CN113406673B - 一种广域差分增强系统实时修正服务完好性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种广域差分增强系统实时修正服务完好性监测方法基于完好性监测理论，利用多个地面观测站的载波相位观测形成检验卫星实时修正服务精度的检验统计量，结合卫星端误差的统计分布特征获取检验门限，通过完好性监测技术和精密单点定位方法，对尚未播发的实时修正服务和已经播发的实时修正服务进行双重检验，从而生成高可靠的完好性监测信息。本发明对广播前和广播后的实时修正产品进行双重检验，对实时修正产品的质量进行严密评估，从而生成高可靠的完好性监测信息，有效保护用户免受实时修正服务质量异常的影响，为与生命安全相关的应用提供高可靠广域差分实时修正服务。

Description

一种广域差分增强系统实时修正服务完好性监测方法

技术领域

本发明属于船舶导航技术领域，涉及一种广域差分增强系统实时修正服务完好性监测方法。

背景技术

卫星导航系统定位结果的精度和可靠性是导航定位研究领域最重要的性能指标。基于广域差分实时修正服务的精密单点定位技术以其单天线、低成本等特点成为船舶海洋导航定位的有效方法之一，可以提供满足船舶导航的高精度定位结果。随着精密单点定位技术应用的扩展，在与生命安全相关的应用中，导航定位结果的可靠性逐渐成为首要保障的性能指标。为拓宽卫星导航定位在海洋探索、开发和搜救等领域的应用，建立广域差分实时修正服务完好性监测系统，保障用户定位结果的高精度和可靠性具有重大的工程意义。

尽管目前有多家研究机构和公司提供广域差分修正服务，但是其播发的信息都未包含完好性监测信息，限制了该服务在与生命安全相关领域的应用。高精度定位的可靠性受到多类型完好性风险源的影响。为保障高精度定位的可靠性，有必要对影响高精度定位的各类型风险源进行严密监测。如何利用完好性监测技术生成广域差分实时修正服务的完好性信息，是真正意义实现广域差分实时修正服务完好性监测的关键所在。综上，为满足高可靠高精度的导航定位性能要求，广域差分实时修正服务必须接受严格的完好性检查，并在附加系统不确定是否安全可用的情况下能在几秒内通过一定途径警告用户。因此，设计一种广域差分实时修正服务完好性监测系统，迅速将潜在的系统故障播发给用户具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种提供快速、高可靠的完好性监测信息的广域差分增强系统实时修正服务完好性监测方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种广域差分增强系统实时修正服务完好性监测方法，包括以下步骤：

步骤1：数据处理服务器利用接收到的来自地面观测站的观测数据生成广域差分实时修正服务，同时通过载波相位残差数学计算模型构建检验统计量；

步骤2：根据误差的统计分布，数据处理服务器对完好性系统的完好性阈值进行计算，得到检验门限；

步骤3：比较步骤1得到的检验统计量和步骤2得到的检验门限，滤除超过门限值检验统计量所对应的广域修正服务，并生成不可用警告标志以提醒用户接收机停止使用受影响的数据，实现实时修正服务的广播前完好性监测；

步骤4：利用卫星通信链路将广播前完好性监测结果发送到通信卫星并播发给地面观测站；

步骤5：地面观测站根据观测信息、实时修正服务和广播前完好性监测结果，利用精密单点定位观测模型循环监测每一颗卫星的修正服务对精密单点定位精度的影响，当检测到超界限的定位结果，则将所对应的实时修正服务标识为异常状态并生成广播后完好性监测信息，并将完好性监测结果发送到数据处理服务器；

步骤6：数据处理服务器统计广播前和广播后的完好性监测结果生成完好性监测信息，再通过卫星通信链路，发送到通信卫星，最后播发给实时用户。

本发明还包括：

1.步骤1中检验统计量包括轨道时钟残差res_Orb+Clk、对流层残差res_RegTropo、电离层残差res_RegIono，且满足：

其中：Φ_IF为无电离层组合相位观测量，Φ_GF为几何无关相位观测量，

为经模型修正后的卫星位置，X_r为用户接收机位置，/>

为卫星至接收机的几何距离，c为光速，Δt_r为接收机钟差，/>

为经模型修正后的卫星钟差，T_est为对流层延时估计值，T_mod为经模型修正后的对流层延时，I_mod为经模型修正后的电离层延时，n_IF为电离层组合的整周模糊度，n_GF为几何无关组合的整周模糊度，b_r,GF为几何无关的接收机偏差，/>

为经模型修正后的几何无关卫星偏差。

2.步骤2中根据误差的统计分布，数据处理服务器对完好性系统的完好性阈值进行计算，得到检验门限具体为：

0.5m+T_d用于轨道和时钟修正的质量指标；0.5m+T_d用于对流层修正的质量指标；1.0m+T_d用于电离层修正的质量指标，其中，T_d根据历史数据的分布特征及置信度计算得到；

用户给定检测过程分配的危险误导信息概率

满足：

式中，σ和b是通过统计res_Orb+Clk、res_RegTropo和res_RegIono分布拟合得到的标准差和均值，由此可获得对应的检测门限T_d。

3.步骤5中精密单点定位观测模型具体为：

P＝ρ+c(dt_r-dt^s)+I+T+d_orb+d_tid+d_rel+ε_P

式中

P分别表示载波相位、测码伪距观测值；ρ表示用户与卫星之间的几何距离；c表示真空中的光速；dt_r表示接收机钟差；dt^s表示卫星钟差；I表示电离层误差；T表示对流层误差；d_orb表示星历误差；d_tid表示潮汐误差；d_rel表示相对论效应误差；N表示整周模糊度；d_ant表示天线相位误差；d_phw表示相位缠绕误差；/>

表示载波相位观测值；ε_p表示测码伪距观测噪声。

本发明的有益效果：本发明利用多个地面观测站的载波相位观测形成检验卫星实时修正服务精度的检验统计量，结合卫星端误差的统计分布特征获取检验门限，基于完好性监测理论和精密单点定位方法，通过检验统计量与检验门限的比较，对尚未播发的实时修正服务和已经播发的实时修正服务进行双重检验，从而生成高可靠的完好性监测信息，并及时播发给用户端，辅助用户实现高精度高可靠导航定位。本发明集成广域差分实时修正服务生成、卫星通信、计算机大数据处理等技术，基于载波相位残差计算模型和精密单点定位方法，对尚未播发的实时修正服务和已经播发的实时修正服务进行双重检验，从而生成高可靠的完好性监测信息，并及时播发给用户端，充分保障与生命安全相关领域用户导航定位的高精度和高可靠性。本发明充分利用载波相位残差计算模型和精密单点定位方法，结合地面观测站，对尚未播发的实时修正服务和已经播发的实时修正服务进行双重检验并生成综合的完好性监测信息，最终将完好性监测信息播发给用户，辅助用户实现高精度高可靠的导航定位。本系统还通过部署最先进的大地测量天线和接收机来提供抑制多路径、增强抗干扰的强大信号跟踪功能，并形成冗余的监测站网络连接，确保监测结果的稳定可靠。本发明基于地面观测站观测数据的接收，进行广播前和广播后完好性监测并生成高可靠的完好性检测信息。

附图说明

图1是运用本发明的广域差分实时修正服务完好性监测系统的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明包括：步骤1，数据处理服务器利用接收到的来自地面观测站的观测数据生成广域差分实时修正服务，同时通过载波相位残差数学计算模型构建检验统计量。步骤2，根据误差的统计分布，数据处理服务器对完好性系统的完好性阈值进行计算，以得到检验门限。步骤3，比较检验统计量和检验门限，滤除超过门限值所对应的广域修正服务，并生成相应警告标志以提醒用户接收机停止使用受影响的卫星，实现实时修正服务的广播前完好性监测。步骤4，利用卫星通信链路将广播前完好性监测结果发送到通信卫星并播发给地面观测站。步骤5，地面观测站整合观测信息、实时修正服务和广播前完好性监测结果，利用精密单点定位精度趋势分析的方法实现广播后完好性监测，并将完好性监测结果发送到数据处理服务器。步骤6，数据处理服务器统计广播前和广播后的完好性监测结果生成完好性监测信息，再通过卫星通信链路发送到通信卫星，最后播发给实时用户。步骤1中构建的轨道时钟、对流层和电离层完好性监测所选用的检验统计量计算模型，精细化检验统计量的计算方式。步骤2中定义的经验检验门限及其质量指标计算方式，提高检验门限计算的准确性。步骤5中采用精密单点定位精度趋势分析的方法实现广播后完好性监测。步骤3和步骤6综合利用广播前和广播后的双重完好性监测，及时生成综合的完好性监测信息，充分保障用户定位结果的高精度和高可靠性。

结合图1，具体包括以下步骤：

步骤1，构建广播前完好性监测的检验统计量

本发明用于观测数据完好性监测的不同类型残差包括轨道时钟残差res_Orb+Clk、对流层残差res_RegTropo、电离层残差res_RegIono，将这些残差作为广播前完好性监测的检验统计量。它们所对应的数学计算模型如式(1)、(2)和(3)所示：

其中：Φ_IF为无电离层组合相位观测量，Φ_GF为几何无关相位观测量，

为经模型修正后的卫星位置，X_r为用户接收机位置，/>

为卫星至接收机的几何距离，c为光速，Δt_r为接收机钟差，/>

为经模型修正后的卫星钟差，T_est为对流层延时估计值，T_mod为经模型修正后的对流层延时，I_mod为经模型修正后的电离层延时，n_IF为电离层组合的整周模糊度，n_GF为几何无关组合的整周模糊度，b_r,GF为几何无关的接收机偏差，/>

为经模型修正后的几何无关卫星偏差。

a.轨道时钟残差res_Orb+Clk是通过原始载波相位观测的无电离层线性组合Φ_IF、几何距离

卫星钟差校正/>

无电离层组合的载波相位模糊度n_IF、对流层天顶延时T_est之间的差和得到的。接收机坐标分量X_r可从先验坐标得到，也可以作为模糊度固定的一部分进行估算。由于所得的残差仍然包含未知的与导航系统相关的系统间接收机偏差，因此最后还必须去除与导航系统相关的res_Orb+Clk平均值。

b.对流层残差res_RegTropo的计算和轨道时钟残差的计算仅区别于前者减去的是在实时修正服务数据流中由对流层模型给出的对流层倾斜延时T_mod，代替了映射到视线的对流层天向估计延时。用于完好性监测的对流层残差包括轨道、时钟和对流层校正等所有几何校正的组合误差。

c.电离层残差res_RegIono是通过由电离层模型给出的电离层倾斜延时I_mod、实时修正服务数据流播发的电离层卫星偏差

原载波相位观测量几何无关的线性组合和模糊度的生成的。与轨道时钟残差的生成类似，接收机偏差b_γ,GF是通过电离层残差平均值去除的。

步骤2，计算广播前完好性监测的检验门限

基于载波相位残差统计分布特征，为广播前完好性监测定义了以下监测门限：

0.5m+T_d用于轨道和时钟修正的质量指标；0.5m+T_d用于对流层修正的质量指标；1.0m+T_d用于电离层修正的质量指标。其中，T_d可根据历史数据的分布特征及置信度计算得到。

对于给定的危险误导信息概率，计算检验门限如式(4)所示：

式中，

为用户给定检测过程分配的危险误导信息概率，σ和b是通过统计res_Orb+Clk、res_RegTropo和res_RegIono分布拟合得到的标准差和均值，由此可获得对应的检测门限T_d。

步骤3，广播前完好性监测

将步骤1中求得的检验统计量和步骤2中求得的检验门限进行比较，滤除超门限值检验统计量所对应的实时修正服务，同时生成“不可用”警告标志用以提醒用户停止使用受影响的数据，从而完成实时修正服务的广播前完好性监测。

步骤4，播发广播前完好性监测信息

将广播前完好性监测结果按照标准协议打包形成数据流，然后利用卫星通信链路将广播前完好性监测结果发送到通信卫星，并通过通信卫星播发给地面观测站。

步骤5，广播后完好性监测

地面观测站结合观测信息、实时修正服务和广播前监测结果，基于精密单点定位技术，循环监测每一颗卫星的修正服务对精密单点定位精度的影响，当检测到超界限的定位结果，则将所对应的实时修正服务标识为异常状态并生成广播后完好性监测信息，最终将结果发送到数据处理服务器，完成广播后完好性监测。

精密单点定位观测模型如式(5)和(6)所示：

P＝ρ+c(dt_r-dt^s)+I+T+d_orb+d_tid+d_rel+ε_P (6)

式中

P分别表示载波相位、测码伪距观测值；ρ表示用户与卫星之间的几何距离；c表示真空中的光速；dt_r表示接收机钟差；dt^s表示卫星钟差；I表示电离层误差；T表示对流层误差；d_orb表示星历误差；d_tid表示潮汐误差；d_rel表示相对论效应误差；N表示整周模糊度；d_ant表示天线相位误差；d_phw表示相位缠绕误差；/>

表示载波相位观测值；ε_p表示测码伪距观测噪声。

步骤6，生成完好性监测信息并播发给实时用户

数据处理服务器对广播前和广播后的完好性监测结果进行处理以生成综合的完好性监测信息，然后通过卫星通信链路将完好性监测结果发送给通信卫星，最后再播发给实时用户。

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 (4)

1.一种广域差分增强系统实时修正服务完好性监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：数据处理服务器利用接收到的来自地面观测站的观测数据生成广域差分实时修正服务，同时通过载波相位残差数学计算模型构建检验统计量；

步骤2：根据误差的统计分布，数据处理服务器对完好性系统的完好性阈值进行计算，得到检验门限；

步骤3：比较步骤1得到的检验统计量和步骤2得到的检验门限，滤除超过门限值检验统计量所对应的广域修正服务，并生成不可用警告标志以提醒用户接收机停止使用受影响的数据，实现实时修正服务的广播前完好性监测；

步骤4：利用卫星通信链路将广播前完好性监测结果发送到通信卫星并播发给地面观测站；

步骤5：地面观测站根据观测信息、实时修正服务和广播前完好性监测结果，利用精密单点定位观测模型循环监测每一颗卫星的修正服务对精密单点定位精度的影响，当检测到超界限的定位结果，则将所对应的实时修正服务标识为异常状态并生成广播后完好性监测信息，并将完好性监测结果发送到数据处理服务器；

步骤6：数据处理服务器统计广播前和广播后的完好性监测结果生成完好性监测信息，再通过卫星通信链路，发送到通信卫星，最后播发给实时用户。

2.根据权利要求1所述的一种广域差分增强系统实时修正服务完好性监测方法，其特征在于：步骤1所述检验统计量包括轨道时钟残差res_Orb+Clk、对流层残差res_RegTropo、电离层残差res_RegIono，且满足：

其中：Φ_IF为无电离层组合相位观测量，Φ_GF为几何无关相位观测量，

为经模型修正后的卫星位置，X_r为用户接收机位置，

为卫星至接收机的几何距离，c为真空中的光速，Δt_r为接收机钟差，

为经模型修正后的卫星钟差，T_est为对流层延时估计值，T_mod为经模型修正后的对流层延时，I_mod为经模型修正后的电离层延时，n_IF为电离层组合的整周模糊度，n_GF为几何无关组合的整周模糊度，b_r,GF为几何无关的接收机偏差，

为经模型修正后的几何无关卫星偏差。

3.根据权利要求1或2所述的一种广域差分增强系统实时修正服务完好性监测方法，其特征在于：步骤2所述根据误差的统计分布，数据处理服务器对完好性系统的完好性阈值进行计算，得到检验门限具体为：

0.5m+T_d用于轨道和时钟修正的质量指标；0.5m+T_d用于对流层修正的质量指标；1.0m+T_d用于电离层修正的质量指标，其中，T_d根据历史数据的分布特征及置信度计算得到；

用户给定检测过程分配的危险误导信息概率

满足：

式中，σ和b是通过统计res_Orb+Clk、res_RegTropo和res_RegIono分布拟合得到的标准差和均值，由此可获得对应的检测门限T_d，res_Orb+Clk为步骤1中构建的检验统计量中的轨道时钟残差，res_RegTropo为步骤1中构建的检验统计量中的对流层残差，res_RegIono为步骤1中构建的检验统计量中的电离层残差。

4.根据权利要求1或2所述的一种广域差分增强系统实时修正服务完好性监测方法，其特征在于：步骤5所述精密单点定位观测模型具体为：

P＝ρ+c(dt_r-dt^s)+I+T+d_orb+d_tid+d_rel+ε_P

式中

P分别表示载波相位、测码伪距观测值；ρ表示用户与卫星之间的几何距离；c表示真空中的光速；dt_r表示接收机钟差；dt^s表示卫星钟差；I表示电离层误差；T表示对流层误差；d_orb表示星历误差；d_tid表示潮汐误差；d_rel表示相对论效应误差；N表示整周模糊度；d_ant表示天线相位误差；d_phw表示相位缠绕误差；

表示载波相位观测噪声；ε_p表示测码伪距观测噪声。

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