CN115453579A - 基于北斗ppp-rtk的合成星历a类故障完好性监测方法及装置 - Google Patents
基于北斗ppp-rtk的合成星历a类故障完好性监测方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
基于北斗PPP‑RTK的合成星历A类故障完好性监测方法及装置，涉及GNSS完好性监测领域。针对现有技术中传统基于接收机自主完好性监测的A类星历故障监测受限于观测噪声较大或模糊度固定失败，存在难以满足PPP‑RTK载波相位层级监测灵敏度要求的问题，本发明提供的技术方案为基于北斗PPP‑RTK的合成星历A类故障完好性监测方法，方法包括：建立星历A类故障的伪距与载波相位双差观测模型；根据观测模型构建广播星历参数偏差的观测方程；根据观测方程构建表征北斗卫星位置误差的检测统计量并判断是否满足要求；根据观测方程构建最小可检测误差模型并判断是否满足要求；若满足，输出卫星位置误差无A类故障。适用于北斗PPP‑RTK监测灵敏度需求的合成星历A类故障完好性监测中。
Description
技术领域
涉及GNSS完好性监测领域，具体涉及合成星历A类故障完好性监测。
背景技术
基于北斗PPP-RTK技术的海洋牧场、精细农业以及自动驾驶等精密作业场景的实现，依托实时改正产品的支持，而北斗合成星历的精准可靠正是实时改正产品生成的重要前提。并且广播星历在评估GNSS系统性能，包括精度、完好性、连续性和可用性中起着关键作用。因此，亟需针对北斗合成星历展开完好性监测，以期提升PPP-RTK各类应用场景的服务效能。
根据卫星是否发生机动，将广播星历故障分为卫星未发生机动而广播星历参数编码异常的B类合成星历故障以及卫星发生机动而广播星历参数未协同更新的A类合成星历故障。由于北斗卫星导航系统采用异构星座设计，受摄动力以及其他干扰的影响，GEO以及IGSO卫星为保持预定轨道需要频繁机动。卫星机动时若广播星历参数未及时更新将导致广播星历参数计算所得的卫星位置与实际卫星位置产生较大偏差，对与生命安全相关的导航应用造成严重影响。而传统基于接收机自主完好性监测的A类星历故障监测受限于观测噪声较大或模糊度固定失败，存在难以满足PPP-RTK载波相位层级监测灵敏度要求的问题。因此，围绕北斗合成广播星历，设计一种顾及北斗PPP-RTK监测灵敏度需求的合成星历A类故障完好性监测方法具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中卫星机动时若广播星历参数未及时更新将导致广播星历参数计算所得的卫星位置与实际卫星位置产生较大偏差，对与生命安全相关的导航应用造成严重影响。而传统基于接收机自主完好性监测的A类星历故障监测受限于观测噪声较大或模糊度固定失败，存在难以满足PPP-RTK载波相位层级监测灵敏度要求的问题，本发明提供的技术方案为：
基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法，所述方法包括：
步骤1：建立星历A类故障的伪距与载波相位双差观测模型；
步骤2：根据所述观测模型构建广播星历参数偏差的观测方程；
步骤3：根据所述观测方程构建表征北斗卫星位置误差的检测统计量；
步骤4：判断所述统计量是否满足预设要求；
步骤5：根据所述观测方程构建最小可检测误差模型；
步骤6：判断所述误差模型是否满足预设要求；
步骤7：若所述观测方程同时满足所述步骤4和步骤6的判断条件，则输出所述卫星位置误差无A类故障。
进一步，提供一个优选实施方式，所述步骤1具体为：基于短基线参考接收机的地面设施，获取伪距和载波相位观测数据以及广播星历数据，通过站间-星间两次差分，建立伪距与载波相位双差观测模型。
进一步，提供一个优选实施方式，所述步骤2具体为：根据北斗广播星历参数灵敏度，将所述伪距与载波相位双差观测模型转换为关于广播星历参数偏差的观测方程。
进一步，提供一个优选实施方式，所述步骤4中的预设要求具体为：北斗PPP-RTK连续性风险要求的检测阈值。
进一步，提供一个优选实施方式，所述步骤5具体为：根据所述观测方程以及协方差矩阵，构建最小可检测误差模型。
基于同一发明构思，本发明还提供了基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测装置，所述装置包括：
模块1：用于建立星历A类故障的伪距与载波相位双差观测模型；
模块2：用于根据所述观测模型构建广播星历参数偏差的观测方程；
模块3：用于根据所述观测方程构建表征北斗卫星位置误差的检测统计量；
模块4：用于判断所述统计量是否满足预设要求；
模块5：用于根据所述观测方程构建最小可检测误差模型；
模块6：用于判断所述误差模型是否满足预设要求；
模块7：用于若所述观测方程同时满足所述步骤4和步骤6的判断条件，则输出所述卫星位置误差无A类故障。
进一步，提供一个优选实施方式，所述模块1具体为：用于基于短基线参考接收机的地面设施，获取伪距和载波相位观测数据以及广播星历数据，通过站间-星间两次差分，建立伪距与载波相位双差观测模型。
进一步，提供一个优选实施方式，所述模块2具体为：用于根据北斗广播星历参数灵敏度，将所述伪距与载波相位双差观测模型转换为关于广播星历参数偏差的观测方程。
基于同一发明构思，本发明还提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，当计算机的处理器处理所述储存介质中的计算机程序时，所述计算机执行所述的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法。
基于同一发明构思，本发明还提供了计算机，包括处理器和储存介质，所述储存介质中储存有计算机程序，当所述计算机的处理器处理所述储存介质中的计算机程序时，所述计算机执行所述的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法。
本发明的有益之处在于：
因为广播星历故障是北斗PPP-RTK的重要风险源；本发明提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法，针对传统基于伪距层级的合成星历A类故障监测方法受限于灵敏度不足无法满足PPP-RTK要求的关键问题，通过分析北斗广播星历参数的统计特性，充分顾及北斗异构卫星轨道周期差异性以及星历参数对卫星位置的影响；建立基于卫星位置误差的双差观测方程，有效提升广播星历A类故障完好性监测灵敏度；构建检测统计量和最小可检测误差模型，实现漏检和误警的同步控制，完备保障北斗PPP-RTK服务的完好性和连续性。
适用于为顾及北斗PPP-RTK监测灵敏度需求的合成星历A类故障完好性监测提供新的研究方向，同时还应用于北斗PPP-RTK监测灵敏度需求的合成星历A类故障完好性监测中。
附图说明
图1为实施方式十一提到的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更清楚，现结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，具体的：
实施方式一、本实施方式提供了基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法，所述方法包括：
步骤1：建立星历A类故障的伪距与载波相位双差观测模型；
步骤2：根据所述观测模型构建广播星历参数偏差的观测方程；
步骤3：根据所述观测方程构建表征北斗卫星位置误差的检测统计量；
步骤4：判断所述统计量是否满足预设要求；
步骤5：根据所述观测方程构建最小可检测误差模型；
步骤6：判断所述误差模型是否满足预设要求；
步骤7：若所述观测方程同时满足所述步骤4和步骤6的判断条件，则输出所述卫星位置误差无A类故障。
实施方式二、本实施方式是对实施方式一提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法的进一步限定，所述步骤1具体为：基于短基线参考接收机的地面设施，获取伪距和载波相位观测数据以及广播星历数据，通过站间-星间两次差分，建立伪距与载波相位双差观测模型。
实施方式三、本实施方式是对实施方式一提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法的进一步限定，所述步骤2具体为：根据北斗广播星历参数灵敏度，将所述伪距与载波相位双差观测模型转换为关于广播星历参数偏差的观测方程。
实施方式四、本实施方式是对实施方式一提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法的进一步限定，所述步骤4中的预设要求具体为：北斗PPP-RTK连续性风险要求的检测阈值。
实施方式五、本实施方式是对实施方式一提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法的进一步限定，所述步骤5具体为：根据所述观测方程以及协方差矩阵，构建最小可检测误差模型。
实施方式六、本实施方式提供了基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测装置，所述装置包括：
模块1：用于建立星历A类故障的伪距与载波相位双差观测模型；
模块2：用于根据所述观测模型构建广播星历参数偏差的观测方程；
模块3：用于根据所述观测方程构建表征北斗卫星位置误差的检测统计量；
模块4：用于判断所述统计量是否满足预设要求；
模块5：用于根据所述观测方程构建最小可检测误差模型；
模块6：用于判断所述误差模型是否满足预设要求；
模块7：用于若所述观测方程同时满足所述步骤4和步骤6的判断条件，则输出所述卫星位置误差无A类故障。
实施方式七、本实施方式是对实施方式六提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测装置的进一步限定，所述模块1具体为：用于基于短基线参考接收机的地面设施，获取伪距和载波相位观测数据以及广播星历数据，通过站间-星间两次差分，建立伪距与载波相位双差观测模型。
实施方式八、本实施方式是对实施方式六提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测装置的进一步限定，所述模块2具体为：用于根据北斗广播星历参数灵敏度，将所述伪距与载波相位双差观测模型转换为关于广播星历参数偏差的观测方程。
实施方式九、本实施方式提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，当计算机的处理器处理所述储存介质中的计算机程序时，所述计算机执行实施方式一至五任意一项提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法。
实施方式十、本实施方式提供了计算机，包括处理器和储存介质，所述储存介质中储存有计算机程序，当所述计算机的处理器处理所述储存介质中的计算机程序时，所述计算机执行实施方式一至五任意一项提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法。
实施方式十一、本实施方式是对实施方式一提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法提供一个具体的实施方式，同时用于解释实施方式一至五，具体的：
如图1所示，为本发明提供的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法的流程示意图。
步骤1，构建卫星位置误差的双差观测模型：
对于差分用户，定位精度主要受正交于卫星视距方向的位置误差影响，需采用精度较高的双差载波相位来测量正交于视距方向的卫星位置误差，对于视距方向的卫星位置误差可采用无模糊度的伪距差分测量，保证具有较高观测精度的情况下，进一步降低整周模糊度固定解算复杂度。
采用伪距差分测量卫星视距方向ek的卫星位置误差：
式中，δrk为卫星位置误差；
为伪距差分测量误差，T为矩阵转置。
采用双差载波相位测量正交于视距方向的卫星位置误差：
式中，l是基线长度；d是基线方向单位向量；I是3×3的单位矩阵；N为模糊度；λ为波长；
是接收机白噪声和多路径引起的与时间相关的测量误差，Rk表示卫星k到用户的几何距离。
式(2)直接将载波相位测量误差与卫星位置误差相关联，因为它由卫星视距单位向量构成的误差，所以它只考虑与卫星视距方向正交的误差。
步骤2，构建关于广播星历参数偏差的卫星位置误差观测方程：
将广播星历参数偏差与卫星位置对广播星历参数的微分结合，得到关于广播星历参数变化的卫星位置误差函数，确定每个广播星历参数变化对卫星位置误差的影响大小：
式中，δx(t)、δy(t)、δz(t)分别为卫星位置误差，P为北斗广播星历参数矩阵。公式(3)右边的第一个矩阵为广播星历参数变化对卫星位置误差的灵敏度矩阵，现简写为矩阵A，矩阵A内的每个元素是某一方向的卫星位置对某个广播星历参数的微分，可将公式(3)简写为δr(t)＝AδP，δr(t)为卫星位置误差，δp表示星历参数误差，toe表示星历参数时间，t表示当前观测时间。
最后，将伪距差分和双差载波相位联合测量的卫星位置误差观测方程和广播星历参数灵敏度分析中的卫星位置误差函数结合，得到关于广播星历参数偏差的卫星位置误差观测方程为：
式中，
和
均表示服从零均值正态分布，Ak表示卫星k的位置对星历参数的微分，
和
分别表示伪距和载波相位观测量的量测噪声。
步骤3，北斗合成星历A类故障连续性风险约束：
根据步骤2广播星历参数灵敏度分析可知，北斗卫星大部分广播星历参数偏差近似服从零均值的正态分布或双峰分布，可假设广播星历无故障情况下的卫星位置误差服从零均值正态分布，卫星位置误差分布为δr～N(0，Cδr)；其中，Cδr是δr的协方差矩阵。
给定变量u，令其值等于常数矩阵
和卫星位置误差δr的乘积，由于协方差矩阵的对称特性，所以有：
其中，Cu表示u的协方差矩阵，上角标T表示矩阵转置。
则检验统计量s可定义为：
其中，S表示卫星位置误差的检测统计量。
由式(6)可知，广播星历无故障情况下，检验统计量s近似服从三个自由度的卡方分布。
根据步骤2的卫星位置误差函数，构建广播星历A型故障监测的检验统计量，并与阈值T比较。检验统计量的阈值T与北斗PPP-RTK连续性风险要求的误警率相关。
误警率Pffa对应阈值T的计算公式如下：
式中，v是自由度数，v＝3；Γ是伽玛函数。
若检验统计量均小于阈值T，或大于阈值T的检验统计量个数在总样本误警允许范围内，则满足北斗PPP-RTK的连续性风险要求。
其中，GEO卫星检验统计量并非完全服从三个自由度的卡方分布，只是在假设基础上近似服从三个自由度的卡方分布。为避免这种情况，需对协方差矩阵进行膨胀，减小GEO卫星大于阈值的检验统计量个数，使其在北斗PPP-RTK要求的误警允许范围内。
步骤4，北斗合成星历A类故障完好性风险约束：
根据式(4)构建广播星历参数偏差的卫星位置误差观测方程：
Z＝HδP+υ (8)
式中，Z为观测量矩阵；H为观测矩阵；υ为观测误差矩阵。
根据步骤2广播星历参数灵敏度分析可知，Cic和Cis参数的变化对GEO、IGSO、MEO卫星位置误差的影响非常小，所以在构建广播星历A型故障监测的观测方程时，忽略Cic和Cis参数对卫星位置误差的影响，即广播星历参数偏差δP不包含Cic和Cis这两个参数，而加入两个接收机的未知整周模糊度Na和Nb。
根据加权最小二乘法计算广播星历参数偏差的最佳估计值
及其协方差矩阵，可得广播星历参数偏差υP为：
式中，W是最小二乘加权矩阵。
广播星历参数偏差的协方差为：
CδP＝(HTV-1H)-1 (10)
其中，V为E[υυT]，v的协方差矩阵。
根据δr(t)＝AδP可得到卫星位置误差的协方差矩阵为：
将公式(11)带入式(12)中，可以计算北斗各卫星的MDE，将其与检测门限比较，判断是否满足北斗PPP-RTK的完好性风险要求。
式中，λ为非中心参数，。
步骤5，构建广播星历可用性标识：
对于满足步骤3连续性风险约束与步骤4完好性风险约束的北斗合成广播星历标记为可用，对于不满足上述任一约束的北斗合成星历则标记为不可用，实现北斗合成星历A类故障误警与漏检的同步控制，完成北斗合成星历A类故障完好性监测。
以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行进一步详细地解释，不过以上所述的具体实施方式仅仅用于突出本发明提供的技术方案的优点和有益之处，并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的更改和改进、实施方式的组合和改进等，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：建立星历A类故障的伪距与载波相位双差观测模型；
步骤2：根据所述观测模型构建广播星历参数偏差的观测方程；
步骤3：根据所述观测方程构建表征北斗卫星位置误差的检测统计量；
步骤4：判断所述统计量是否满足预设要求；
步骤5：根据所述观测方程构建最小可检测误差模型；
步骤6：判断所述误差模型是否满足预设要求；
步骤7：若所述观测方程同时满足所述步骤4和步骤6的判断条件，则输出所述卫星位置误差无A类故障。
2.根据权利要求1所述的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法，其特征在于，所述步骤1具体为：基于短基线参考接收机的地面设施，获取伪距和载波相位观测数据以及广播星历数据，通过站间-星间两次差分，建立伪距与载波相位双差观测模型。
3.根据权利要求1所述的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：根据北斗广播星历参数灵敏度，将所述伪距与载波相位双差观测模型转换为关于广播星历参数偏差的观测方程。
4.根据权利要求1所述的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法，其特征在于，所述步骤4中的预设要求具体为：北斗PPP-RTK连续性风险要求的检测阈值。
5.根据权利要求1所述的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法，其特征在于，所述步骤5具体为：根据所述观测方程以及协方差矩阵，构建最小可检测误差模型。
6.基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测装置，其特征在于，所述装置包括：
模块1：用于建立星历A类故障的伪距与载波相位双差观测模型；
模块2：用于根据所述观测模型构建广播星历参数偏差的观测方程；
模块3：用于根据所述观测方程构建表征北斗卫星位置误差的检测统计量；
模块4：用于判断所述统计量是否满足预设要求；
模块5：用于根据所述观测方程构建最小可检测误差模型；
模块6：用于判断所述误差模型是否满足预设要求；
模块7：用于若所述观测方程同时满足所述步骤4和步骤6的判断条件，则输出所述卫星位置误差无A类故障。
7.根据权利要求6所述的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测装置，其特征在于，所述模块1具体为：用于基于短基线参考接收机的地面设施，获取伪距和载波相位观测数据以及广播星历数据，通过站间-星间两次差分，建立伪距与载波相位双差观测模型。
8.根据权利要求6所述的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测装置，其特征在于，所述模块2具体为：用于根据北斗广播星历参数灵敏度，将所述伪距与载波相位双差观测模型转换为关于广播星历参数偏差的观测方程。
9.计算机储存介质，用于储存计算机程序，其特征在于，当计算机的处理器处理所述储存介质中的计算机程序时，所述计算机执行权利要求1-5任意一项所述的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法。
10.计算机，包括处理器和储存介质，所述储存介质中储存有计算机程序，其特征在于，当所述计算机的处理器处理所述储存介质中的计算机程序时，所述计算机执行权利要求1-5任意一项所述的基于北斗PPP-RTK的合成星历A类故障完好性监测方法。
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| CN112198532A (zh) * | 2020-09-30 | 2021-01-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种顾及参数灵敏度的北斗广播星历机动型故障监测方法 |
| CN113406670A (zh) * | 2021-06-17 | 2021-09-17 | 哈尔滨工程大学 | 一种北斗非机动型广播星历故障实时监测方法 |
-
2022
- 2022-09-14 CN CN202211115498.7A patent/CN115453579A/zh active Pending
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