CN111830535A - 一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于全球导航卫星系统(GNSS)完好性监测领域，具体涉及一种基于无参考基准约束条件对观测噪声进行自主监测的，基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法。本发明包括：(1)计算原始观测数据的双差伪距和载波相位观测值；(2)选择多品组合系数求解超宽巷模糊度；(3)计算超宽巷组合的整周模糊度；(4)计算检验统计量；(5)求取检测门限。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。满足了软件接收机的观测噪声检测的连续性需求与完好性风险。

Description

一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法

技术领域

本发明属于全球导航卫星系统(GNSS)完好性监测领域，具体涉及一种基于无参考基准约束条件对观测噪声进行自主监测的，基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法。

背景技术

近年来，我国大力发展交通事业，其中铁路行业尤为明显。随着我国加大了铁路投资和建设力度，铁路作为国家重要基础建设、经济命脉和重要的交通工具，铁路运输能力大幅度提升有效地解决了铁路在交通运营存在的问题，促进了国民经济的发展及和谐社会的建设。虽然列车运行速度的提升增加了我国整体运输能力，为国家带来了显著的社会和经济效益，但高速运行的列车发生事故将给乘客带来毁灭性的，给国家造成巨大的损失。列车运行安全问题己成为人们关注的焦点。随着卫星定位技术不断完善，许多国家开始将卫星定位技术应用在列车定位系统，在卫星信号可用情况下，基于卫星定位系统的列车通过卫星定位技术可获得列车的位置信息，并且列车位置误差不会随时间累积。此时，列车不再需要依靠应答器、轨道电路及其他轨旁设备实现列车定位，这不仅降低铁路基础设施的成本、改善铁路员工的工作环境，更提升了铁路运输效率。在应用卫星定位技术的列车定位系统中，列车的位置、速度等信息可通过卫星定位接收机处理接收到的卫星信号计算得出。随着列车运行速度不断提高及列车运行环境的复杂变化，列车定位系统不仅要在更短时间内计算出列车位置信息，而且对计算结果的可信度提出更高要求。接收机的定位结果是否可信，是否能在检测到故障卫星信号时发出告警，该问题是评价全球导航卫星系统的一个重要服务性能标准，即完好性指标。完好性是指卫星定位误差超过允许门限时，系统能够及时给出告警的能力。完好性本质上是对系统所提供信息正确性的置信度测量。在完善接收机性能的过程中，需要不断改进接收机卫星信号处理算法，同时接收机硬件结构也需要做相应改变。接收机的升级换代给设计者和用户带来一定不便，如何在不改变接收机硬件结构的情况，只通过更新软件逻辑实现接收机功能调整与优化，己成为当前该领域的研究热点。在列车定位系统中，采用带有自主完好性监测功能的软件接收机替换常规接收机，软件接收机不仅可以将列车位置信息提供给列车运行控制系统，还实现了对列车定位观测信息的完好性监测功能，在提高列车位置信息可信度的同时，方便用户根据应用场景对列车定位结构、逻辑实施动态重构与调整对软件接收机的更新换代，降低系统实施与应用成本，提升系统灵活性与自主性。有效地发挥卫星导航系统优势在铁路应用中的叠加，推进北斗卫星导航在下一代列车运行控制系统中的应用，实现列车运行控制更安全、更高效、成本效益优化的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充分观测噪声检测统计量在无告警的情况下实现的基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，包括以下步骤：

(1)计算原始观测数据的双差伪距和载波相位观测值；

(2)选择多组合系数求解超宽巷模糊度；

(3)计算超宽巷组合的整周模糊度；

(4)计算检验统计量；

(5)求取检测门限；

(6)当检测统计量都在检测门限以内时，计算实际漏检率并与预设漏检率比较，当实际漏检率大于预设漏检率时，系统进行告警；当检测统计量大于检测门限时告警系统进行告警，否则重新执行步骤(1)。

优选的，所述步骤(1)包括如下步骤：

(1.1)解码得接收到的卫星数据和参考站数据，卫星数据包括观测数据、广播星历；

(1.2)对观测数据中的信噪比值进行控制；

(1.2.1)存储卫星的第一数量个历元的信噪比值；

(1.2.2)比较卫星的第二数量个历元的信噪比值与第一数量个历元的信噪比的均值；若小于均值，判定第二数量个历元的信噪比异常；若不小于均值，判定第二数量个历元的信噪比正常；

(1.3)根据伪距观测量与参考站的伪距观测量的差值，舍弃无效的伪距观测量；伪距观测量与参考站的伪距观测量的差值的绝对值大于设定阈值时，舍弃该伪距观测量，该设定阈值为300000；

(1.4)获取单点定位结果，并对定位结果进行卡尔曼滤波，利用定位结果和卫星的位置求解得到星地距离，改正电离层误差、对流层误差；计算该星地距离与伪距观测量的差值，得到双差伪距残差；对双差伪距残差进行中位数、中误差求解，每个双差伪距残差与中位数进行作差，如果差值超出3倍的中误差，判断该双差伪距异常，对该颗卫星进行标记并进行降权；

所述的双差伪距是

其中，

表示所述双差伪距，

为双差几何距离，

为双差卫星星历误差，

为双差对流层延时，

为双差电离层延时，

为双差伪距观测噪声。

优选的，基于基站到卫星的直线距离和卫星钟差计算得到基准站到卫星距离的变化量和卫星钟差变化量；基于所述基准站到卫星距离的变化量和卫星钟差变化量推算得出载波相位观测量，所述的载波相位观测量为：

其中，

为第i颗卫星的载波相位观测量，

为第i颗卫星的双差整周模糊度，

为双差载波观测噪声。

优选的，求解超宽巷模糊度包括：存储器用于存储可执行代码,所述可执行代码，具体包括计算机操作指令所述处理器用于执行所述可执行代码建立双差宽巷观测值函数模型、设置所述双差宽巷观测值函数模型中的待估参数，建立闭合环条件方程、根据所述双差宽巷观测值函数模型、待估参数和闭合环条件方程，采用滤波算法解算出宽巷模糊度参数浮点解、利用模糊度搜索技术，获取所述参数浮点解对应的超宽巷模糊度；

所述的超宽巷模糊度为：

其中，

表示所述参数浮点解对应的超宽巷模糊度，c为光速，i表示第i颗卫星、j表示第j颗卫星，其中，i,j＝1,2,3且i≠j，f为双差载波频率,

为双差载波相位观测量；λ_MW为组合波长；

表示所述第i颗卫星的待估参数。

优选的，计算超宽巷组合的整周模糊度包括：接收基站发出的信号，从接收到的信号中获得载波相位观测量，直接利用载波相位观测量构建关于整周模糊度的线性观测模型，以确定整周模糊度；所述载波相位观测量经双向测距获得；所述的整周模糊度为：

其中，q为载波相位观测量残差，整周模糊度为

优选的，检验统计量为：

设置误警率

其中，H₀为多径及观测噪声无异常、H₁为多径及观测噪声异常，T为检测门限，CF为模糊度解算正确；IF为模糊度解算失败。

优选的，计算检测统计量E[q]为：

计算

e为软件接收机1_2×1维列向量；软件接收机基线向量b的设计矩阵为A；

表示提取的软件接收机克罗内特积算子。

优选的，实际漏检率为：

优选的，在所述检测统计量大于检测门限时告警系统进行告警前，还包括：

获取所述告警系统的运行时间参数与运行标识参数，同时，根据二叉搜索树，确定所述运行时间参数与所述运行标识参数对应的多个子时间区间，构成第一子时间区间集；

基于所述告警系统，将所述第一子时间区间集与所述告警系统内的预设区间进行校验；

提取所述第一子时间区间集中基于所述预设区间进行校验成功的子时间区间，构成第二子时间区间集，同时，将所述第二子时间区间集内的子时间区间进行叠加，获得连续时间区间；

根据所述连续时间区间，确定所述告警系统告警的起始时间；

将所述起始时间与所述告警系统内预设的目标起始时间进行比较，判断所述告警系统是否进行告警操作；

若所述起始时间与所述目标起始时间一致，控制所述告警系统进行告警操作；

同时，更新第二子时间区间集内的子时间区间，构成第三子时间区间集；

否则，不启动所述告警系统进行告警。

本发明的有益效果在于：

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。满足了软件接收机的观测噪声检测的连续性需求与完好性风险。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述

本发明提供了一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，1.一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算原始观测数据的双差伪距和载波相位观测值；

(2)选择多组合系数求解超宽巷模糊度；

(3)计算超宽巷组合的整周模糊度；

(4)计算检验统计量；

(5)求取检测门限；

(6)当检测统计量都在检测门限以内时，计算实际漏检率并与预设漏检率比较，当实际漏检率大于预设漏检率时，系统进行告警；当检测统计量大于检测门限时告警系统进行告警，否则重新执行步骤(1)。

本发明提供了一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，所述步骤(1)包括如下步骤：

(1.1)解码得接收到的卫星数据和参考站数据，卫星数据包括观测数据、广播星历；

(1.2)对观测数据中的信噪比值进行控制；

(1.2.1)存储卫星的第一数量个历元的信噪比值；

(1.2.2)比较卫星的第二数量个历元的信噪比值与第一数量个历元的信噪比的均值；若小于均值，判定第二数量个历元的信噪比异常；若不小于均值，判定第二数量个历元的信噪比正常；

(1.3)根据伪距观测量与参考站的伪距观测量的差值，舍弃无效的伪距观测量；伪距观测量与参考站的伪距观测量的差值的绝对值大于设定阈值时，舍弃该伪距观测量，该设定阈值为300000；

(1.4)获取单点定位结果，并对定位结果进行卡尔曼滤波，利用定位结果和卫星的位置求解得到星地距离，改正电离层误差、对流层误差；计算该星地距离与伪距观测量的差值，得到双差伪距残差；对双差伪距残差进行中位数、中误差求解，每个双差伪距残差与中位数进行作差，如果差值超出3倍的中误差，判断该双差伪距异常，对该颗卫星进行标记并进行降权；

所述的双差伪距是

其中，

表示所述双差伪距，

为双差几何距离，

为双差卫星星历误差，

为双差对流层延时，

为双差电离层延时，

为双差伪距观测噪声。

该方法基于基站坐标固定不变的特点，通过利用基站到卫星距离的变化量和卫星钟差变化量估算观测量的变化，从而实时推算基站观测量。该方法能够获得精确的伪距观测量，在通讯中断长达100s的时间内，能够推算得到精度高的伪距观测量和载波相位观测量，进而保证实时动态差分定位的连续性，提高定位率，满足定位频率需求。经验证，在通讯中断等长达100s的情况下，基于该推算获取的观测量获取的载波相位差分定位结果仍然能够达到厘米级精度。

本发明提供了一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，基于基站到卫星的直线距离和卫星钟差计算得到基准站到卫星距离的变化量和卫星钟差变化量；基于所述基准站到卫星距离的变化量和卫星钟差变化量推算得出载波相位观测量，所述的载波相位观测量为：

其中，

为第i颗卫星的载波相位观测量，

为第i颗卫星的双差整周模糊度，

为双差载波观测噪声。

本发明提供了一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，求解超宽巷模糊度包括：存储器用于存储可执行代码,所述可执行代码，具体包括计算机操作指令所述处理器用于执行所述可执行代码建立双差宽巷观测值函数模型、设置所述双差宽巷观测值函数模型中的待估参数，建立闭合环条件方程、根据所述双差宽巷观测值函数模型、待估参数和闭合环条件方程，采用滤波算法解算出宽巷模糊度参数浮点解、利用模糊度搜索技术，获取所述参数浮点解对应的超宽巷模糊度；

所述的超宽巷模糊度为：

其中，

表示所述参数浮点解对应的超宽巷模糊度，c为光速，i表示第i颗卫星、j表示第j颗卫星，其中，i,j＝1,2,3且i≠j，f为双差载波频率,

为双差载波相位观测量；λ_MW为组合波长；

表示所述第i颗卫星的待估参数。

本发明提供了一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，计算超宽巷组合的整周模糊度包括：接收基站发出的信号，从接收到的信号中获得载波相位观测量，直接利用载波相位观测量构建关于整周模糊度的线性观测模型，以确定整周模糊度；所述载波相位观测量经双向测距获得；所述的整周模糊度为：

其中，q为载波相位观测量残差，整周模糊度为

上述方案发明在使用观测模型的同时，能够对大气延迟误差进行参数估计,实时宽巷模糊度。同时本发明采用了载波相位观测值，因此不受伪距噪声的影响，观测值的精度很高。使得该方法不局限于短基线和电离层平静区域，具有一定的普适性。同时本发明采用一个闭合环区域作为一个整体解算单元，在该解算单元内统一建立模型，并通过模型参数的设置建立区域站点之间相关性，且认为信号源是相互独立的，这样在建立模型时，增加了观测值个数，但电离层参数个数没有改变，从而增加了方程的多余观测值,可以更快的收敛,得到稳定的参数估计值。可以不依赖于借助码相位测量或其他事先测量等手段以提供初始位置、初始距离来建立关于整周模糊度的线性观测模型，从而能够可靠地确定整周模糊度。

本发明提供了一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，检验统计量为：

设置误警率

其中，H₀为多径及观测噪声无异常、H₁为多径及观测噪声异常，T为检测门限，CF为模糊度解算正确；IF为模糊度解算失败。

本发明提供了一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，计算检测统计量E[q]为：

计算

e为软件接收机1_2×1维列向量；软件接收机基线向量b的设计矩阵为A；

表示提取的软件接收机克罗内特积算子。

本发明提供了一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，实际漏检率为：

上述方案利用多径及观测噪声信息，可检测出模糊度解算的幅值变化，提高了目标的检测精度，为接收机实际漏检的安全维护提供可靠的技术支持。

本发明提供了一种基于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，利用超宽巷组合求解整周模糊度，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。

本发明提供了一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，在所述检测统计量大于检测门限时告警系统进行告警前，还包括：

获取所述告警系统的运行时间参数与运行标识参数，同时，根据二叉搜索树，确定所述运行时间参数与所述运行标识参数对应的多个子时间区间，构成第一子时间区间集；

基于所述告警系统，将所述第一子时间区间集与所述告警系统内的预设区间进行校验；

提取所述第一子时间区间集中基于所述预设区间进行校验成功的子时间区间，构成第二子时间区间集，同时，将所述第二子时间区间集内的子时间区间进行叠加，获得连续时间区间；

根据所述连续时间区间，确定所述告警系统告警的起始时间；

将所述起始时间与所述告警系统内预设的目标起始时间进行比较，判断所述告警系统是否进行告警操作；

若所述起始时间与所述目标起始时间一致，控制所述告警系统进行告警操作；

同时，更新第二子时间区间集内的子时间区间，构成第三子时间区间集；

否则，不启动所述告警系统进行告警。

该实施例中，运行标识参数可以是针对告警系统对告警操作进行识别的参数。

该实施例中，预设区间是指在告警系统中提前设定好的用于与获得的区间进行校验的区间。

该实施例中，告警操作可以是语音提醒，也可以是系统内部进行报警。

上述方案发明在使用观测模型的同时，通过获取告警系统的运行时间参数，与运行标识参数，构成第一子时间区间集，从而有利于与预设区间进行校验，提高了工作的有效性，将时间进行叠加，更够利于获取报警的起始时间，从而提高了工作的高效性，更明确告警时机，提高了限时告警系统的适用性。

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 (9)

1.一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算原始观测数据的双差伪距和载波相位观测值；

(2)选择多组合系数求解超宽巷模糊度；

(3)计算超宽巷组合的整周模糊度；

(4)计算检验统计量；

(5)求取检测门限；

(6)当检测统计量都在检测门限以内时，计算实际漏检率并与预设漏检率比较，当实际漏检率大于预设漏检率时，系统进行告警；当检测统计量大于检测门限时告警系统进行告警，否则重新执行步骤(1)。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，所述步骤(1)包括如下步骤：

(1.1)解码得接收到的卫星数据和参考站数据，卫星数据包括观测数据、广播星历；

(1.2)对观测数据中的信噪比值进行控制；

(1.2.1)存储卫星的第一数量个历元的信噪比值；

(1.2.2)比较卫星的第二数量个历元的信噪比值与第一数量个历元的信噪比的均值；若小于均值，判定第二数量个历元的信噪比异常；若不小于均值，判定第二数量个历元的信噪比正常；

(1.3)根据伪距观测量与参考站的伪距观测量的差值，舍弃无效的伪距观测量；伪距观测量与参考站的伪距观测量的差值的绝对值大于设定阈值时，舍弃该伪距观测量，该设定阈值为300000；

(1.4)获取单点定位结果，并对定位结果进行卡尔曼滤波，利用定位结果和卫星的位置求解得到星地距离，改正电离层误差、对流层误差；计算该星地距离与伪距观测量的差值，得到双差伪距残差；对双差伪距残差进行中位数、中误差求解，每个双差伪距残差与中位数进行作差，如果差值超出3倍的中误差，判断该双差伪距异常，对该颗卫星进行标记并进行降权；

所述的双差伪距是

其中，

表示所述双差伪距，

为双差几何距离，

为双差卫星星历误差，

为双差对流层延时，

为双差电离层延时，

为双差伪距观测噪声。

3.根据权利要求2所述的一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，基于基站到卫星的直线距离和卫星钟差计算得到基准站到卫星距离的变化量和卫星钟差变化量；基于所述基准站到卫星距离的变化量和卫星钟差变化量推算得出载波相位观测量，所述的载波相位观测量为：

其中，

为第i颗卫星的载波相位观测量，

为第i颗卫星的双差整周模糊度，

为双差载波观测噪声。

4.根据权利要求3所述的一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，求解超宽巷模糊度包括：存储器用于存储可执行代码,所述可执行代码，具体包括计算机操作指令所述处理器用于执行所述可执行代码建立双差宽巷观测值函数模型、设置所述双差宽巷观测值函数模型中的待估参数，建立闭合环条件方程、根据所述双差宽巷观测值函数模型、待估参数和闭合环条件方程，采用滤波算法解算出宽巷模糊度参数浮点解、利用模糊度搜索技术，获取所述参数浮点解对应的超宽巷模糊度；

所述的超宽巷模糊度为：

其中，

表示所述参数浮点解对应的超宽巷模糊度，c为光速，i表示第i颗卫星、j表示第j颗卫星，其中，i,j＝1,2,3且i≠j，f为双差载波频率,

为双差载波相位观测量；λ_MW为组合波长；

表示所述第i颗卫星的待估参数。

5.根据权利要求4所述的一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，计算超宽巷组合的整周模糊度包括：接收基站发出的信号，从接收到的信号中获得载波相位观测量，直接利用载波相位观测量构建关于整周模糊度的线性观测模型，以确定整周模糊度；所述载波相位观测量经双向测距获得；所述的整周模糊度为：

其中，q为载波相位观测量残差，整周模糊度为

6.根据权利要求5所述的一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，检验统计量为：

设置误警率

其中，H₀为多径及观测噪声无异常、H₁为多径及观测噪声异常，T为检测门限，CF为模糊度解算正确；IF为模糊度解算失败。

7.根据权利要求6所述的一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，计算检测统计量E[q]为：

计算

e为软件接收机1_2×1维列向量；软件接收机基线向量b的设计矩阵为A；

表示提取的软件接收机克罗内特积算子。

8.根据权利要求6所述的一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，实际漏检率为：

9.根据权利要求1所述的一种基于软件接收机的观测噪声完好性监测方法，其特征在于，在所述检测统计量大于检测门限时告警系统进行告警前，还包括：

获取所述告警系统的运行时间参数与运行标识参数，同时，根据二叉搜索树，确定所述运行时间参数与所述运行标识参数对应的多个子时间区间，构成第一子时间区间集；

基于所述告警系统，将所述第一子时间区间集与所述告警系统内的预设区间进行校验；

提取所述第一子时间区间集中基于所述预设区间进行校验成功的子时间区间，构成第二子时间区间集，同时，将所述第二子时间区间集内的子时间区间进行叠加，获得连续时间区间；

根据所述连续时间区间，确定所述告警系统告警的起始时间；

将所述起始时间与所述告警系统内预设的目标起始时间进行比较，判断所述告警系统是否进行告警操作；

若所述起始时间与所述目标起始时间一致，控制所述告警系统进行告警操作；

同时，更新第二子时间区间集内的子时间区间，构成第三子时间区间集；

否则，不启动所述告警系统进行告警。

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