步骤包括：
步骤a：利用PPP算法完成定位解算
采用双频伪距和载波相位观测量的线性组合来解算定位结果，采用与高度 角相关的正弦随机函数模型作为观测噪声模型。观测方程为：
Figure BDA0002506960710000103
ΦIF＝ρ+c·Δti-c·Δtj+Δtrop+ΔN+εφ (2-20)
式中ρ～IF和ΦIF分别表示伪距和载波相位无电离层组合观测量；ρ表示接收 机到卫星的几何距离；Δti和Δtj分别表示接收机和卫星钟差；Δtrop表示对流层延 迟误差；ΔN表示双频载波的组合模糊度(包含卫星相位和接收机相位通道时 延)；ερ表示伪距噪声；εφ表示载波相位噪声；c表示光速。
利用Kalman滤波进行参数估计，由于采用无电离层组合，故状态向量
Figure BDA0002506960710000107
表 示为：
Figure BDA0002506960710000104
式中
Figure BDA0002506960710000105
表示接收机位置参数；Δtr表示接收机钟差；Δtrop-wet表示对流层天顶 延迟湿分量；ΔN表示双频载波的组合模糊度。
Kalman滤波的状态转移矩阵Φk,k-1为diag(I3×3,1,1,In×n)，其中I3×3,In×n表示相应维度的单位矩阵；hk表示观测函数，由伪距观测函数
Figure BDA0002506960710000106
和载波相位观测函数
Figure BDA0002506960710000111
组成，对观测函数hk求偏导得到量测矩阵为：
Figure BDA0002506960710000112
式中-1n×3,1n×1表示全“1”矩阵；MT＝(mw(E1),mw(E2),...,mw(En)),mw(Ei)表示 NMF模型中的湿分量投影函数。
步骤b：计算用户保护水平，CRAIM算法中的用户保护水平满足：
Figure BDA0002506960710000113
式中
Figure BDA0002506960710000114
表示用户的定位误差；AL表示告警限值；d表示故障检测统计量；D 表示故障检测阈值；PHMI表示危险误导信息概率。
将相应的误警概率Pfa和危险性误导信息概率PHMI合理地分配到每个故障 风险中，为每个故障风险找到合理的PL值，最终计算得到垂直方向上的用户保 护水平。
VPL＝max(VPL0,max(VPLi))＜VAL (2-24)
上述步骤S103-S105中，分析CRAIM算法中PPP定位误差的计算结果，以 东、北、天三个方向的定位误差均小于0.2m，且持续时长为100个历元作为完 成收敛的条件。当PPP定位结果满足上述收敛条件时，采信CRAIM算法的完 好性计算结果；当PPP定位结果不满足上述收敛条件时，采信优化后ARAIM 算法的完好性计算结果。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种北斗三号系统用户完好性 处理的优化装置，由于该装置所解决问题的原理与前述北斗三号系统用户完好 性处理的优化方法相似，因此该装置的实施可以参见前述方法的实施，重复之 处不再赘述。
本发明实施例提供一种北斗三号系统用户完好性处理的优化装置，参照图3 所示，包括：
优化的ARAIM计算模块31，用于输出采用SPP算法时的定位结果和采用 ARAIM优化算法时的VPL计算结果；
CRAIM计算模块32，用于输出采用PPP算法时的定位结果和采用CRAIM 算法时的VPL计算结果；
输出模块33，用于确定PPP定位结果是否收敛，进而输出该历元的VPL计 算结果。
为了进一步优化上述技术方案，上述输出模块33，当PPP定位结果未收敛 时，采信优化后ARAIM算法的完好性计算结果，当PPP定位结果已收敛时， 采信CRAIM算法的完好性计算结果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于 实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较 简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本 发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的， 本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它 实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要 符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，其特征在于，包括：
利用获取的伪距观测数据，采用优化误警概率和危险性误导信息概率分配的方式，对基于MHSS的ARAIM算法进行优化，计算用户完好性；
利用获取的载波相位观测数据，并行采用CRAIM算法计算用户完好性；
分析PPP定位误差的计算结果，当PPP定位结果满足收敛条件时，采信CRAIM算法的完好性计算结果；当PPP定位结果不满足收敛条件时，采信优化后ARAIM算法的完好性计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，其特征在于，PPP定位结果收敛的条件为：东、北、天三个方向的定位误差均小于0.2m，且持续时长为100个历元。
3.根据权利要求1所述的一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，其特征在于，采用优化误警概率和危险性误导信息概率分配的方式，对基于MHSS的ARAIM算法进行优化，计算用户完好性，包括：
利用加权最小二乘法求解无故障条件下接收机位置误差和钟差x的估计值
Figure FDA0003526895030000011
和扣除第i颗故障卫星后x的估计值
Figure FDA0003526895030000012
计算第i颗卫星的检验统计量
Figure FDA0003526895030000013
求解3组K系数Kfa,i，Kmd,0和Kmd,i，其中，Kfa,i表示由连续性风险概率计算而得的系数；Kmd,0和Kmd,i表示由完好性风险概率计算而得的系数；
求解由符合连续性风险概率的垂直定位误差和由连续性偏差引起的垂直定位误差两部分组成的误差检测门限Di；
判断第i颗卫星是否为故障卫星，如果di＞Di，则将该卫星剔除；
求解当前历元的垂直保护水平VPL＝max(VPL0,max(VPLi))，其中，VPL0表示卫星无故障时的VPL值；VPLi表示扣除第i颗故障卫星后，其余可见卫星对应的VPL值。
4.根据权利要求3所述的一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，其特征在于，所述Kmd,0系数的公式为：
Figure FDA0003526895030000021
式中PHMI表示危险性误导信息概率；Q表示单边标准正态累积分布函数；n表示当前历元可见卫星数；
采取优化危险性误导信息概率分配的方式，所述Kmd,i系数的计算方式包括：
将对VPLi取值产生影响的Kmd,i×σV,i设为相等，即
Kmd,1×σV,1＝Kmd,2×σV,2＝...＝Kmd,n×σV,n (1-2)
式中σV,i表示第i颗卫星故障时，垂直方向定位误差的标准差；
同时，Kmd,i应满足如下条件：
Figure FDA0003526895030000022
式中Psat(i)表示第i颗卫星的先验故障概率；
使用数值搜索法获取优化后的Kmd,i值；选择几何分布最差，即σV,i最大的卫星开始调整，σV,i最大则Kmd,i最小，而较小的Kmd,i值对应较大的PHMI分配。
5.根据权利要求4所述的一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，其特征在于，采用数值搜索法对Kmd,i进行优化的过程中，选择合适的迭代步长，迭代结束的条件根据实际需要自行设定，将判定条件设置为
Figure FDA0003526895030000023
迭代结束后，获取一组优化后的Kmd值。
6.根据权利要求3所述的一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，其特征在于，所述误差检测门限的公式为：
Figure FDA0003526895030000031
式中σdV,i表示垂直方向定位误差差值的标准差；ΔSi＝Si-S0，其中，S0和Si分别表示卫星无故障和第i颗卫星故障条件下的投影矩阵；bnorm,i表示第i颗卫星的连续性偏差。
7.根据权利要求3所述的一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，其特征在于，所述垂直保护水平的公式为：
Figure FDA0003526895030000032
Figure FDA0003526895030000033
式中σV,0和σV,i分别表示卫星无故障和第i颗卫星故障时，垂直方向定位误差的标准差；bmax,i表示第i颗卫星的完好性偏差。
8.根据权利要求1所述的一种北斗三号系统用户完好性处理的优化方法，其特征在于，利用获取的载波相位观测数据，并行采用CRAIM算法计算用户完好性，包括：
使用载波相位观测量和平滑后的伪距观测量组合作为观测数据，利用PPP算法完成定位解算；
将相应的误警概率Pfa和危险性误导信息概率PHMI合理地分配到每个故障风险中，为每个故障风险找到合理的PL值，最终计算得到垂直方向上的用户保护水平VPL＝max(VPL0,max(VPLi))＜VAL，其中，VPL0表示卫星无故障时的VPL值；VPLi表示扣除第i颗故障卫星后，其余可见卫星对应的VPL值；VAL表示垂直告警限值。
9.一种北斗三号系统用户完好性处理的优化装置，其特征在于，包括：
优化的ARAIM计算模块，用于输出采用单点定位算法时的定位结果和采用ARAIM优化算法时的VPL计算结果；
CRAIM计算模块，用于输出采用PPP算法时的定位结果和采用CRAIM算法时的VPL计算结果；
输出模块，用于确定PPP定位结果是否收敛，进而输出100个历元的VPL计算结果，所述输出模块，当PPP定位结果未收敛时，输出优化后ARAIM算法的VPL计算结果，当PPP定位结果已收敛时，输出CRAIM算法的VPL计算结果。
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