CN113777636A - 一种gbas电离层延迟梯度的双平滑伪距域检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GBAS电离层延迟梯度的双平滑伪距域检测方法，属于卫星导航技术领域，解决电离层梯度检测的问题；方法包括采用两组不同的时间常数，分别对地面和飞机上观测的载波进行相位平滑滤波，得到两组差分校正值和两组平滑伪距；采用差分校正值校正平滑伪距得到两组时间常数下的差分校正伪距；将两组差分校正伪距作差后除以两倍的时间常数之差，构建出随时间变化逐渐收敛至电离层延迟梯度的检验统计量；根据检验统计量的误差分布和III类精密进近的误警率构建检验统计量的阈值；通过比较检验统计量与阈值，检测伪距观测量中是否含有电离层梯度。本发明可以实现更快速和更精确的电离层延迟梯度检测。

Description

一种GBAS电离层延迟梯度的双平滑伪距域检测方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种GBAS电离层延迟梯度的双平滑伪距域检测方法。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)逐步进入现代化发展进程，民用航空导航成为其重要的发展应用方向之一。然而，将卫星导航系统应用于民用航空，必须首先使其满足民用航空对导航系统的性能需求，包括精度、完好性、连续性和可用性4个方面。对于民用航空III类精密进近，地基增强系统(GBAS)是最有潜力满足其更高需求的同时也是研究最多的局域增强系统。

GBAS通过地面子系统采用甚高频播发各个卫星的差分校正信息，飞机接收到相应信息后进行差分定位，从而提高定位精度。同时，GBAS在差分校正的基础上进行完好性监测，监测模型对不同的故障来源设计了不同的监测算法，其中对于电离层异常，采用码-载波分离(CCD)监测，通过监测码伪距和载波相位伪距之间的差值来监测电离层风暴，主要可以采用几何移动平均值(GMA)的方法估计码-载波分离，将实时监测计算出的码-载波分离值与阈值进行比较，若超出阈值则给出告警信号。但是CCD监测存在无法同时缩短检测时间和提高检测精度，在III类精密进近的需求下，更高的定位精度和完好性指标要求GBAS能够更加及时并且准确的检测出电离层异常，因此需要提出更加灵敏的电离层梯度检测方法。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种GBAS电离层延迟梯度的双平滑伪距域检测方法，解决在伪距域进行对电离层梯度检测的问题。

本发明提供的技术方案是：

本发明公开了一种GBAS电离层延迟梯度的双平滑伪距域检测方法，包括：

采用两组不同的时间常数，分别对地面和飞机上观测的载波进行相位平滑滤波，对地面上的载波进行相位平滑滤波后得到两组差分校正值，对飞机上观测的载波进行相位平滑滤波后得到两组平滑伪距；采用差分校正值校正平滑伪距得到两组时间常数下的差分校正伪距；将两组差分校正伪距作差后除以两倍的时间常数之差，构建出随时间变化逐渐收敛至电离层延迟梯度的检验统计量；

根据检验统计量的误差分布和III类精密进近的误警率构建检验统计量的阈值；

通过比较检验统计量与阈值，检测伪距观测量中是否含有电离层梯度。

进一步地，所述通过比较检验统计量与阈值，检测伪距观测量中是否含有电离层梯度，包括如下步骤：

判断在检测时间的阈值内计算的检验统计量是否超出阈值；是，则伪距观测量中含有电离层梯度；否，则改变飞机的飞行速度，重新计算检验统计量；若仍未超过阈值，则认为伪距观测量中不含有电离层梯度；若超过阈值，则伪距观测量中含有电离层梯度。

进一步地，所述飞行速度的变化范围为20m/s～40m/s。

进一步地，所述检测时间的阈值为1-2min。

进一步地，对地面上观测的载波进行相位平滑滤波得到差分校正值的计算过程，包括：

1)对M个设置在地面上接收机k时刻的载波观测量进行相位平滑得到接收机m对卫星n的平滑码伪距ρ_s,m,n(k)；

2)计算出卫星n到接收机m的真实距离R，根据平滑码伪距ρ_s,m,n(k)和真实距离R得到k时刻的伪距校正值ρ_sc,m,n(k)；；

3)对伪距校正值ρ_sc,m,n(k)中包含的接收机钟差进行调整得到ρ_sca,m,n(k)；

4)对所有M个地面参考接收机计算出的卫星n伪距校正值平均得到卫星n的伪距校正值ρ_corr,n(k)。

进一步地，所述对M个设置在地面上接收机k时刻的载波观测量进行相位平滑得到接收机m对卫星n的平滑码伪距ρ_s,m,n(k)，具体为：

其中，N＝τ/T，τ是平滑滤波时间常数，T是原始观测量的采样间隔；ρ_m,n(k)、

分别是k时刻接收机m对卫星n的码伪距和载波相位观测量。

进一步地，所述接收机钟差为

其中，ρ_sc,m,j(k)为k时刻的接收机m对卫星j伪距校正值；S_m(k)为k时刻接收机m观测到的全部卫星的集合，N_m(k)是S_m(k)所包含的卫星的数量。

进一步地，所述两组平滑滤波时间常数分别为100s和30s。

进一步地，检验统计量的阈值的确定，包括以下步骤：

以预设的角度为步长，对不同仰角下检验统计量误差样本进行分组，得到检验统计量的误差样本分布；

采用广义极值分布包络住所述误差样本分布的尾部；

以所述广义极值分布满足尾部概率为P_FA的分位数为检验统计量的阈值；

所述P_FA为CAT III精密进近完好性需求分配的误警率。

进一步地，所述广义极值分布：

其中，μ是位置参数，σ是尺度参数，ξ是形状参数；通过调整μ，σ和ξ三个参数，得到最优的极值分布，使其包络住改组误差样本分布尾部。

本发明至少可实现以下有益效果之一：

本发明的GBAS电离层延迟梯度的双平滑伪距域检测方法电离层异常的响应时间和收敛时间更短，可以实现更快的电离层延迟梯度检测；并且检测精度更高，相比于CCD和双平滑的定位域检测能更准确的检测出该伪距观测量是否含有电离层梯度延迟。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的双平滑伪距域检测方法流程图；

图2为本发明实施例中的检验统计量构建方法流程图；

图3为本发明实施例中的仿真数据检验统计量S收敛效果图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本实施例中的一种GBAS电离层延迟梯度的双平滑伪距域检测方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、构建随时间变化逐渐收敛至电离层延迟梯度的检验统计量；

采用两组不同的时间常数，分别对地面和飞机上观测的载波进行相位平滑滤波，对地面上的载波进行相位平滑滤波后得到两组差分校正值，对飞机上观测的载波进行相位平滑滤波后得到两组平滑伪距；采用差分校正值校正平滑伪距得到两组时间常数下的差分校正伪距；将两组差分校正伪距作差后除以两倍的时间常数之差，构建出检验统计量；

步骤S2、根据检验统计量的误差分布和III类精密进近的误警率构建检验统计量的阈值；

步骤S3、通过比较检验统计量与阈值，检测伪距观测量中是否含有电离层梯度。

具体的，如图2所示，步骤S1包括以下子步骤：

步骤S101、采用两组不同的时间常数，对地面上观测的载波进行相位平滑滤波得到两组差分校正值；

GBAS地面子系统有M个位置已知的参考接收机，对地面子系统的参考接收机分别进行两组载波相位平滑滤波；

优选的，两组平滑滤波时间常数分别设置为100s和30s。

对于接收机获得的GPS的L1伪距和载波相位观测量可以表达如下：

其中，R是接收机天线到卫星的真实距离，C是星钟、星历和对流层误差之和，是ρ₁和

中公共的误差分量，i₁是L1频率上的电离层误差，N₁是L1载波的整周模糊度，n_ρ1和

分别是码伪距和载波相位的接收机噪声和多径误差之和。

地面子系统的参考接收机得到差分校正值的计算过程，包括：

1)对M个设置在地面上接收机k时刻的载波观测量进行相位平滑得到接收机m对卫星n的平滑码伪距ρ_s,m,n(k)；通过平滑滤波消除大部分接收机热噪声和多径的影响。

其中，对观测量进行载波相位平滑得到k时刻接收机m对卫星n的平滑码伪距公式如下式

其中，N＝τ/T，τ是平滑滤波时间常数，T是原始观测量的采样间隔；ρ_m,n(k)、

分别是k时刻接收机m对卫星n的码伪距和载波相位观测量。

2)计算出卫星n到接收机m的真实距离R，根据平滑码伪距ρ_s,m,n(k)和真实距离R得到k时刻的伪距校正值ρ_sc,m,n(k)；

对于地面子系统的M个接收机，根据导航电文计算出每颗卫星的位置，从而计算出卫星n到接收机m的真实距离R；

将平滑码伪距ρ_s,m,n(k)与R作差得到k时刻的伪距校正值ρ_sc,m,n(k)，具体表示如下：

ρ_sc,m,n(k)＝ρ_s,m,n(k)-R_m,n(k)+τ_m,n(k) (3)

其中，τ_m,n(k)是k时刻的星钟校正值。

3)对伪距校正值ρ_sc,m,n(k)中包含的接收机钟差进行调整得到ρ_sca,m,n(k)；

由于某一参考接收机收到的所有卫星的观测量之中都含有同样的接收机钟差，因此，将该参考接收机对所有卫星差分校正值进行平均作为其钟差的估计值，并在校正值中减去该估计值以得到不含接收机钟差的校正值。经调整接收机钟差的校正值为：

其中，ρ_sc,m,j(k)为k时刻的接收机m对卫星j伪距校正值；S_m(k)为k时刻接收机m观测到的全部卫星的集合，N_m(k)是S_m(k)所包含的卫星的数量。

4)对所有M个地面参考接收机计算出的卫星n伪距校正值平均得到卫星n的伪距校正值ρ_corr,n(k)。

具体的计算公式如下所示：

其中，S_n(k)是k时刻观测到卫星n的参考接收机的集合，M_n(k)是S_n(k)中所包含的参考接收机的个数。

步骤S102、采用与步骤S101相同的两组时间常数，对飞机上观测的载波进行相位平滑滤波得到两组平滑伪距；

对飞机上的接收机分别进行两组载波相位平滑滤波；两组平滑滤波时间常数与地面上的参考接收机相同，分别设置为100s和30s。

平滑后，可以得到平滑码伪距ρ_s,air,n(k)。

步骤S103、采用差分校正值校正平滑伪距得到两组时间常数下的差分校正伪距；

差分校正伪距ρ_sc,air,n(k)的公式如下：

ρ_sc,air,n(k)＝ρ_s,air,n(k)-ρ_corr,n(k) (6)

对于设置的两组不同时间常数的平滑滤波，最终可以得到两组差分校正后的伪距值，分别为ρ_sc1,air,n(k)、ρ_sc2,air,n(k)。

步骤S104、根据两组时间常数下的差分校正伪距，构建出检验统计量S。

具体的，构建出的检验统计量S为将两组差分校正伪距作差后除以两倍的时间常数之差。

构建出的检验统计量S随时间变化逐渐收敛至电离层延迟梯度。对ρ_sc1,air,n(k)和ρ_sc2,air,n(k)作差，其稳态响应可表示如下：

式中，dΨ_a是检验统计量，即ρ_sc1,air,n与ρ_sc2,air,n作差的频域表达式；

是其稳态响应，d_ρ和

分别是伪距和载波相位测量值的发散值；

由于电离层梯度对伪距是延迟作用，对载波相位存在超前作用，

ΔI为电离层延迟的梯度。

由此可知，ρ_sc1,air,n(k)和ρ_sc2,air,n(k)作差后除以两倍的时间常数之差得到的k时刻检验统计量S(k)，可知S(k)随时间变化可逐渐收敛至ΔI。

具体的，步骤S2根据检验统计量的误差分布和III类精密进近的误警率构建检验统计量的阈值；

CAT III精密进近的完好性需求的分配的误警率由实际系统需求决定，当误警率为P_FA时，检验统计量S的阈值需要包络出他的实际分布函数后，由满足分布尾部的概率小于P_FA决定，这里采用极值分布进行包络。具体实施步骤如下：

1)以预设的角度为步长，对不同仰角下检验统计量误差样本进行分组，得到检验统计量的误差样本分布；

S理论上呈薄尾的分布，意味着可以得到标准差比原误差分布标准差更小的极值分布包络。由于不同卫星仰角下的多径和接收机热噪声不同，因此对不同卫星仰角的检验统计量误差样本进行分组，以10°为步长，得到不同仰角下的检验统计量误差分布样本；即间隔10°，对检验统计量误差样本进行分组。不同仰角下的卫星观测量需要大量的历史数据以保证误差分布的准确性。

2)采用广义极值分布包络住所述误差样本分布的尾部；

目前，常用的极值分布有Gumbel分布、Fréchet分布和Weibull分布。在本实施例中，优选经过适当变换后统一表示的广义极值分布：

其中，μ是位置参数，σ是尺度参数，相当于高斯分布的标准差，ξ是形状参数。

通过调整μ，σ和ξ三个参数，得到最优的极值分布，使其包络住步骤1)的误差样本分布尾部。

3)以所述广义极值分布满足尾部概率为P_FA的分位数为检验统计量的阈值。

步骤S3通过比较检验统计量与阈值，检测伪距观测量中是否含有电离层梯度的监控流程包括：

判断在检测时间的阈值内计算的检验统计量是否超出阈值；是，则伪距观测量中含有电离层梯度；否，则改变飞机的飞行速度，重新计算检验统计量；若仍未超过阈值，则认为伪距观测量中不含有电离层梯度；若超过阈值，则伪距观测量中含有电离层梯度。

根据步骤104可知，检验统计量S时随时间变化逐渐收敛至电离层延迟梯度，迭代的时间越长则，检验统计量S越收敛至电离层延迟梯度。

优选的，如图3所示的仿真结果，所述检测时间的阈值选取1-2min，检验统计量S有很好的收敛效果。在该阈值的范围内计算的检验统计量S可以满足检测检验统计量S是否收敛至电离层延迟梯度。

通过不同飞机在不同速度下的检验统计量S的检测，可以提高检测精度可以更加准确的检测出该伪距观测量是否含有电离层梯度延迟。

优选的，所述改变飞机的飞行速度的范围为20m/s～40m/s。

综上所述，本实施例的GBAS电离层延迟梯度的双平滑伪距域检测方法，在伪距域对电离层梯度进行检测，通过在地面和飞机分别设置两组载波相位平滑滤波器，从而飞机计算得到两组差分校正后的伪距值，将其作差除以两倍的平滑时间常数之差，得到检验统计量，通过与设定的阈值进行比较，识别超过阈值的伪距量并排除，并且监测出电离层延迟的梯度值。

本方法有更快的电离层异常检测速度。与传统的CCD监测方法相比，该方法有更短的响应时间和收敛时间，意味着可以更快检测到电离层延迟梯度。

本方法的检测精度更高。相比于CCD和双平滑的定位域检测方法，可以更加准确的检测出该伪距观测量是否含有电离层梯度延迟。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GBAS电离层延迟梯度的双平滑伪距域检测方法，其特征在于，包括：

采用两组不同的时间常数，分别对地面和飞机上观测的载波进行相位平滑滤波，对地面上的载波进行相位平滑滤波后得到两组差分校正值，对飞机上观测的载波进行相位平滑滤波后得到两组平滑伪距；采用差分校正值校正平滑伪距得到两组时间常数下的差分校正伪距；将两组差分校正伪距作差后除以两倍的时间常数之差，构建出随时间变化逐渐收敛至电离层延迟梯度的检验统计量；

根据检验统计量的误差分布和III类精密进近的误警率构建检验统计量的阈值；

通过比较检验统计量与阈值，检测伪距观测量中是否含有电离层梯度。

2.根据权利要求1所述的双平滑伪距域检测方法，其特征在于，

所述通过比较检验统计量与阈值，检测伪距观测量中是否含有电离层梯度，包括如下步骤：

判断在检测时间的阈值内计算的检验统计量是否超出阈值；是，则伪距观测量中含有电离层梯度；否，则改变飞机的飞行速度，重新计算检验统计量；若仍未超过阈值，则认为伪距观测量中不含有电离层梯度；若超过阈值，则伪距观测量中含有电离层梯度。

3.根据权利要求2所述的双平滑伪距域检测方法，其特征在于，所述飞行速度的变化范围为20m/s～40m/s。

4.根据权利要求2所述的双平滑伪距域检测方法，其特征在于，所述检测时间的阈值为1-2min。

5.根据权利要求1所述的双平滑伪距域检测方法，其特征在于，对地面上观测的载波进行相位平滑滤波得到差分校正值的计算过程，包括：

1)对M个设置在地面上接收机k时刻的载波观测量进行相位平滑得到接收机m对卫星n的平滑码伪距ρ_s，m，n(k)；

2)计算出卫星n到接收机m的真实距离R，根据平滑码伪距ρ_s，m，n(k)和真实距离R得到k时刻的伪距校正值ρ_sc，m，n(k)；；

3)对伪距校正值ρ_sc，m，n(k)中包含的接收机钟差进行调整得到ρ_sca，m，n(k)；

4)对所有M个地面参考接收机计算出的卫星n伪距校正值平均得到卫星n的伪距校正值ρ_corr，n(k)。

6.根据权利要求5所述的双平滑伪距域检测方法，其特征在于，所述对M个设置在地面上接收机k时刻的载波观测量进行相位平滑得到接收机m对卫星n的平滑码伪距ρ_s，m，n(k)，具体为：

其中，N＝τ/T，τ是平滑滤波时间常数，T是原始观测量的采样间隔；ρ_m，n(k)、

分别是k时刻接收机m对卫星n的码伪距和载波相位观测量。

7.根据权利要求5所述的双平滑伪距域检测方法，其特征在于，所述接收机钟差为

其中，ρ_sc，m，j(k)为k时刻的接收机m对卫星j伪距校正值；S_m(k)为k时刻接收机m观测到的全部卫星的集合，N_m(k)是S_m(k)所包含的卫星的数量。

8.根据权利要求1-7任一项所述的双平滑伪距域检测方法，其特征在于，所述两组平滑滤波时间常数分别为100s和30s。

9.根据权利要求1所述的双平滑伪距域检测方法，其特征在于，检验统计量的阈值的确定，包括以下步骤：

以预设的角度为步长，对不同仰角下检验统计量误差样本进行分组，得到检验统计量的误差样本分布；

采用广义极值分布包络住所述误差样本分布的尾部；

以所述广义极值分布满足尾部概率为P_FA的分位数为检验统计量的阈值；

所述P_FA为CATIII精密进近完好性需求分配的误警率。

10.根据权利要求9所述的双平滑伪距域检测方法，其特征在于，所述广义极值分布：

其中，μ是位置参数，σ是尺度参数，ξ是形状参数；通过调整μ，σ和ξ三个参数，得到最优的极值分布，使其包络住改组误差样本分布尾部。

Images