CN111538041A - 一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法。本发明属于全球导航卫星系统空间信号异常自主监测领域，具体涉及到一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法。本发明包括：步骤1，根据联动节点间以及星间两次差分，建立伪距与载波相位双差观测模型，并基于三频双差观测量组合建立几何无关电离层放大型检测统计量；步骤2，针对三频载波相位双差观测模型，构建几何无关‑消电离层组合求解整周模糊度。本发明利用GNSS多频观测量的组合构建几何无关电离层放大型检测统计量，进行误警与漏检双重假设检验，实现对电离层梯度异常监测中误警和漏检错误的同步控制，有利于动对动平台电离层梯度完好性监测。

Description

一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法
技术领域
本发明属于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)空间信号异常自主监测领域，具体涉及到一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法。
背景技术
电离层梯度异常是空间信号质量监测所需考虑的重要风险源。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，难以通过精确模型消除其对精密定位造成的误差，因此只能通过监测的方式检测并排除异常电离层梯度对空间信号质量的影响。
传统地基增强系统(Ground-Based Augmentation System，GBAS)电离层梯度完好性均是在精确基准站的辅助下实现监测，在精密参考基准站缺失的场景下很难发挥作用。然而现如今，无精密参考基准站的应用场景日益增多，例如，车辆编队行进、智慧农机协同作业、无人飞机编队飞行等，为此提出一种电离层梯度完好性监测的方法，以适应无精密参考基准站的应用需求，并对电离层梯度异常监测中误警和漏检错误进行同步控制，是动对动模式下电离层梯度完好性监测的关键所在。
综上所述，发明一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测的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基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法，包括如下步骤：
步骤1，根据联动节点间以及星间两次差分，建立伪距与载波相位双差观测模型，并基于三频双差观测量组合建立几何无关电离层放大型检测统计量；
步骤2，针对三频载波相位双差观测模型，构建几何无关-消电离层组合求解整周模糊度；
步骤3，根据步骤1所建立几何无关电离层放大型检测统计量以及误警概率要求获取检测门限。判断检测统计量是否超过检测门限，当超过电离层检测门限应当及时告警并标记出来；否则，进入下一步骤；
步骤4，利用步骤1所建立几何无关电离层放大型检测统计量与步骤3所得检测门限，计算漏检率错误概率，判断漏检率错误概率是否满足漏检率约束要求；
步骤5，同时满足步骤3与步骤4的误警与漏检双重假设检验后，则认为电离层梯度正常，实现对电离层梯度异常监测中误警和漏检错误的同步控制。
步骤1基于三频观测量组合建立几何无关电离层放大型检测统计量，能够提升电离层梯度异常监测灵敏度，缩短监测对初始化时间的需求。
步骤2中构建几何无关-消电离层组合求解整周模糊度，能够提高在精密参考基准站缺失与长基线情况下整周模糊度固定成功率。
步骤5为同时满足步骤3与步骤4的误警与漏检双重假设检验后，则认为电离层梯度正常，实现对电离层梯度异常监测中误警和漏检错误的同步控制。有利于电离层梯度异常的监测。
本发明的有益效果在于：
电离层梯度异常是空间信号质量监测所需要考虑的重要风险源，面对动对动应用环境导致精确参考基准缺失的关键问题，利用GNSS多频观测量的组合构建几何无关电离层放大型检测统计量，进行误警与漏检双重假设检验，实现对电离层梯度异常监测中误警和漏检错误的同步控制，有利于动对动平台电离层梯度完好性监测。
附图说明
图1为基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
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，难以通过精确模型消除其对精密定位造成的误差，因此只能通过监测的方式检测并排除电离层梯度异常对空间信号质量的影响。面对动对动应用环境导致精确参考基准缺失的关键问题，本发明基于GNSS 三频观测量组合构建几何无关电离层放大型检测统计量，在无固定参考基准下对电离层梯度完好性展开监测，同时实现对电离层梯度异常监测中误警和漏检错误的同步控制。本发明利用GNSS三频观测量的组合构建几何无关电离层放大型检测统计量，实现电离层梯度异常的监测，并同步控制电离层梯度异常检测误警和漏检率错误。
如附图1所示，为本发明基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法的流程图。
步骤1，根据联动节点间以及星间两次差分，建立三频载波相位模型，并建立几何无关电离层放大型检测统计量。
首先根据联动节点间以及星间两次差分，建立伪距和载波相位双差观测模型，
Figure RE-GDA0002576200540000021
Figure RE-GDA0002576200540000022
式中，
Figure RE-GDA0002576200540000023
表示双差载波相位观测量，
Figure RE-GDA0002576200540000024
表示双差伪距观测量，
Figure RE-GDA0002576200540000025
表示与频率无关项，包含基线几何距离项和对流层延迟等，λ表示波长，
Figure RE-GDA0002576200540000026
表示双差电离层残差，ε表示观测噪声，k下标表示GNSS系统的频点，上标i，j表示对应卫星。
再由式(3)构建几何无关电离层放大组合型检测统计量，
Figure RE-GDA0002576200540000031
构建几何无关电离层放大组合求解检测统计量的关键是组合系数的选取，
Figure RE-GDA0002576200540000032
式中，q代表检测统计量，α表示组合系数，μ表示电离层比例系数，组合系数的选取将满足三重约束：(1)几何无关型组合
Figure RE-GDA0002576200540000033
即(2)电离层延迟系数达到最大，以提升电离层梯度异常监测灵敏度；(3)噪声放大系数足够小，以尽量缩短监测对初始化时间的需求。
步骤2，针对三频载波相位模型，使用几何无关-消电离层组合求解整周模糊度；
首先由式(1)与式(2)构建几何无关-消电离层组合，
Figure RE-GDA0002576200540000034
几何无关-消电离层组合求解整周模糊度关键是组合系数的选取，
Figure RE-GDA0002576200540000035
式中，εx表示几何无关-消电离层组合噪声量，γ表示几何无关组合系数，σ表示电离层无关组合系数，组合系数的选取将满足三重约束：(1)几何无关型组合系数
Figure RE-GDA0002576200540000036
即； (2)电离层无关组合系数
Figure RE-GDA0002576200540000037
(3)噪音系数足够小，以尽量缩短监测对初始化时间的需求。
针对约束(3)为了保证模糊度解算成功率，并且尽量缩短监测对初始化时间的需求，采用多历元平滑的方法降低几何无关-消电离层组合的噪声，由误差传播规律可得平滑后噪声方差如下：
Figure RE-GDA0002576200540000041
式中，γ表示几何无关-消电离层组合的组合系数；λx表示组合后波长；σ表示双差观测量均方差；L表示移动平滑长度(Moving average length,MAL)。
显然，增加MAL有利于抑制组合观测噪声，但在多历元平滑过程中整周模糊度发生周跳的概率也会增高，而且过长的MAL也无法满足对电离层梯度监测的高实时性需求，因此监测算法需要在模糊度解算成功率和MAL之间取得平衡。
利用式(5)、式(6)求解整周模糊度，代入式(7)获取几何无关电离层放大组合型检测统计量。
步骤3，根据步骤1所建立几何无关电离层放大型检测统计量以及由误警概率要求获取检测门限，判断检测统计量是否超过检测门限，当超过电离层检测门限应当及时告警并标记出来；否则进入下一步骤。
尽管采用几何无关-消电离层组合可以避免电离层梯度异常对整周模糊度解算造成的影响，但是整周模糊度解算后仍然具有随机特性，错误的模糊度解算会使检测统计量产生偏差，影响电离层梯度异常监测的完好性。根据检测统计量分别在有无模糊度解算失败以及有无空间梯度异常时所服从的统计分布特性，构建监测算法在不同整周模糊度解算失败模式下的误警错误的约束为，
Figure RE-GDA0002576200540000042
式中，PFA表示误警率要求，T表示检测门限，CF表示模糊度解算正确，IFi表示模糊度解算偏离真值±i周，Nfa为由误警率计算精度要求约束得到的所需考虑整周模糊度解算失败模式。根据误警概率要求，由式(1)可以计算所需的检测门限T，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。通过比较检测统计量q和检测门限T，可对电离层梯度异常完好性监测的误警错误进行约束。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。
步骤4，利用步骤1所建立几何无关电离层放大型检测统计量与步骤3所得检测门限，计算漏检率错误概率，判断漏检率错误概率是否满足由漏检率约束要求：
当所有检测统计量都在检测门限T保护水平之内时，则需计及整周模糊度解算失败的影响，基于最差情况保护原则计算漏检概率，
Figure RE-GDA0002576200540000051
式中，Nmd为由漏检率计算精度要求约束得到的所需考虑整周模糊度解算失败模式。由此利用GNSS三频组合几何无关型检测统计量与检测门限，基于漏检率约束要求PMD以及计算漏检率错误Pmd的双重检验，实现电离层梯度异常的自主监测。
步骤5，同时满足步骤3与步骤4的误警与漏检双重假设检验后，则认为电离层梯度正常，实现对电离层梯度异常监测中误警和漏检错误的同步控制。
综上，本发明公开一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法。本发明主要包括骤 1，根据联动节点间以及星间两次差分，建立伪距与载波相位双差观测模型，并基于三频双差观测量组合建立几何无关电离层放大型检测统计量；步骤2，针对三频载波相位观测模型，构建几何无关-消电离层组合求解整周模糊度；步骤3，根据步骤1所建立几何无关电离层放大型检测统计量以及误警概率要求获取检测门限。判断检测统计量是否超过检测门限，当超过电离层检测门限应当及时告警并标记出来；否则，进入下一步骤；步骤4，利用步骤1所建立几何无关电离层放大型检测统计量与步骤3所得检测门限，计算漏检率错误概率，判断漏检率错误概率是否满足漏检率约束要求；步骤5，同时满足步骤3与步骤4的误警与漏检双重假设检验后，则认为电离层梯度正常。本发明通过利用GNSS三频观测量的组合构建几何无关电离层放大型检测统计量，实现电离层梯度异常的监测.针对传统的电离层梯度异常完好性监测必须依赖精确基准站的辅助才能实现电离层梯度异常监测的弊端，本发明可适应无精密参考基准站的应用需求,并对电离层梯度异常监测中误警和漏检错误进行同步控制,实现动对动模式下电离层梯度完好性监测。
当然，本发明还可以有其他多种实例，在不偏离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域技术人员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电离层梯度完好性监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据联动节点间以及星间两次差分，建立伪距与载波相位双差观测模型，并基于三频双差观测量组合建立几何无关电离层放大型检测统计量；
步骤2，针对三频载波相位双差观测模型，构建几何无关-消电离层组合求解整周模糊度；
步骤3，根据步骤1所建立几何无关电离层放大型检测统计量以及误警概率要求获取检测门限；判断检测统计量是否超过检测门限，当超过电离层检测门限应当及时告警并标记出来；否则，进入下一步骤；
步骤4，利用步骤1所建立几何无关电离层放大型检测统计量与步骤3所得检测门限，计算漏检率错误概率，判断漏检率错误概率是否满足漏检率约束要求；
步骤5，同时满足步骤3与步骤4的误警与漏检双重假设检验后，则认为电离层梯度正常，实现对电离层梯度异常监测中误警和漏检错误的同步控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法，其特征在于；所述步骤1，首先根据联动节点间以及星间两次差分，建立伪距和载波相位双差观测模型，
Figure FDA0002420383180000011
Figure FDA0002420383180000012
式中，Δ▽φ表示双差载波相位观测量，Δ▽P表示双差伪距观测量，Δ▽r表示与频率无关项，包含基线几何距离项和对流层延迟等，λ表示波长，Δ▽I表示双差电离层残差，ε表示观测噪声，k下标表示GNSS系统的频点，上标i，j表示对应卫星；
再由式构建几何无关电离层放大组合型检测统计量，
Figure FDA0002420383180000013
构建几何无关电离层放大组合求解检测统计量的关键是组合系数的选取，
Figure FDA0002420383180000014
式中，q代表检测统计量，α表示组合系数，μ表示电离层比例系数，组合系数的选取将满足三重约束：几何无关型组合
Figure FDA0002420383180000015
电离层延迟系数达到最大，以提升电离层梯度异常监测灵敏度；噪声放大系数足够小，以尽量缩短监测对初始化时间的需求。
3.根据权利要求1所述的一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法，其特征在于，所述步骤2首先由式与式构建几何无关-消电离层组合，
Figure FDA0002420383180000021
几何无关-消电离层组合求解整周模糊度关键是组合系数的选取，
Figure FDA0002420383180000022
式中，εx表示几何无关-消电离层组合噪声量，γ表示几何无关组合系数，σ表示电离层无关组合系数，组合系数的选取将满足三重约束：几何无关型组合系数
Figure FDA0002420383180000023
电离层无关组合系数
Figure FDA0002420383180000024
噪音系数尽量缩短监测对初始化时间的需求；由误差传播规律可得平滑后噪声方差如下：
Figure FDA0002420383180000025
式中，γ表示几何无关-消电离层组合的组合系数；λx表示组合后波长；σ表示双差观测量均方差；L表示移动平滑长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法，其特征在于，所述步骤3中根据检测统计量分别在有无模糊度解算失败以及有无空间梯度异常时所服从的统计分布特性，构建监测算法在不同整周模糊度解算失败模式下的误警错误的约束为，
Figure FDA0002420383180000026
式中，PFA表示误警率要求，T表示检测门限，CF表示模糊度解算正确，IFi表示模糊度解算偏离真值±i周，Nfa为由误警率计算精度要求约束得到的所需考虑整周模糊度解算失败模式。
5.根据权利要求1所述的一种基于动对动平台电离层梯度完好性监测方法，其特征在于，所述步骤4中当所有检测统计量都在检测门限T保护水平之内时，则需计及整周模糊度解算失败的影响，基于最差情况保护原则计算漏检概率，
Figure FDA0002420383180000031
式中，Nmd为由漏检率计算精度要求约束得到的所需考虑整周模糊度解算失败模式；由此利用GNSS三频组合几何无关型检测统计量与检测门限，基于漏检率约束要求PMD以及计算漏检率错误Pmd的双重检验，实现电离层梯度异常的自主监测。
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