CN116577810A - 一种卫星导航高精度服务完好性监测方法及装置 - Google Patents

一种卫星导航高精度服务完好性监测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种卫星导航高精度服务完好性监测方法及装置，方法包括：获取基准站网解算生成的精密改正数产品；利用精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差；利用用户测距误差，确定用户测距精度；基于评估站网，生成对应的大气质量指标；基于预先配置的阈值，利用用户测距误差进行卫星故障判定；基于精密改正数产品、用户测距精度、大气质量指标以及卫星故障判定的结果，生成完好性信息。本发明提供的卫星导航高精度服务完好性监测方法，可以对用户测距误差及大气进行监测，从而判断卫星故障并生成完好性信息，通过卫星或互联网播发给用户，用户端利用具备完好性信息的高精度产品即可实现高可靠性的高精度定位。

Description

一种卫星导航高精度服务完好性监测方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种卫星导航高精度服务完好性监测方法及装置。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)可向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,已成为重要的空间信息基础设施。当前区域和全球范围内的GNSS高精度增强服务不断推出，催生了GNSS高精度定位在汽车、铁路、船舶等各行业中的应用，这对卫星导航系统的高完好性和可靠性提出了更高的需求。现有的高精度定位服务主要向用户提供卫星精密轨道、精密钟差及精密大气产品，用户通过接收精密产品即可进行高精度定位。常见的现有技术步骤依次如下：获取分布在全球范围GNSS地面站的观测数据；利用观测数据解算精密轨道、钟差及大气产品；向用户播发精密改正数产品。通过上述技术方案生成的精密产品均不包含完好性信息，因此用户无法得知产品的可靠性，无法满足自动驾驶等自主行业对高完好性的需求。
当前，应用在民航领域的星基增强系统(SBAS)可以为民航飞机提供基于伪距包含完好性的精度为米级的定位服务，但米级的定位服务显然无法应用于高精度定位领域，而目前能提供基于载波相位的高精度服务又不包含完好性信息，同时，由于卫星轨道机动、卫星原子钟切换以及各种不明太空环境影响，现有高精度定位服务解算的精密轨道、钟差产品可能存在不可用的情况。除了受到卫星端影响外，在太阳活动、磁暴以及极端天气情况发生时，精密电离层产品以及精密对流层产品也会存在不可用的情况。然而出现这种情况时服务端并不能将不可用的消息及时告知用户，而用户使用这些包含错误信息的精密产品进行定位解算时，结果往往与真实位置偏差过大，因此，不包含完好性监测的高精度服务天然缺乏安全性与可靠性，无法应用于自主定位领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在卫星导航高精度定位领域，当前基于载波相位的精密单点定位技术及实时差分定位技术均不包含完好性，用户无法知道定位结果的可靠性；而传统星基增强服务，虽支持完好性，但仅使用伪距观测量，无法满足高精度需求；有鉴于此，本发明提供一种卫星导航高精度服务完好性监测方法及装置。
本发明采用的技术方案是，一种卫星导航高精度服务完好性监测方法，包括：
步骤S1，获取基准站网解算生成的精密改正数产品；
步骤S2，利用所述精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差；
步骤S3，利用所述用户测距误差，确定用户测距精度；
步骤S4，基于评估站网，生成对应的大气质量指标；
步骤S5，基于预先配置的阈值，利用所述用户测距误差进行卫星故障判定；
步骤S6，基于所述精密改正数产品、所述用户测距精度、所述大气质量指标以及所述卫星故障判定的结果，生成完好性信息。
在一个实施方式中，获取所述精密改正数产品，包括：
获取通过实时解算的轨道、钟差、电离层、对流层精密改正数产品。
在一个实施方式中，所述利用所述精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差，包括：
利用所述精密改正数产品，确定伪距和载波的改正数；
通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，以获取用户测距误差。
在一个实施方式中，所述通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，以获取用户测距误差，包括：通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，进一步通过卡尔曼滤波进行参数估计，采用LAMBDA方法进行整周模糊度固定，以获取用户测距误差的绝对值。
在一个实施方式中，利用所述用户测距误差，确定用户测距精度，包括：
利用所述用户测距误差的非色散部分，按照预设的时间间隔生成所述用户测距精度。
在一个实施方式中，所述大气质量指标包括电离层质量指标和对流层质量指标。
在一个实施方式中，所述电离层质量指标的生成过程，包括：
根据对应的所述用户测距误差的色散部分以及每个区域评估测站的电离层延迟误差，按照预设时间间隔生成对应的所述电离层质量指标；
所述对流层质量指标的生成过程，包括：
根据每个区域评估测站的天顶对流层延迟，按照预设时间间隔生成对应的所述对流层质量指标。
本发明的另一方面方面还提供了一种卫星导航高精度服务完好性监测装置，包括：
获取单元，被配置为获取基准站网解算生成的精密改正数产品；
用户测距误差单元，被配置为利用所述精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差；
用户测距精度单元，被配置为利用所述用户测距误差，确定用户测距精度；
大气质量指标单元，被配置为基于评估站网，生成对应的大气质量指标；
故障判定单元，被配置为基于预先配置的阈值，利用所述用户测距误差进行卫星故障判定；
生成单元，被配置为基于所述精密改正数产品、所述用户测距精度、所述大气质量指标以及所述卫星故障判定的结果，生成完好性信息。
本发明的另一方面还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任一项所述的卫星导航高精度服务完好性监测方法的步骤。
本发明的另一方面还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的卫星导航高精度服务完好性监测方法的步骤。
采用上述技术方案，本发明实施例提供的卫星导航高精度服务完好性监测方法，可以对用户测距误差及大气进行监测，从而判断卫星故障并生成完好性信息，通过卫星或互联网播发给用户，用户端利用具备完好性信息的高精度产品即可实现高可靠性的高精度定位。
附图说明
图1为根据本发明实施例的卫星导航高精度服务完好性监测方法流程示意图；
图2为根据本发明实施例的另一个卫星导航高精度服务完好性监测方法流程示意图；
图3为根据本发明实施例的卫星导航高精度服务完好性监测装置组成结构图；
图4为根据本发明实施例的电子设备结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明第一实施例，一种卫星导航高精度服务完好性监测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1，获取基准站网解算生成的精密改正数产品；
步骤S2，利用所述精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差；
步骤S3，利用用户测距误差，确定用户测距精度；
步骤S4，基于评估站网，生成对应的大气质量指标；
步骤S5，基于预先配置的阈值，利用用户测距误差进行卫星故障判定；
步骤S6，基于精密改正数产品、用户测距精度、大气质量指标以及卫星故障判定的结果，生成完好性信息。
可参考图1或图2，下面将分布对实施例所提供的方法进行详细说明。
步骤S1，获取基准站网解算生成的精密改正数产品。
本实施例中，获取精密改正数产品可以包括：获取通过实时解算的轨道、钟差、电离层、对流层精密改正数产品。
步骤S2，利用所述精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差。
本实施例中，所述利用所述精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差，包括：
利用所述精密改正数产品，确定伪距和载波的改正数；
通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，以获取用户测距误差。
进一步地，通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，以获取用户测距误差，包括：通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，进一步通过卡尔曼滤波进行参数估计，采用LAMBDA方法进行整周模糊度固定，以获取用户测距误差的绝对值。
具体地，通过星间单差消除接收机端误差，得到接收机r的伪距和载波的观测方程如下：
其中，表示星间单差，/>和/>为改正后的伪距和载波观测值的测距误差，PRC和CPC为伪距和载波的改正数，λf(＝c/f)为载波波长，ρ为评估站与卫星j的几何距离，Xr和Xbroadcast为评估站坐标和用星历计算的卫星j坐标，los(line ofsightvector)为评估站到卫星j的视线向向量，[δx,δy,δ]为评估点坐标残差，res T为对流层延迟残差，MF为对流层延迟的映射函数，resI为电离层延迟残差，N为载波相位整周模糊度。
为了获取用户测距误差的绝对值，需要解出整周模糊度和单差用户测距误差。通过卡尔曼滤波进行参数估计，采用LAMBDA方法进行整周模糊度固定。
固定模糊度的L1和L2频率用户测距误差绝对值可以用来计算色散(Disp)部分和非色散(nonDisp)部分：
步骤S3，利用用户测距误差，确定用户测距精度。
本实施例中，利用用户测距误差，确定用户测距精度，包括：利用用户测距误差的非色散部分，按照预设的时间间隔生成所述用户测距精度。
具体地，用户测距精度由用户测距误差的非色散部分每五秒生成一次，假设服务范围被划分为12个区域，每个区域有5个评估测站，使用所有区域共60个评估测站计算，如下：
AURA是由组成的矩阵，/>是卫星i和评估站j的评估值，smax为卫星的最大数量。
为了获取包括参考星在内的所有可见卫星的用户测距精度，利用如下公式将参考星转换为高度角较高的三颗卫星。
D＝I-dij,
A′＝D·A＝(a′ij),a′ij＝aij-abj
其中，D为参考星b的变换矩阵，A为变换前的单差矩阵，A'为变换后的参考星b的单差矩阵，I为单位阵。计算得到的AURA即为用户测距精度信息。
步骤S4，基于评估站网，生成对应的大气质量指标。
本实施例中，大气质量指标具体包括电离层质量指标和对流层质量指标。
本实施例中，所述电离层质量指标的生成过程，包括：根据对应的所述用户测距误差的色散部分以及每个区域评估测站的电离层延迟误差，按照预设时间间隔生成对应的所述电离层质量指标；
对流层质量指标的生成过程，包括：根据每个区域评估测站的天顶对流层延迟，按照预设时间间隔生成对应的所述对流层质量指标。
具体地，电离层：
每个区域每颗卫星的电离层质量指标由用户测距误差的色散部分和每个区域评估测站的电离层延迟误差每30秒生成一次。电离层质量指标由每个区域5个评估测站统计而来。为了获得包括参考星在内的所有可见卫星的电离层质量指标，将参考卫星转换为3颗高高度角卫星。
STEC表示电离层，ASTEC为组成的矩阵，/>为卫星i在参考站j处的电离层残差，/>和/>分别为倾斜电离层延迟在评估测站的内插值和利用多项式模型及参考格网计算的倾斜电离层延迟。tobs和ttarget分别为观测数据的历元时间和改正数的目标历元时间。计算得到的ASTEC即为电离层完好性信息。
对流层：
每个区域的对流层质量指标由每个区域评估测站的天顶对流层延迟(包括干、湿延迟在内)误差每30秒生成一次。对流层质量指标是每个区域5个评估测站的统计值。
Atrop为组成的矩阵，/>为对流层延迟在评估站j处的评估值，/>和/>分别为评估测站处内插的天顶对流层干延迟和湿延迟，/>和分别表示评估站格网处的垂直对流层干延迟和湿延迟。计算得到的Atrop即为对流层完好性信息。
步骤S5，基于预先配置的阈值，利用用户测距误差进行卫星故障判定；
本实施例中，为了保证用户定位精度，需要监测卫星的用户测距误差。如果某颗卫星的用户测距误差超过阈值(通常可配置为0.468m)，卫星就会被标记为异常。高精度服务通过对特定卫星以及特定的卫星系统设置告警标志，向用户通知卫星异常。
步骤S6，基于精密改正数产品、用户测距精度、大气质量指标以及卫星故障判定的结果，生成完好性信息。
也就是说，在实际应用中，可以对步骤3，4，5中生成的完好性信息及卫星故障信息进行编码打包，和精密改正数产品一起上注卫星或通过互联网播发，用户接收后即可使用。
相较于现有技术，本实施例旨在解决高精度定位领域的完好性监测问题，以提高用户定位精度的可靠性，最终向大众自主行业推广应用。
具体的优势在于：
1)本实施例通过对基于载波相位的高精度产品进行完好性监测，提高了服务的可靠性。
2)相比传统高精度服务，本实施例可对高精度产品进行完好性监测；
3)相比基于伪距的星基增强服务，本实施例具有更高的精度。
本发明第二实施例，与第一实施例对应，本实施例介绍一种卫星导航高精度服务完好性监测装置，如图3所示，包括以下组成部分：
获取单元，被配置为获取基准站网解算生成的精密改正数产品；
用户测距误差单元，被配置为利用精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差；
用户测距精度单元，被配置为利用用户测距误差，确定用户测距精度；
大气质量指标单元，被配置为基于评估站网，生成对应的大气质量指标；
故障判定单元，被配置为基于预先配置的阈值，利用用户测距误差进行卫星故障判定；
生成单元，被配置为基于精密改正数产品、用户测距精度、大气质量指标以及卫星故障判定的结果，生成完好性信息。
本实施例中，精密改正数产品，包括：通过实时解算获取的轨道、钟差、电离层、对流层精密改正数产品。
本实施例中，用户测距误差单元，被进一步配置为：
利用所述精密改正数产品，确定伪距和载波的改正数；
通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，以获取用户测距误差。
本实施例中，用户测距误差单元，被进一步配置为：
通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，进一步通过卡尔曼滤波进行参数估计，采用LAMBDA方法进行整周模糊度固定，以获取用户测距误差的绝对值。
本实施例中，用户测距精度单元，被进一步配置为：
利用所述用户测距误差的非色散部分，按照预设的时间间隔生成所述用户测距精度。
本实施例中，所述大气质量指标包括电离层质量指标和对流层质量指标。
本实施例中，所述电离层质量指标的生成过程，包括：
根据对应的所述用户测距误差的色散部分以及每个区域评估测站的电离层延迟误差，按照预设时间间隔生成对应的所述电离层质量指标；
所述对流层质量指标的生成过程，包括：
根据每个区域评估测站的天顶对流层延迟，按照预设时间间隔生成对应的所述对流层质量指标。
本发明第三实施例，一种电子设备，如图4所示，可以作为实体装置来理解，包括处理器以及存储有处理器可执行指令的存储器，当指令被处理器执行时，执行如下操作：
步骤S1，获取基准站网解算生成的精密改正数产品；
步骤S2，利用精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差；
步骤S3，利用用户测距误差，确定用户测距精度；
步骤S4，基于评估站网，生成对应的大气质量指标；
步骤S5，基于预先配置的阈值，利用用户测距误差进行卫星故障判定；
步骤S6，基于精密改正数产品、用户测距精度、大气质量指标以及卫星故障判定的结果，生成完好性信息。
本发明第四实施例，本实施例的卫星导航高精度服务完好性监测方法的流程与第一、二或三实施例相同，区别在于，在工程实现上，本实施例可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的所述方法可以以计算机软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台设备执行本发明实施例所述的方法。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种卫星导航高精度服务完好性监测方法，其特征在于，包括：
获取基准站网解算生成的精密改正数产品；
利用所述精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差；
利用所述用户测距误差，确定用户测距精度；
基于评估站网，生成对应的大气质量指标；
基于预先配置的阈值，利用所述用户测距误差进行卫星故障判定；
基于所述精密改正数产品、所述用户测距精度、所述大气质量指标以及所述卫星故障判定的结果，生成完好性信息。
2.根据权利要求1所述的卫星导航高精度服务完好性监测方法，其特征在于，获取所述精密改正数产品，包括：
获取实时解算的轨道、钟差、电离层、对流层精密改正数产品。
3.根据权利要求1所述的卫星导航高精度服务完好性监测方法，其特征在于，所述利用所述精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差，包括：
利用所述精密改正数产品，确定伪距和载波的改正数；
通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，以获取用户测距误差。
4.根据权利要求3所述的卫星导航高精度服务完好性监测方法，其特征在于，所述通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，以获取用户测距误差，包括：通过确定整周模糊度和单差用户测距误差，进一步通过卡尔曼滤波进行参数估计，采用LAMBDA方法进行整周模糊度固定，以获取用户测距误差的绝对值。
5.根据权利要求1所述的卫星导航高精度服务完好性监测方法，其特征在于，利用所述用户测距误差，确定用户测距精度，包括：
利用所述用户测距误差的非色散部分，按照预设的时间间隔生成所述用户测距精度。
6.根据权利要求1所述的卫星导航高精度服务完好性监测方法，其特征在于，所述大气质量指标包括电离层质量指标和对流层质量指标。
7.根据权利要求6所述的卫星导航高精度服务完好性监测方法，其特征在于，所述电离层质量指标的生成过程，包括：
根据对应的所述用户测距误差的色散部分以及每个区域评估测站的电离层延迟误差，按照预设时间间隔生成对应的所述电离层质量指标；
所述对流层质量指标的生成过程，包括：
根据每个区域评估测站的天顶对流层延迟，按照预设时间间隔生成对应的所述对流层质量指标。
8.一种卫星导航高精度服务完好性监测装置，其特征在于，包括：
获取单元，被配置为获取基准站网解算生成的精密改正数产品；
用户测距误差单元，被配置为利用所述精密改正数产品，确定评估站网处的改正数以及用户测距误差；
用户测距精度单元，被配置为利用所述用户测距误差，确定用户测距精度；
大气质量指标单元，被配置为基于评估站网，生成对应的大气质量指标；
故障判定单元，被配置为基于预先配置的阈值，利用所述用户测距误差进行卫星故障判定；
生成单元，被配置为基于所述精密改正数产品、所述用户测距精度、所述大气质量指标以及所述卫星故障判定的结果，生成完好性信息。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的卫星导航高精度服务完好性监测方法的步骤。
10.一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的卫星导航高精度服务完好性监测方法的步骤。
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