CN116794700B - 一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法 - Google Patents

一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，所述一体机中的传感器至少包括GNSS接收机和IMU传感器，该方法包括：步骤1，使用一体机进行GNSS观测，获得当前历元即历元时的卫星星历、伪距和多普勒频移；步骤2，初始化正常卫星集、故障卫星集；步骤3，判断当前历元中第颗卫星属于正常卫星或故障卫星；步骤4，判断是否完成对所有可见卫星进行了判断，若是则进入步骤5，否则执行步骤3；步骤5，若待定卫星集为空集，则完成所述的卫星故障检测，进入步骤6，否则对待定卫星集中的卫星进行故障检测，完成所述的卫星故障检测；步骤6，根据正常卫星集中卫星的数量，采用不同的方法进行定位。

Description

一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法
技术领域
本发明涉及一种卫星故障检测方法，特别是一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法。
背景技术
北斗一体机通过接收并处理全球卫星导航系统（Global Navigation SatelliteSystem, GNSS）的卫星信号为海上船舶提供定位、导航、授时（Positioning, Navigationand Timing, PNT）服务。然而，海面反射造成的多路径信号可能导致卫星数据含有10米以上粗差即存在故障。故障卫星导致定位不可靠，甚至有可能威胁船员的生命安全。
导航定位系统是海上船舶正常工作的关键基础。作为一种组合导航设备，北斗一体机通过观测GNSS卫星和处理GNSS卫星信号，并与惯性传感器相组合，为海上各种类型的船只提供精准、可靠的PNT信息。然而被海面反射的卫星信号可能被北斗一体机接收，造成一颗或多颗的卫星数据含有10米以上的粗差即卫星故障。故障卫星造成定位结果不可靠，严重时甚至威胁船员的生命安全。
故障检测与隔离（Fualt Detection and Exclusion, FDE）是一种基于观测数据一致性检验的故障卫星处理方法。最小二乘残差法、奇偶矢量法、最大斜率法属于早期的接收机自主完好性监测（Receiver Autonomous Integrity Monitoring, RAIM) FDE，运算量小。这三种方法在理论上等价，但都基于单故障假设，不适用于多故障频繁发生的海上船舶应用。高级接收机自主完好性监测（Advanced RAIM, ARAIM） FDE基于多假设解分离，理论上可以处理同时多颗卫星故障，但是由于过多的卫星子集（超过100）参与运算，对计算能力要求高，计算时间长。
综上所述，现有技术缺陷如下：
a）RAIM FDE基于单故障假设，所构建的故障检测量和故障检测阈值只在单故障场景下成立，因而不适用于多故障频发的海上船舶应用。
b）虽然ARAIM FDE理论上能够检测并隔离多故障，但由于大量卫星子集（一般超过100个）参与解算，ARAIM FDE对计算性能和计算时间的要求较高，无法在低成本的微型计算机上实时运行。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，所述船载北斗一体机中的传感器至少包括GNSS接收机和IMU传感器，包括以下步骤：
步骤1，使用所述船载北斗一体机进行GNSS观测，获得当前历元即历元时的卫星星历、伪距和多普勒频移；
步骤2，判断当前历元是否为初始历元，若是则初始化正常卫星集和故障卫星集，然后进入步骤6，否则进入步骤3；
进一步的，所述的初始化正常卫星集和故障卫星集，即确定初始的正常卫星集和故障卫星集/>。
进一步的，所述的确定初始的正常卫星集和故障卫星集/>，具体方法如下：
正常卫星集和故障卫星集/>满足：
；
式中，为卫星全集，即包含初始历元所有可见卫星的集合；/>表示空集；
若故障卫星集确定，则有且仅有一个正常卫星集/>与之对应，反之亦然，即
；
式中，为正常卫星集/>的任一元素；
步骤2-1，将故障卫星集的所有可能取值排列成如下有序队列：
；
上述队列中，分别表示初始历元可见的卫星1，卫星2，/>，卫星/>，为初始历元可见卫星的总数；
步骤2-2，令故障卫星集依次取上述有序队列中的元素，并从正常卫星集/>中去掉任一卫星后用剩余卫星构造正常卫星集/>的子集，计算基于上述子集的定位结果与基于正常卫星集/>的定位结果的平均几何距离/>，计算方法如下：
；
式中，为从正常卫星集/>中去掉任一卫星后用剩余卫星构造正常卫星集的子集的数量；/>为基于正常卫星集子集的定位结果与基于正常卫星集的定位结果的几何距离；
步骤2-3，若，其中/>为/>的先验标准差，则将正常卫星集和故障卫星集分别初始化为当前的正常卫星集和故障卫星集，否则令故障卫星集取上述有序队列中的下一个元素，重复步骤2-2至步骤2-3的操作。
步骤3，判断当前历元中第颗卫星属于正常卫星或故障卫星，根据判断结果将该卫星放入正常卫星集、故障卫星集或待定卫星集中；
进一步的，步骤3中所述的第颗卫星，/>的初始值为1。
进一步的，所述的判断当前历元中第颗卫星属于正常卫星或故障卫星，具体方法包括：
判断第颗卫星即卫星/>在上一历元是否为正常卫星，若该卫星在上一历元是故障卫星，则将上一历元的卫星标记为待定卫星，并放入待定卫星集合中；
若卫星在上一历元是正常卫星，则构建基于伪距增量的故障检测量对卫星/>进行故障检测。
进一步的，所述的构建基于伪距增量的故障检测量对卫星进行故障检测，具体方法如下：
计算卫星的伪距增量/>，方法如下：
；
式中，为卫星/>在历元/>时的伪距观测值；/>为卫星/>在历元/>时的伪距观测值；
基于多普勒频移观测值，分别计算卫星在历元/>和历元/>时的伪距变化率/>和/>，具体方法如下：
；
式中，为光速；/>和/>分别为卫星/>在历元/>和历元/>时的多普勒频移观测值；/>为卫星/>载波的发射频率；
计算基于多普勒频移的伪距增量预测值，具体方法如下：
；
式中，为历元/>和历元/>间的时间间隔；
构建卫星的故障检测量：
；
卫星的故障检测量/>对应的检测阈值为/>，若/>，则判断卫星/>为故障卫星；否则为正常卫星。
步骤4，判断是否完成对所有可见卫星进行了步骤3的判断，若是则进入步骤5，否则将，再次执行步骤3；
步骤5，若待定卫星集为空集，则完成所述的卫星故障检测，进入步骤6，否则对待定卫星集中的卫星进行故障检测，完成所述的卫星故障检测；
进一步的，所述的对待定卫星集中的卫星进行故障检测，具体包括：
解算正常卫星集中全部正常卫星的观测数据得到的定位解，如下：
；
式中，、/>和/>分别是正常卫星定位解在地心地固坐标系中的X轴、Y轴和Z轴坐标；
一颗待定卫星联合全部正常卫星的定位解/>，如下：
；
其中，、/>和/>分别是定位解/>在地心地固坐标系中的X轴、Y轴和Z轴坐标；得到待定卫星/>的故障检测量/>，如下：
；
待定卫星的故障检测量/>对应的故障检测阈值为/>，若/>，则判断待定卫星/>为正常卫星；否则为故障卫星；
遍历待定卫星集中的所有待定卫星，根据上述方法确定待定卫星是否为故障卫星。
步骤6，根据正常卫星集中卫星的数量，采用不同的方法进行定位。
进一步的，所述的采用不同的方法进行定位，具体包括：
若正常卫星的数量小于正常卫星数量阈值，则将通过IMU传感器获取的数据，进行力学编排后得到的北斗一体机的位置、速度和姿态的估计值作为最终的定位结果；
若正常卫星的数量大于等于正常卫星数量阈值，则解算正常卫星的GNSS数据得到GNSS定位和测速结果，然后进行基于扩展卡尔曼滤波的GNSS及IMU松组合，最后将GNSS及IMU组合导航定位结果最为最终的定位结果。
进一步的，所述的正常卫星数量阈值为5。
进一步的，所述的检测阈值为的计算方法如下：
；
式中，为卫星/>的故障检测量/>的先验标准差。
进一步的，所述的故障检测阈值为的计算方法如下：
；
式中，为故障检测量/>的先验标准差。
有益效果：
1、针对RAIM FDE无法识别多颗卫星同时故障，本发明通过依次校验多故障假设子集的数据一致性，确定初始的正常卫星集合和故障卫星集合，在此后的历元中，对上一历元有、无故障的卫星采取不同的故障检测策略，实现多故障的检测与识别。
2、针对ARAIM FDE运算量过大无法实时应用，本发明在初始化完成后，对每颗卫星依次进行故障检测：若该颗卫星上一历元为正常卫星，则通过构建基于伪距增量的故障检测量进行故障检测，若该颗卫星上一历元为故障卫星，则通过比较正常卫星的定位结果和正常/故障卫星的联合定位结果进行故障检测，避免了大量的卫星子集参与解算，大大减少了运算量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明的总体流程示意图。
图2是本发明的一个实施例中的仿真数据对比示意图。
具体实施方式
本发明核心内容为一种用于北斗一体机的卫星故障检测方法，流程图如图1所示。其中，所用的传感器为GNSS接收机（支持GPS和北斗）和IMU。
具体步骤如下：
1）北斗一体机进行GNSS观测，获得当前历元即历元时的卫星星历、伪距、多普勒频移。
2）若初始化未完成，则进入第3）步，否则进入第4）步。
3）在此步骤中确定初始的正常卫星集和故障卫星集/>。正常卫星集和故障卫星集满足
；
式中，为卫星全集，即包含初始历元所有可见卫星的集合；/>表示空集；
若故障卫星集确定，则有且仅有一个正常卫星集/>与之对应，反之亦然，即
；
式中，为正常卫星集/>的任一元素。
初始历元时故障卫星的数量可能为（/>为初始历元可见卫星的总数）。将故障卫星集的所有可能取值排列成如下有序队列（首先是故障卫星数为0，然后是故障卫星数为1的所有可能取值，再然后是故障卫星数为2的所有可能取值，……，最后是故障卫星数为/>的卫星全集）
；
式中，分别表示初始历元可见的卫星1，卫星2，……，卫星/>。
令依次取上述有序队列中的元素，并从/>中去掉任卫星后用剩余卫星构造的子集。计算基于这些子集的定位结果与基于/>的定位结果的平均几何距离
；
式中，为从/>中去掉任一卫星后用剩余卫星构造/>的子集的数量；为基于/>子集的定位结果与基于/>的定位结果的几何距离。
若（/>为/>的先验标准差），则将正常卫星集和故障卫星集分别初始化为当前的/>和/>，该步骤结束，初始化完成；否则令/>取上述有序队列中的下一个元素，重复上一段中的操作。
4）判断卫星（/>的初始值为1）在上一历元是否为正常卫星。若卫星/>在上一历元是故障卫星，则将该历元的卫星/>标记为待定卫星。
若卫星在上一历元是正常卫星，则构建基于伪距增量的故障检测量对卫星/>进行故障检测。计算卫星/>的伪距增量
；
式中，为卫星/>在历元/>时的伪距观测值；/>为卫星/>在历元/>时的伪距观测值。
基于多普勒频移观测值，分别计算卫星在历元/>和历元/>时的伪距率
；
式中，和/>分别为卫星/>在历元/>和历元/>时的伪距变化率；/>为光速的大小；/>和/>分别为卫星/>在历元/>和历元/>时的多普勒频移观测值；/>为卫星/>载波的发射频率。
计算基于多普勒频移的伪距增量预测值
；
式中，为历元/>和历元/>间的时间间隔。
于是，构建卫星的故障检测量
；
卫星的故障检测量/>对应的检测阈值
；
式中，为卫星/>的故障检测量/>的先验标准差。
若，则标记卫星/>为故障卫星；否则标记卫星/>为正常卫星。
5）判断是否遍历历元的所有可见卫星。若未完成遍历，则/>增加1并进入步骤4）；否则进入步骤6）
6）若待定卫星集为空集，则已完成对所有卫星的故障检测。若待定卫星集不为空集，则按照下面的方式继续对待定卫星进行故障检测。解算全部正常卫星的观测数据得到的定位解
；
式中，、/>和/>分别是正常卫星定位解在地心地固坐标系中的X轴、Y轴和Z轴坐标。
一颗待定卫星联合全部正常卫星的定位解
；
可以得到待定卫星的故障检测量
；
待定卫星的故障检测量/>对应的故障检测阈值
；
式中，为故障检测量/> 的先验标准差。
若，则将待定卫星/>标记为正常卫星；否则将待定卫星/>标记为故障卫星。
遍历所有待定卫星，通过计算它们的故障检测量并与故障检测阈值/>进行比较，确定待定卫星是否为故障卫星。
7）若完成故障检测后正常卫星的数量小于5，则将通过IMU力学编排得到的北斗一体机的位置、速度、姿态的估计值作为定位结果输出。若完成故障检测后正常卫星的数量大于等于5，则解算正常卫星的数据得到GNSS定位、测速结果，然后进行基于扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter, EKF）的GNSS/IMU松组合,最后将GNSS/IMU组合导航定位结果输出。
实施例
本发明的一个基于仿真数据的实施案例如图2所示。在80s~115s和230s~260s内，分别有2颗和3颗卫星故障。若未进行故障检测，北斗一体机的三维定位误差在故障发生期间发生突变，最大定位误差超过45m。在使用本发明提出卫星故障检测算法后，因发生故障的卫星被准确地识别和排除，北斗一体机的三维定位误差未发生突变。
具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（read-only memory，ROM）或随机存储记忆体（random access memory，RAM）等。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备（可以是个人计算机，服务器，单片机，MUU或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本发明提供了一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，所述船载北斗一体机中的传感器至少包括GNSS接收机和IMU传感器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，使用所述船载北斗一体机进行GNSS观测，获得当前历元即历元k时的卫星星历、伪距和多普勒频移；
步骤2，判断当前历元是否为初始历元，若是则初始化正常卫星集和故障卫星集，然后进入步骤6，否则进入步骤3；
步骤3，判断当前历元中第i颗卫星属于正常卫星或故障卫星，根据判断结果将该卫星放入正常卫星集、故障卫星集或待定卫星集中；
步骤4，判断是否完成对所有可见卫星进行了步骤3的判断，若是则进入步骤5，否则将i+1，再次执行步骤3；
步骤5，若待定卫星集为空集，则完成所述的卫星故障检测，进入步骤6，否则对待定卫星集中的卫星进行故障检测，完成所述的卫星故障检测；
所述的对待定卫星集中的卫星进行故障检测，具体为：若该颗卫星上一历元为故障卫星，则通过比较正常卫星的定位结果和正常/故障卫星的联合定位结果进行故障检测；
步骤6，根据正常卫星集中卫星的数量，采用不同的方法进行定位；
其中，步骤3中所述的第i颗卫星，i的初始值为1；
所述的判断当前历元中第i颗卫星属于正常卫星或故障卫星，具体方法包括：
判断第i颗卫星即卫星i在上一历元是否为正常卫星，若该卫星在上一历元是故障卫星，则将上一历元的卫星i标记为待定卫星，并放入待定卫星集合中；
若卫星i在上一历元是正常卫星，则构建基于伪距增量的故障检测量对卫星i进行故障检测。
2.根据权利要求1所述的一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，其特征在于，步骤2中所述的初始化正常卫星集和故障卫星集，即确定初始的正常卫星集和故障卫星集/>
3.根据权利要求2所述的一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，其特征在于，步骤2中所述的确定初始的正常卫星集和故障卫星集/>具体方法如下：
正常卫星集和故障卫星集/>满足：
式中，为卫星全集，即包含初始历元所有可见卫星的集合；/>表示空集；
若故障卫星集确定，则有且仅有一个正常卫星集/>与之对应，反之亦然，即
式中，s为正常卫星集的任一元素；
步骤2-1，将故障卫星集的所有可能取值排列成如下有序队列：
上述队列中，s1,s2,…,sN分别表示初始历元可见的卫星1，卫星2，…，卫星N，N为初始历元可见卫星的总数；
步骤2-2，令故障卫星集依次取上述有序队列中的元素，并从正常卫星集/>中去掉任一卫星后用剩余卫星构造正常卫星集/>的子集，计算基于上述子集的定位结果与基于正常卫星集/>的定位结果的平均几何距离/>计算方法如下：
式中，M为从正常卫星集中去掉任一卫星后用剩余卫星构造正常卫星集/>的子集的数量；Lj(j＝1,2,…,M)为基于正常卫星集/>子集的定位结果与基于正常卫星集/>的定位结果的几何距离；
步骤2-3，若其中/>为/>的先验标准差，则将正常卫星集和故障卫星集分别初始化为当前的正常卫星集/>和故障卫星集/>否则令故障卫星集/>取上述有序队列中的下一个元素，重复步骤2-2至步骤2-3的操作。
4.根据权利要求1所述的一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，其特征在于，步骤3中所述的构建基于伪距增量的故障检测量对卫星i进行故障检测，具体方法如下：
计算卫星i的伪距增量Δρi，方法如下：
Δρi＝ρi,k-ρi,k-1
式中，ρi,k为卫星i在历元k时的伪距观测值；ρi,k-1为卫星i在历元k-1时的伪距观测值；
基于多普勒频移观测值，分别计算卫星i在历元k-1和历元k时的伪距变化率和具体方法如下：
式中，和/>分别为卫星i在历元k-1和历元k时的伪距变化率；c为光速；/>和分别为卫星i在历元k-1和历元k时的多普勒频移观测值；fs为卫星i载波的发射频率；
计算基于多普勒频移的伪距增量预测值具体方法如下：
式中，T为历元k-1和历元k间的时间间隔；
构建卫星i的故障检测量：
卫星i的故障检测量D1对应的检测阈值为T1，若D1>T1，则判断卫星i为故障卫星；否则为正常卫星。
5.根据权利要求4所述的一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，其特征在于，步骤5中所述的对待定卫星集中的卫星进行故障检测，具体包括：
解算正常卫星集中全部正常卫星的观测数据得到的定位解如下：
式中，和/>分别是正常卫星定位解在地心地固坐标系中的X轴、Y轴和Z轴坐标；
一颗待定卫星j联合全部正常卫星的定位解如下：
其中，和/>分别是定位解/>在地心地固坐标系中的X轴、Y轴和Z轴坐标；得到待定卫星j的故障检测量D2，如下：
待定卫星j的故障检测量D2对应的故障检测阈值为T2，若D2<T2，则判断待定卫星j为正常卫星；否则为故障卫星；
遍历待定卫星集中的所有待定卫星，根据上述方法确定待定卫星是否为故障卫星。
6.根据权利要求5所述的一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，其特征在于，步骤6中所述的采用不同的方法进行定位，具体包括：
若正常卫星的数量小于正常卫星数量阈值，则将通过IMU传感器获取的数据，进行力学编排后得到的北斗一体机的位置、速度和姿态的估计值作为最终的定位结果；
若正常卫星的数量大于等于正常卫星数量阈值，则解算正常卫星的GNSS数据得到GNSS定位和测速结果，然后进行基于扩展卡尔曼滤波的GNSS及IMU松组合，最后将GNSS及IMU组合导航定位结果最为最终的定位结果。
7.根据权利要求6所述的一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，其特征在于，步骤6中所述的正常卫星数量阈值为5。
8.根据权利要求7所述的一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，其特征在于，步骤6中所述的检测阈值为T1的计算方法如下：
式中，为卫星i的故障检测量D1的先验标准差。
9.根据权利要求8所述的一种用于船载北斗一体机的卫星故障检测方法，其特征在于，步骤5中所述的故障检测阈值为T2的计算方法如下：
式中，为故障检测量D2的先验标准差。
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