CN112034491A - 一种基于误差核心分布的完好性保护级计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于误差核心分布的完好性保护级计算方法，属于卫星导航中的地基增强系统技术领域。本方法包括以下步骤：统计差分定位误差分布；计算每个卫星数所对应的真实完好性概率，得到真实完好性概率大于完好性风险的最大卫星数N；遍历所有N颗卫星，得到最大的定位范围；遍历所有的概率值P，计算出不同概率值P所对应的保护级和定位结果；按照不同的用户需求，得到最后输出的保护级和定位结果。本方法构造了一种需要少量先验数据支撑的机载完好性保护级计算方法，其通过计算可覆盖完好性的卫星数进行保护级和定位结果的解算，对于GBAS领域具有重要的研究意义和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于误差核心分布的完好性保护级计算方法，属于卫星导航中的地基增强系统(GBAS)技术领域。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)是基于性能的导航(PBN)发展的核心技术，是未来导航服务能力的提升的基础。为改善GNSS信号的性能，实现民航精密进近和着陆引导在精度、完好性、可用性等方面的要求，国际民航组织定义了GNSS增强系统，包括ABAS(空基增强系统)、SBAS(海基增强系统)、GBAS(地基增强系统)等。其中，GBAS是一个可以用于航空飞行器进行精密进近的本地差分卫星导航系统。主要是为机场附近的GNSS信号精度、完好性和可用性提供增强服务。
完好性是导航系统由于故障而不能提供导航信息或者保护级超出告警门限时，系统能够在给定时间内及时向用户发出告警的能力。完好性风险时指系统危险误导信息漏检的概率。完好性是衡量卫星导航系统性能的重要指标，完好性评估技术对于GBAS建设以及评估具有重要的意义。
GBAS完好性方面主要基于完好性通道(GIC)与保护级的技术体制。核心问题在完好性风险与误差包络技术两方面。
完好性风险分配是完好性研究的前提。现有卫星导航增强系统的完好性风险分配是只考虑单接收机故障的情况。在多种导航系统并存的情况下，目前认为两个及两个以上接收机同时故障发生概率为0的假设将不成立。完好性风险是基于故障进行分配的，某个特定故障的风险值为该故障发生的先验概率与故障发生时监测系统对该故障的漏检概率的乘积。但是，由于样本的缺乏和技术手段的不成熟，很多故障的漏检概率和先验概率都难以确定。目前采用的方法主要有两种，一种是基于专家经验或根据陆基导航系统的经验数据直接估计某一类故障的完好性风险值，该方法缺乏理论依据，对于某些故障的完好性风险分配值不是很合理；另一种方法为了保证系统的可用性，对事件发生的频数进行一定的扩大，从而得到一个保守的先验概率，同时用高斯分布包络测试统计量的不确定度得到漏检概率，该方法得到的结果比较保守，实际的风险值和其相比有一定的冗余度。
误差真实误差可能来自具有不同标准差的总体分布，而在进行数据处理时通常需要对数据进行一定的混合，因此导致真实误差呈现厚尾的特性，现有的实际观测数据表明伪距校正误差概率分布核近似为高斯分布，其尾部分布未知，但概率分布远高于高斯。因此必须在计算广播标准差时考虑这种厚尾特性。
完好性评估过程中，由于样本数量有限，只能基于模型外推的方法进行评估，常见的外推模型有高斯尾部包络模型、拉普拉斯尾部包络模型等，这些模型都需要确定尾部阈值参数，但是现有的阈值选取方法是根据经验设定的，缺乏合理性。
因此，构造一种需要少量先验数据支撑的机载完好性保护级计算算法具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了克服了现有GBAS机载完好性保护级计算所需的先验尾部概率分布需要长时间数据统计、保护级结果不能够充分体现定位的偏差误差等问题，提出一种基于误差核心分布的完好性保护级计算方法。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于误差核心分布的完好性保护级计算方法，其包括如下步骤：
(101)统计差分定位误差分布，得到不同伪距误差值ΔY对应的概率值P；
(102)设定完好性风险，当前共有M颗卫星，从卫星数为M开始遍历，一直遍历到卫星数为4，计算每个卫星数所对应的真实完好性概率，得到真实完好性概率大于完好性风险的最大卫星数N；
(103)利用当前所有卫星中任意N颗卫星进行定位，对每N颗卫星进行计算得到一个用户的定位范围；遍历所有N颗卫星，取所有定位范围的最大值和最小值，得到最大的定位范围；
(104)根据步骤(103)得到的定位范围，计算得到保护级和定位结果；
(105)按照以上方式，遍历所有的概率值P，计算出不同概率值P所对应的保护级和定位结果；
(106)按照以下两种不同的用户需求，得到最后输出的保护级和定位结果：
i)取垂直保护级最小的概率值P所对应的保护级和定位结果作为最后输出的保护级和定位结果；
ii)取保护级平方根最小的概率值P所对应的保护级和定位结果作为最后输出的保护级和定位结果。
本发明所取得的有益效果在于：
1、本发明方法仅需要少量先验数据支撑，可有效完成机载完好性保护级计算。
2、本发明方法通过计算可覆盖完好性的卫星数进行保护级和定位结果的解算，方法新颖，计算方式简单且易于实现。
具体实施方式
一种基于误差核心分布的完好性保护级计算方法，其包括如下步骤：
(101)统计差分定位误差分布f(ΔY)＝P。根据伪距误差ΔY统计概率P，得到不同伪距误差值对应的概率值。
(102)设定完好性风险为Pinter，当前共有M颗卫星。从卫星数为M开始遍历，一直遍历到卫星数4，计算每个卫星数所对应的的真实完好性概率，得到真实完好性概率大于完好性风险的最大卫星数N。
(103)利用当前所有卫星中任意N颗卫星进行定位，每N颗卫星的计算可以得到一个用户的定位范围。遍历所有N颗卫星，取所有定位范围的最大值和最小值，得到最大的定位范围。
(104)根据以上得到的定位范围，计算得到保护级(即PL)和定位结果。
(105)按照以上方式，遍历所有的P，计算出不同概率P所对应的保护级和定位结果。
(106)按照以下两种不同的用户需求，得到最后输出的保护级和定位结果。
i)取VPL(垂直保护级)最小的概率P所对应的保护级和定位结果作为最后输出的保护级和定位结果。
ii)取PL平方根最小的概率P所对应的保护级和定位结果作为最后输出的保护级和定位结果。
以下为一个更具体的例子：
一种基于误差核心分布的完好性保护级计算方法，其包括如下步骤：
(101)每个卫星收取10000个差分伪距误差作为采样数据.根据伪距误差ΔY统计概率P，得到不同伪距误差值对应的概率值。
| ΔY | 1 | 0.8 | 0.5 | 0.3 |
| P | 0.999 | 0.996 | 0.993 | 0.99 |
(102)设定定位精度完好性风险为Pinter＝10-7。假设共10颗卫星。选定P＝0.999。
N颗卫星都参与定位，仍满足完好性风险时，下式应该成立：
下面通过遍历的方式，计算N颗卫星参与定位的真实完好性概率：
(i)N＝10,10颗卫星都参与定位，真实完好性概率为：
1-0.99910>10-7
所以10颗卫星都参与定位不满足完好性风险。
(ii)N＝9,9颗卫星都参与定位，真实完好性概率为：
所以9颗卫星都参与定位不满足完好性风险。
(iii)N＝8,8颗卫星都参与定位，真实完好性概率为：
所以8颗卫星都参与定位不满足完好性风险。
(iv)N＝7,7颗卫星都参与定位，真实完好性概率为：
所以7颗卫星都参与定位满足完好性风险。
(103)任取10颗卫星中的7颗卫星进行定位，通过以下公式计算差分位置误差：
ΔX＝S×ΔY
其中：
S＝(GTWG)-1GTW
其中，θi和Azi是第i颗卫星的仰角和方位角，σi 2是第i颗卫星对应的用户测距误差方差。以上数据均可由卫星星历和观测数据计算得到。
i)取1,2,3,4,5,6,7号星，首先使用最小二乘法或者卡尔曼滤波法计算定位结果。然后按照下列公式计算差分位置误差ΔX1，通过差分位置误差修正定位结果得到最终的定位结果范围
ii)取1,2,3,4,5,6,8号星，首先使用最小二乘法或者卡尔曼滤波法计算定位结果。然后按照下列公式计算差分位置误差ΔX2，通过差分位置误差修正定位结果得到最终的定位结果范围
以此类推，将所有情况遍历一遍，得到120个定位结果范围，从中得到最大的范围
(104)根据以上定位结果范围，得到保护级PL0.999和定位结果X0.999：
(105)选定P＝0.996,P＝0.993,P＝0.99，完好性风险为Pinter＝10-7。按照上述过程，分别计算保护级和定位结果，得到：
(106)根据用户需求，选择不同的约束条件：
i)约束条件1：对比得到的保护级结果，取最小的VPL对应的保护级和定位结果，作为最后输出的保护级结果。
假设，最大的VPL对应的是P＝0.993，即：
VPL0.993＝MIN(VPL0.999,VPL0.993,VPL0.996,VPL0.99)
则最后输出的保护级结果PL和定位结果X是：
ii)约束条件2：按照以下公式对比各保护级结果：
取最小的上式结果对应的保护级和定位结果，作为最后输出的保护级结果。
假设：
则最后输出的保护级结果PL和定位结果X是：
总之，本发明构造了一种需要少量先验数据支撑的机载完好性保护级计算方法，其通过计算可覆盖完好性的卫星数进行保护级和定位结果的解算，对于GBAS领域具有重要的研究意义和应用价值。
Claims (1)
1.一种基于误差核心分布的完好性保护级计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
（101）统计差分定位误差分布，得到不同伪距误差值ΔY对应的概率值P；
（102）设定完好性风险，当前共有M颗卫星，从卫星数为M开始遍历，一直遍历到卫星数为4，计算每个卫星数所对应的真实完好性概率，得到真实完好性概率大于完好性风险的最大卫星数N；
（103）利用当前所有卫星中任意N颗卫星进行定位，对每N颗卫星进行计算得到一个用户的定位范围；遍历所有N颗卫星，取所有定位范围的最大值和最小值，得到最大的定位范围；
（104）根据步骤（103）得到的定位范围，计算得到保护级和定位结果；
（105）按照以上方式，遍历所有的概率值P，计算出不同概率值P所对应的保护级和定位结果；
（106）按照以下两种不同的用户需求，得到最后输出的保护级和定位结果：
i）取垂直保护级最小的概率值P所对应的保护级和定位结果作为最后输出的保护级和定位结果；
ii）取保护级平方根最小的概率值P所对应的保护级和定位结果作为最后输出的保护级和定位结果。
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