CN116481525A - 一种基于星间差分gps/bds/ins紧组合导航的mhss fde方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向星间单差GPS/BDS/INS紧组合定位的MHSS FDE方法：初始化求得GPS与BDS的系统间偏差；建立基于星际差分的卫星/惯性紧组合模型；根据卫星数量设计故障子集；求解每个故障子集对应的检测统计量与阈值，并进行故障检测与剔除，本发明能够处理多卫星观测量故障，最大化利用正确的卫星观测量。所述方法包括初始化求解GPS与BDS系统间偏差；建立基于星际差分的卫星/惯性紧组合模型；基于卫星数量设计故障子集；根据故障子集构建检验统计量，进行故障检测，根据检测结果以“最大故障贡献为剔除最高优先级”为理念设计MHSS故障剔除算法；最后输出定位结果。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域，特别涉及一种基于星间差分GPS/BDS/INS紧组合导航的MHSS FDE方法。
背景技术
卫星/惯性组合导航由于卫星导航与惯导的互补性已成为室外定位中最常见的方法之一。按组合方式可将卫星/惯性组合导航分为松组合、紧组合和深组合导航，其中卫星/惯性紧组合导航以伪距/伪距率作为量测输入，比松组合具有更高的定位精度和可靠性，比深组合具有更低的计算量和更好的实现性。随着各国全球卫星导航系统的发展与完善，可见卫星数量增加，组合导航的精度与可用性得到提升，但这也增加了卫星多观测量同时发生故障的概率。观测量故障往往是因为卫星信号受多路径效应、人为干扰、欺骗、卫星导航的软硬件随机故障等影响，无法预知与建模。因此，多观测量故障检测与剔除(FDE)算法对基于惯性/卫星组合的可靠导航具有重要意义。
目前应用于组合导航系统中的卫星信息故障检测算法包括接收机自主完好性监测(RAIM)，接收机自主完好性外推(AIME)，这些方法对单故障敏感度很高但无法有效进行多故障检测。多假设解分离(MHSS)通过对所有的卫星进行组合运算将不同的故障分离到不同的子集中，根据子集解与全集解的差值构建检验统计量，是一种有效的多故障检测方法，被应用于高级接收机完好性监测(ARAIM)，但是它目前仅应用于单接收机中，与组合导航框架并不适配。
发明内容
针对现有技术存在的问题与难点，本发明提出一种面向星间单差GPS/BDS/INS紧组合定位的MHSS FDE方法，将GPS/BDS/INS紧组合导航框架与MHSS算法理论融合，进行多观测量故障的检测与剔除，保证组合导航系统的可靠性与稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提出一种面向星间单差GPS/BDS/INS紧组合定位的MHSS FDE方法，能够处理多卫星观测量故障，最大化利用正确的卫星观测量。所述方法包括初始化求解GPS与BDS系统间偏差；建立基于星际差分的卫星/惯性紧组合模型；基于卫星数量设计故障子集；根据故障子集构建检验统计量，进行故障检测，根据检测结果以“最大故障贡献为剔除最高优先级”为理念设计MHSS故障剔除算法；最后输出定位结果。
针对故障检测与剔除部分：计算所有故障子集对应的检验统计量和阈值，当所有的检验统计量都在阈值之内时，认为无故障，否则认为有故障需要进行故障剔除。故障剔除以“最大故障贡献为剔除最高优先级”为理念进行，每次只剔除一个故障子集所对应的假设故障星，剔除之后再重新进行量测方程构建、故障子集设计、故障检测与剔除等步骤。
如图1所示，一种基于星间差分GPS/BDS/INS紧组合导航的MHSS FDE方法，包括以下步骤，
步骤(1)，初始化求得GPS与BDS的系统间偏差；
所述步骤(1)中初始化阶段在系统正式开始工作前获得GPS与BDS的先验系统间偏差，k历元时的系统间偏差求解方法为：
δtτ,k＝δtuG,k-δtuB,k (1)
其中：δtuG,k和δtuB,k分别是k历元的由伪距单点定位解算所得的GPS接收机钟差和BDS接收机钟差，δtτ,k为此历元时的系统间偏差，对初始化阶段所得的系统间偏差求均值，即得先验系统间偏差δtτ：
其中：j代表第j个历元，δtτ,j为j历元时的系统间偏差。
步骤(2)，建立基于星际差分的卫星/惯性紧组合模型；
所述步骤(2)中基于星际差分的卫星/惯性紧组合模型中量测方程的建立，包括以下步骤：
步骤(21)，对当前历元所得的卫星伪距观测值做卫星钟差、电离层误差、对流层误差的修正，并在BDS系统的伪距观测值中减去系统间偏差，最终所得量为之后用于解算的伪距观测值；
步骤(22)，选择卫星高度角最高的那颗卫星作为星级差分中的参考星L，分别计算卫星伪距星际差分值与惯导伪距星际差分值/>
其中：和/>分为非参考卫星i和参考卫星L的伪距值，/>和/>分别为惯导解算的非参考卫星i和参考卫星L的预测伪距，/>和/>的值为对应卫星与接收机之间的几何距离，则假设卫星总数为N，量测量Zk和量测矩阵Hk分别为：
其中，和/>分别为第1颗卫星对应的惯性递推伪距星间差分值和卫星观测伪距星间差分值，/>和/>为第N-1颗卫星对应的惯性递推伪距星间差分值和卫星观测伪距星间差分值；/>分别对应着第1个、第i个，第N-1个卫星，/>定义为各个卫星与参考卫星的单位观测矢量差值，即 和分别为第i个卫星和参考卫星L的单位观测矢量，/>为从导航系(n)至地球系(e)的旋转矩阵。
步骤(3)，根据卫星数量设计故障子集；
所述步骤(3)包括以下步骤：
步骤(31)，考虑一阶故障与二阶故障(单星故障，双星故障，单星座故障，单星座与单星同时故障)，且不考虑参考卫星L观测量的故障，计算故障子集数量：
Nfault＝2N+(N-1)(N-2)/2 (7)
其中，N为卫星总数，Nfault为故障子集数量；
步骤(32)，计算Nfault个类单位矩阵Eγ，γ指代第γ个故障子集或故障假设，每个故障子集都有对应的类单位矩阵；Eγ中对应故障模式γ中假设故障的卫星所对应的对角线元素设为0。
如图2所示，步骤(4)，求解每个故障子集对应的检测统计量与阈值，并进行故障检测与剔除；
所述步骤(4)包括以下步骤：
步骤(41)，计算无故障假设情况下k历元的滤波增益Kk,0；
步骤(42)，计算故障子集γ(γ＝1,…,Nfault)在历元k时刻所对应的滤波增益矩阵Kk,γ：
Kk,γ＝Kk,0Eγ
其中：Nfault为故障子集数量，γ指代第γ个故障子集或故障假设，每个故障子集都有对应的类单位矩阵Eγ；
步骤(43)，计算基于全部卫星所得的状态量和对应于故障子集γ的状态量的差值ΔXk,γ：
ΔXk,γ＝(Kk,γ-Kk,0)Υk
其中：Υk为EKF新息向量；
步骤(44)，计算ΔXk,γ对应的协方差矩阵
其中：E{·}指代期望，T为转置符号，∑Υ,k为新息量Υk的协方差阵， Pk/k-1为一步预测状态值的协方差阵，Rk为量测量协方差阵；
步骤(45)，计算故障子集γ所对应的MHSS检测统计量FDk,γ与它的方差：
其中，|·|表示对向量取模值；代表中的第7～9维元素；FDk,γ的方差/>为/>所对应的协方差阵/>中的最大特征值，标准差则为σFD,k,γ；
步骤(46)，计算故障子集γ所对应的MHSS检测门限DTk,γ：
其中：q代表故障子集的序号，ΔKγ为3×(Num-1)矩阵，ΔKγ＝Kk,γ[7:9,:]-Kk,0[7:9,:]，即仅提取增益矩阵中对应于位置的元素；bborm为连续性偏差值；Kfa表示标准正态分布的上1-PFA/2分位点，由以下公式给出：
其中：Q-1为标准正态分布累积函数的逆函数，PFA为预设的误警率；
步骤(47)，判断故障子集γ所对应的故障假设是否成立，并记录；当所有的故障子集皆进行故障假设成立与否的判断后转步骤(48)，否则γ＝γ+1，转步骤(42)；
步骤(48)，进行k历元故障的检测，当所有故障子集所对应的故障假设皆不成立则认为无故障，转步骤(410)，否则认为有故障，转步骤(49)进行故障剔除；
步骤(49)，进行k历元的故障剔除；在所有故障子集中挑选故障假设成立且假设故障星数量最小的故障子集，在这些故障子集中寻找FDk,γ最大时所对应的故障假设卫星，并删去，故障剔除完成，转步骤(3)，直至无故障假设成立为止；
步骤(410)，输出组合导航结果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明通过星间差分，GPS/BDS/INS紧组合不再需要估计接收机钟差，减少了需要估计的状态量，避免了接收机钟差建模不准确的问题，提高了定位精度；
(2)、本发明基于星间差分GPS/BDS/INS紧组合的MHSS FDE算法充分融合了紧组合的框架与MHSS的理论，能够有效检测并剔除多故障观测量，保证导航定位的可靠性。
附图说明
图1是本发明的算法结构图；
图2是本发明中基于MHSS的FDE算法流程；
图3是本发明仿真中故障下定位误差对比图；其中：(a)东向误差对比图、(b)为北向误差对比图，(c)为天向误差对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
仿真说明
为验证所提MHSS FDE算法的有效性，在实验采集数据的基础上添加仿真阶跃故障，故障大小超过百米，故障阶数为一阶和二阶，包括单星故障，双星故障，单星座故障，单星与单星座同时故障，具体故障情况如下表1所示。
表1仿真故障情况表
如图3所示，为故障仿真情况下使用MHSS FDE，不使用MHSS FDE以及无故障仿真时的定位误差对比。不使用FDE算法，三方向的定位误差皆会迅速增大，且天向误差在故障消失后仍长时间无法收敛。使用MHSS FDE算法能够有效抑制故障情况下的误差发散，使得东、北、天三方向的定位误差保持在正常水平。本发明所述方法能够适应星间差分GPS/BDS/INS紧组合框架，并有效识别、剔除多卫星观测量故障，定位精度明显提高，有效保证定位的完好性与可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于星间差分GPS/BDS/INS紧组合导航的MHSS FDE方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤(1)，初始化求得GPS与BDS的系统间偏差；
步骤(2)，建立基于星际差分的卫星/惯性紧组合模型；
步骤(3)，根据卫星数量设计故障子集；
步骤(4)，求解每个故障子集对应的检测统计量与阈值，并进行故障检测与剔除；
所述步骤(4)包括以下步骤：
步骤(41)，计算无故障假设情况下k历元的滤波增益Kk，0；
步骤(42)，计算故障子集γ(γ＝1，...，Nfault)在历元k时刻所对应的滤波增益矩阵Kk，γ：
Kk，γ＝Kk，0Eγ
其中：Nfault为故障子集数量，γ指代第γ个故障子集或故障假设，每个故障子集都有对应的类单位矩阵Eγ；
步骤(43)，计算基于全部卫星所得的状态量和对应于故障子集γ的状态量的差值ΔXk，γ：
ΔXk，γ＝(Kk，γ-Kk，0)Υk
其中：Υk为EKF新息向量；
步骤(44)，计算ΔXk，γ对应的协方差矩阵
其中：E{·}指代期望，T为转置符号，∑Υ，k为新息量Υk的协方差阵， 为一步预测状态值的协方差阵，Rk为量测量协方差阵；
步骤(45)，计算故障子集γ所对应的MHSS检测统计量FDk,γ与它的方差：
其中，川表示对向量取模值；代表中的第7～9维元素；FDk,γ的方差为/>所对应的协方差阵/>中的最大特征值，标准差则为σFD,k，γ；
步骤(46)，计算故障子集γ所对应的MHSS检测门限DTk，γ：
其中：q代表故障子集的序号，ΔKγ为3×(Num-1)矩阵，ΔKγ＝Kk，γ[7：9，：]-Kk，0[7：9，：]，即仅提取增益矩阵中对应于位置的元素；bborm为连续性偏差值；Kfa表示标准正态分布的上1-PFA/2分位点，由以下公式给出：
其中：Q-1为标准正态分布累积函数的逆函数，PFA为预设的误警率；
步骤(47)，判断故障子集γ所对应的故障假设是否成立，并记录；当所有的故障子集皆进行故障假设成立与否的判断后转步骤(48)，否则γ＝γ+1，转步骤(42)；
步骤(48)，进行k历元故障的检测，当所有故障子集所对应的故障假设皆不成立则认为无故障，转步骤(410)，否则认为有故障，转步骤(49)进行故障剔除；
步骤(49)，进行k历元的故障剔除；在所有故障子集中挑选故障假设成立且假设故障星数量最小的故障子集，在这些故障子集中寻找FDk，γ最大时所对应的故障假设卫星，并删去，故障剔除完成，转步骤(3)，直至无故障假设成立为止；
步骤(410)，输出组合导航结果。
2.根据权利要求1所述的基于星间差分GPS/BDS/INS紧组合导航的MHSS FDE方法，其特征在于，
所述步骤(1)中初始化阶段在系统正式开始工作前获得GPS与BDS的先验系统间偏差，k历元时的系统间偏差求解方法为：
δtτ，k＝δtuG，k-δtuB，k (1)
其中：δtuG，k和δtuB，k分别是k历元的由伪距单点定位解算所得的GPS接收机钟差和BDS接收机钟差，δtτ，k为此历元时的系统间偏差，对初始化阶段所得的系统间偏差求均值，即得先验系统间偏差δtτ：
其中：j代表第j个历元，δtτ,j为j历元时的系统间偏差。
3.根据权利要求1所述的基于星间差分GPS/BDS/INS紧组合导航的MHSS FDE方法，其特征在于，所述步骤(2)中基于星际差分的卫星/惯性紧组合模型中量测方程的建立，包括以下步骤：
步骤(21)，对当前历元所得的卫星伪距观测值做卫星钟差、电离层误差、对流层误差的修正，并在BDS系统的伪距观测值中减去系统间偏差，最终所得量为之后用于解算的伪距观测值；
步骤(22)，选择卫星高度角最高的那颗卫星作为星级差分中的参考星L，分别计算卫星伪距星际差分值与惯导伪距星际差分值/>
其中：和/>分为非参考卫星i和参考卫星L的伪距值，/>和/>分别为惯导解算的非参考卫星i和参考卫星L的预测伪距，/>和/>的值为对应卫星与接收机之间的几何距离，则假设卫星总数为N，量测量Zk和量测矩阵Hk分别为：
其中，和/>分别为第1颗卫星对应的惯性递推伪距星间差分值和卫星观测伪距星间差分值，/>和/>为第N-1颗卫星对应的惯性递推伪距星间差分值和卫星观测伪距星间差分值；/>分别对应着第1个、第i个，第N-1个卫星，/>定义为各个卫星与参考卫星的单位观测矢量差值，即和/>分别为第i个卫星和参考卫星L的单位观测矢量，/>为从导航系(n)至地球系(e)的旋转矩阵。
4.根据权利要求1所述的基于星间差分GPS/BDS/INS紧组合导航的MHSS FDE方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：
步骤(31)，考虑一阶故障与二阶故障，且不考虑参考卫星L观测量的故障，计算故障子集数量：
Nfault＝2N+(N-1)(N-2)/2 (7)
其中，N为卫星总数，Nfault为故障子集数量；
步骤(32)，计算Nfault个类单位矩阵Eγ，γ指代第γ个故障子集或故障假设，每个故障子集都有对应的类单位矩阵；Eγ中对应故障模式γ中假设故障的卫星所对应的对角线元素设为0。
5.根据权利要求4所述的基于星间差分GPS/BDS/INS紧组合导航的MHSS FDE方法，其特征在于，所述二阶故障包括单星故障，双星故障，单星座故障，单星座与单星同时故障。
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|---|---|---|---|---|
| CN116794700A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-09-22 | 浙江中裕通信技术有限公司 | 一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法 |
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| CN116794700B (zh) * | 2023-08-24 | 2023-12-12 | 浙江中裕通信技术有限公司 | 一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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