CN113126129B - 基于空间信号质量加权估计的gbas完好性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间信号质量加权估计的GBAS完好性监测方法，属于完好性监测技术领域。本发明将空间信号质量监测技术引入机场高完好性监测领域，实现了对广域全部卫星的快速完好性预筛选，提升了多故障场景下的完好性能力；借鉴空间信号质量监测的分级理念，提出了面向质量控制的GBAS完好性监测方法，基于权重因子开展了抗差多参考一致性监测，优化了执行逻辑，实现了快速高效精准的完好性监测。本发明克服了现有GBAS完好性监测依靠局域监测站有限监测数据、所有卫星等权处理易导致低仰角恶劣观测量影响的缺点，有效隔离了故障，对GBAS完好性的广播校正值、B值、标准差值进行了精准估计。

Description

基于空间信号质量加权估计的GBAS完好性监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于空间信号质量加权估计的GBAS完好性监测方法，属于卫星导航中的完好性监测技术领域。

背景技术

GBAS(Ground-Based Augmentation Systems，地基增强系统)可满足终端区精密进近引导需求，可支持曲线进近，具有精度高、效率高、成本低的特点，是未来机场导航设备的发展趋势。GBAS完好性监测的工作原理是接收多个地面参考接收机原始观测量，进行信号质量监测、测量质量监测、数据质量监测、多参考一致性监测、综合执行逻辑、均值-标准差监测、信息域范围监测等，排除异常源，生成差分校正值、B值、标准差值并广播至用户。

现有GBAS完好性监测技术存在以下缺陷：

(1)只依赖有限局域部署的数个参考接收机的观测量，未能利用外部监测信息辅助提升监测准确度；

(2)GBAS核心完好性参数B值与差分改正值的计算过程是一个等权估计过程，未对观测数据进行加权估计，所得B值不是一个最优估计过程，且B值计算易受野值等恶劣观测值影响，未考虑计算流程的抗差处理。

发明内容

本发明为了克服现有GBAS完好性监测不精准不稳健的问题，融合空间信号质量监测技术，提出一种基于空间信号质量加权估计的GBAS完好性监测方法，其依据卫星导航信号质量监测(SQM)、数据质量监测(DQM)、测量质量监测(MQM)，进行多参考一致性监测和差分修正量计算，基于标准差监测量及影响程度，建立权重因子优化执行逻辑，能够快速高效实现完好性监测。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种基于空间信号质量加权估计的GBAS完好性监测方法，应用于GBAS地面信息处理设备中，包括以下步骤：

(1)执行GBAS完好性预筛选，具体方式为：根据远端监测评估系统传输分级空间信号质量监测结果与GBAS完好性监测要求映射关系，将空间信号质量监测结果级别大于GBAS级别要求的卫星视为故障卫星，排除故障卫星，得到可选卫星集SC_SV_0；

(2)对SC_SV_0中的卫星依次执行信号质量监测、数据质量监测、测量质量监测、阶段1综合执行逻辑监测，筛选出可选卫星集SC_SV_1与可选参考接收机集SC_REC_1；

(3)执行空间信号权重因子估计，得到SC_SV_1中各卫星的测距精度与实时权重因子；

(4)执行基于抗差加权估计的多参考一致性监测，基于实时权重因子，利用GBAS最小二乘估计与抗差逻辑处理流程得到B值的最优估计；

(5)执行均值-标准差监测、基于辅助增强信息的信息域范围监测、阶段2综合执行逻辑监测，得到卫星差分校正值，并将该卫星差分校正值与步骤(3)得到的卫星测距精度一起广播给用户。

进一步的，步骤(3)的具体方式为：

(1)接收卫星n的仰角信息，根据标准差与卫星仰角映射关系读取完好性先验数据库中的标准差信息，得到先验标准差Sigma_{n_el}与先验权值w_{n_el}，其中

(2)接收卫星n的分级空间信号质量监测结果，根据分级结果与权值因子的映射关系，得到权值因子w_{n_sqm}；

(3)接收卫星n的载噪比，根据门限值对载噪比进行分级处理，得到卫星n的载噪比分级结果，根据分级结果与权值因子的映射关系，得到权值因子w_{n_cno}；

(5)接收卫星n的标准差监测值，根据门限值对标准差监测值进行分级处理，得到卫星n的标准差分级结果，根据分级结果与权值因子的映射关系，得到权值因子w_{n_sg}；

(6)计算卫星n的实时权重因子w_n与测距精度Sigma_n，其中：

w_n＝w_{n_el}×w_{n_sqm}×w_{n_cno}×w_{n_sg}

进一步的，步骤(4)的具体方式为：

(401)采用加权最小二乘法估记方法依次估计第m台接收机的接收机钟差Δt_m，1≤m≤M，M为可选参考接收机集SC_REC_1中接收机的数目，M≥2；

(402)将伪距校正值减去估计接收机钟差，得到不含接收机钟差的伪距校正值ρ_sca，m，n，1≤n≤N，N为可选卫星集SC_SV_1中卫星的数目，N≥2；

(403)使用ρ_sca，m，n估计接收机m和卫星n的B值B_ρ，m，n；

(404)采用抗差方法，根据B值的范围对卫星进行等权、降权、排除处理，具体执行过程为，设定s个门限值TH₁、...、TH_s，0＜TH₁＜...＜TH_s，根据B_ρ，m，n绝对值的大小确定新的卫星权值w′_n，分为三种情况：

当fabs(B_ρ，m，n)＜TH₁时，权值不变，即：w′_n＝w_n；

当TH_S1＜fabs(B_ρ，m，n)＜TH_S2时，其中，1≤s1＜s2≤s，权值降低，即：w′_n＝k×w_n，0＜k＜1；

当TH_s＜fabs(B_ρ，m，n)时，权值为0，即w′_n＝0，此时排除该卫星；

fabs()表示求绝对值；

(405)统计步骤(404)中未排除的卫星数N′：

当N′＜2时，退出计算，采用步骤(403)计算的B值；

当N′≥2时，采用新的权值w′_n重复步骤(401)～(405)。

进一步的，步骤(5)中基于辅助增强信息的信息域范围监测的具体方式为：

根据远端监测评估系统提供的精密星历、精密钟差、格网电离层的校正观测量，将校正后的观测量与星站距离做差，得到卫星校正估计值，然后与本地卫星校正值实际值进行对比，排除误差超限卫星。

本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：

(1)本发明增加了完好性预筛选，利用远端监测评估系统的空间信号质量监测技术辅助增强GBAS完好性监测准确度。

(2)本发明提出了面向质量控制的GBAS完好性监测，增加空间信号权重因子估计，改进了已有MRCC算法形成基于抗差加权估计的多参考一致性监测算法，基于权值估计实现GBAS完好性参数最优抗差估计。

(3)本发明改进了已有信息域范围监测形成基于辅助增强信息的信息域范围监测，提高了差分改正值监测的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例中基于空间信号质量加权估计的GBAS完好性监测方法的原理示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，一种基于空间信号质量加权估计的GBAS完好性监测方法，其应用于GBAS地面信息处理设备中。该方法的关键监测设备包括1套远端监测评估系统以及至少2台参考接受机。

本例中，远端监测评估系统为iGMAS监测评估中心；GBAS参考接收机数量为4，编号为R1、R2、R3、R4；GBAS接收卫星数量为8，编号为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8。

本方法的具体步骤为：

步骤1：执行GBAS完好性预筛选，具体方式为：根据iGMAS监测评估中心传输分级空间信号质量监测结果与GBAS完好性监测要求映射关系，本例中具体参数如下表1所示，将空间信号质量监测结果超限的便好为S8的卫星排除，得到可选卫星集SCSV_0＝{S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7}。

表1分级监测结果与GBAS要求对应表

步骤2：对SC_SV_0的卫星依次执行信号质量监测(Signal Quality Monitoring，SQM)、数据质量监测(Signal Quality Monitoring，DQM)、测量质量监测(MeasurmentQuality Monitoring，MQM)、阶段1综合执行逻辑监测(Executive Monitoring I，EXM-I)。这些监测均为现有技术，此处不再赘述。

本例中测量质量监测中4个接收机均在卫星S7上产生告警信息，阶段1综合执行逻辑监测排除卫星S7，筛选可选卫星集SC_SV_1＝{S1、S2、S3、S4、S5、S6}；与可选参考接收机SC_REC_1＝{R1、R2、R3、R4}。

步骤3：基于包含先验卫星标准差信息、载噪比、卫星仰角、标准差实时监测量及影响程度的GBAS完好性监测量，融合空间信号质量监测系统的分级监测结果，得到SC_SV_1中各卫星的测距精度Sigma与实时权重因子W。针对编号为n的卫星，具体步骤包括：

(1)接收卫星n的仰角信息，根据标准差与卫星仰角映射关系读取完好性先验数据库中标准差信息，得到先验标准差Sigma_{n_el}与先验权值w_{n_el}，其中

(2)接收卫星n的分级空间信号质量监测结果，根据分级结果与权值因子的映射关系，得到权值因子w_{n_sqm}；

(3)接收卫星n的载噪比，根据门限值对载噪比进行分级处理得到卫星n的载噪比分级结果，根据分级结果与权值因子的映射关系，得到权值因子w_{n_cno}；

(5)接收卫星n的标准差监测值，根据门限值对标准差监测值进行分级处理得到卫星n的标准差分级结果，根据分级结果与权值因子的映射关系，得到权值因子w_{n_sg}；

(6)计算卫星n的实时权重因子w_n与测距精度Sigma_n，其中：

w_n＝w_{n_el}×w_{n_sqm}×w_{n_cno}×w_{n_sg}

步骤4，执行基于抗差加权估计的多参考一致性监测算法，可选卫星集SC_SV_1中卫星数目N为6，可选参考接收机SC_REC_1中接收机数目M为4；基于权重因子w_n，利用加权估计与抗差逻辑处理流程得到B值的最优估计并排除异常源。具体步骤包括：

(1)依次采用加权估记方法依次估计第m台接收机的接收机钟差Δt_m，其中m的范围为1至M：

其中，w_n为编号为n的卫星根据载噪比、高度角以及历史数据等先验信息确定的默认权值；p_sc，m，n为卫星n到参考接收机m的伪距校正值；S(N)为N个卫星对应的卫星编号范围。

(2)用伪距校正值减去估计接收机钟差，得到不含接收机钟差的伪距校正值ρ_sca，m，n：

p_sca，m，n＝ρ_sc，m，n-Δt_m

(3)使用这些没有接收机钟差的校正值，估计接收机m和卫星n的B值B_ρ，m，n：

(4)采用抗差方法，设定s个门限值TH₁、…、TH_s(0＜TH₁＜...＜TH_s)，根据B_ρ，m，n绝对值的大小确定新的卫星权值w′_n，具体方法为：

1)当fabs(B_ρ，m，n)＜TH₁时，权值不变，即：w′_n＝w_n；

2)当TH_s1＜fabs(B_ρ，m，n)＜TH_s2时，其中，1≤s1＜s2≤s，权值降低，即：w′_n＝k×w_n，0＜k＜1；

3)当THs＜fabs(B_ρ，m，n)时，权值为0，即w′_n＝0，表示排除该卫星。

为简化说明，本例中s为2，TH₁＝1，TH₂＝2，本例中B值及处理结果如下表2所示：

表2 B值及对应表

(5)统计步骤(4)中未排除的卫星数N′＝5，根据N′进行下一步计算

1)当N′＜2时，退出计算，采用原有的B值；

2)当N′≥2时，采用新的权值w′_n重复步骤4计算得到B值。

步骤5，执行均值-标准差监测、基于辅助增强信息的信息域范围监测、阶段2综合执行逻辑(Executive Monitoring II，EXM-II)，得到卫星差分校正值，并结合步骤(3)的卫星测距精度Sigma_n一起广播至用户。其中，基于辅助增强信息的信息域范围监测的具体步骤为：

(1)接收远端监测评估系统的辅助增强信息，根据精密星历、星钟、格网电离层以及本地对流层模型，得到卫星校正估计值；

(2)计算卫星校正估计值与本地伪距校正值的差的绝对值得到校正误差监测值，与门限值进行比较(对应关系如下表3所示)，绝对值超过门限值，则排除该卫星；否则，该卫星通过监测。

表3校正误差监测值及对应表

至此，完成GBAS完好性监测。

在上述方法中，卫星S6、S7、S8为异常卫星，其中，S6为多径、接收机或者周边环境B值异常，S7为传播路径导致的测量质量异常，S8为卫星信号质量异常。本方法相比原有GBAS完好性监测方法的优势体现在：

(1)本方法中利用远端监测评估中心预先隔离卫星故障，提升了GBAS完好性多故障处理能力。本例中利用远端监测评估系统iGMAS监测评估中心预先排除了S8号卫星，S8不进入后续完好性监测流程，在信号质量监测、数据质量监测、测量质量监测处理过程中只有S7产生告警，阶段1综合执行逻辑具备单卫星故障排除能力，可排除S7并进入后续处理；原有完好性监测方法完成信号质量监测、数据质量监测、测量质量监测处理后将在卫星S7、S8的多个参考接收机通道均标记告警信息，阶段1综合执行逻辑在处理上述2个及以上卫星均在多个参考接收机通道标记告警信息的情况下，会无法判断是接收机故障还是卫星故障，导致处理失败，无法提供完好性监测结果。

(2)本方法基于权值估计完成了对B值的加权最优估计，提升了B值估计的精确性。参考表2，本方法基于卫星仰角、分级信号质量监测结果、载噪比、标准差监测值等信息得到权值，其中卫星S6的权值明显低于其它卫星，降低了异常卫星S6对B值的影响，提高了误差更小的卫星S1、S2对B值的影响，可准确排除S6的影响，避免了卫星错误排除，并且估计B值精度更高；原有方法由于对不同卫星等权处理，在计算B值的过程中其它卫星吸收了卫星S6的异常，造成卫星S6漏警，卫星S5虚警。

(3)本方法采用抗差方法设计了多个B值门限值对卫星进行等权、降权、除权处理，迭代一次计算B值，提升了B值估计的稳健性、鲁棒性，避免了野值及低质量观测值的影响。参见表2，本方法对S4、S5进行了降权处理，对S6进行了除权处理，处理后重新计算的B值稳健性、鲁棒性更高；原方法只进行等权、除权处理，未对门限内较大的B值进行降权处理，计算的B值容易受到野值及及低质量观测值的影响。

(4)本方法采用远端监测评估系统的精密增强信息提高了校正误差监测值的监测准确度。如表3所示，本方法相比现有方法，由于有效消除了卫星及传播路径误差，监测门限更小，对本地伪距校正值的误差估计更加精准。

本发明首次将空间信号质量监测技术引入机场高完好性监测领域，实现了对广域全部卫星的快速完好性预筛选，避免了故障卫星对GBAS完好性监测的影响，提升了多故障场景下的完好性能力。此外，本发明借鉴空间信号质量监测的分级理念，提出了面向质量控制的GBAS完好性监测方法，基于权重因子开展了抗差多参考一致性监测，优化了执行逻辑，实现了快速高效精准的完好性监测。本发明克服了现有GBAS完好性监测依靠局域监测站有限监测数据、所有卫星等权处理易导致低仰角恶劣观测量影响的缺点，有效隔离了故障，对GBAS完好性的广播校正值、B值、标准差值进行了精准估计，具有完好性监测快速高效，完好性参数精准稳健的特点。

本发明方法不仅限定于GBAS系统的完好性监测，也适用于任意使用类似方法的GNSS完好性监测。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于空间信号质量加权估计的GBAS完好性监测方法，应用于GBAS地面信息处理设备中，其特征在于，包括以下步骤：

(1)执行GBAS完好性预筛选，具体方式为：根据远端监测评估系统传输分级空间信号质量监测结果与GBAS完好性监测要求映射关系，将空间信号质量监测结果级别大于GBAS级别要求的卫星视为故障卫星，排除故障卫星，得到可选卫星集SC_SV_0；

(2)对SC_SV_0中的卫星依次执行信号质量监测、数据质量监测、测量质量监测、阶段1综合执行逻辑监测，筛选出可选卫星集SC_SV_1与可选参考接收机集SC_REC_1；

(3)执行空间信号权重因子估计，得到SC_SV_1中各卫星的测距精度与实时权重因子；具体方式为：

(301)接收卫星n的仰角信息，根据标准差与卫星仰角映射关系读取完好性先验数据库中的标准差信息，得到先验标准差Sigma_{n_el}与先验权值w_{n_ei}，其中

(302)接收卫星n的分级空间信号质量监测结果，根据分级结果与权值因子的映射关系，得到权值因子w_{n_sqm}；

(303)接收卫星n的载噪比，根据门限值对载噪比进行分级处理，得到卫星n的载噪比分级结果，根据分级结果与权值因子的映射关系，得到权值因子w_{n_cno}；

(304)接收卫星n的标准差监测值，根据门限值对标准差监测值进行分级处理，得到卫星n的标准差分级结果，根据分级结果与权值因子的映射关系，得到权值因子w_{n_sg}；

(305)计算卫星n的实时权重因子w_n与测距精度Sigma_n，其中：

w_n＝w_{n_ei}×w_{n_sqm}×w_{n_cno}×w_{n_sg}

(4)执行基于抗差加权估计的多参考一致性监测，基于实时权重因子，利用GBAS最小二乘估计与抗差逻辑处理流程得到B值的最优估计；具体方式为：

(401)采用加权最小二乘法估记方法依次估计第m台接收机的接收机钟差Δt_m，1≤m≤M，M为可选参考接收机集SC_REC_1中接收机的数目，M≥2；

(402)将伪距校正值减去估计接收机钟差，得到不含接收机钟差的伪距校正值ρ_sca,m,n，1≤n≤N，N为可选卫星集SC_SV_1中卫星的数目，N≥2；

(403)使用ρ_sca,m,n估计接收机m和卫星n的B值B_ρ,m,n；

(404)采用抗差方法，根据B值的范围对卫星进行等权、降权、排除处理，具体执行过程为，设定s个门限值TH₁、…、TH_s，0<TH₁<…<TH_s，根据B_ρ，m，n绝对值的大小确定新的卫星权值w′_n，分为三种情况：

当fabs(B_ρ,m,n)＜TH₁时，权值不变，即：w′_n＝w_n；

当TH_S1＜fabs(B_ρ,m,n)＜TH_S2时，其中，1≤s1<s2≤s，权值降低，即：w′_n＝k×w_n，0<k<1；

当TH_S＜fabs(B_ρ,m,n)时，权值为0，即w′_n＝0，此时排除该卫星；

fabs()表示求绝对值；

(405)统计步骤(404)中未排除的卫星数N′：

当N′＜2时，退出计算，采用步骤(403)计算的B值；

当N′≥2时，采用新的权值w′_n重复步骤(401)～(405)；

(5)执行均值-标准差监测、基于辅助增强信息的信息域范围监测、阶段2综合执行逻辑监测,得到卫星差分校正值，并将该卫星差分校正值与步骤(3)得到的卫星测距精度一起广播给用户；其中，基于辅助增强信息的信息域范围监测的具体方式为：

根据远端监测评估系统提供的精密星历、精密钟差、格网电离层的校正观测量，将校正后的观测量与星站距离做差，得到卫星校正估计值，然后与本地卫星校正值实际值进行对比，排除误差超限卫星。

Images