一種適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法，所述方法適用于多飛行器自由飛行場景，各飛行器間通過航空無線通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航完好性信息的播發(fā)與接收，利用各飛行器的導(dǎo)航觀測信息建立聯(lián)合導(dǎo)航故障統(tǒng)計(jì)檢測模型的思想來解決復(fù)雜飛行環(huán)境下飛行器自主導(dǎo)航完好性監(jiān)測的技術(shù)難題。相比傳統(tǒng)方法，該方法可提高衛(wèi)星導(dǎo)航故障的檢測靈敏度，并能實(shí)現(xiàn)對多故障的級聯(lián)檢測，可在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能受限的情況下，確保機(jī)載導(dǎo)航自主完好性；該方法可適用于復(fù)雜條件下多飛行器自由飛行場景。
【專利說明】-種適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種適用于多飛行器自由飛 行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年以來，航空導(dǎo)航對完好性監(jiān)測的需求日益增強(qiáng)。機(jī)載系統(tǒng)不僅要接收導(dǎo)航觀 測量，同時(shí)還需要鑒別所接收到的導(dǎo)航觀測量是否能滿足高安全性的定位需求。傳統(tǒng)的導(dǎo) 航自主完好性監(jiān)測方法能夠滿足民用航空在航路和終端區(qū)非精密進(jìn)近的完好性要求，但是 對于自由飛行的飛行器（如通用航空器）而言，在山嶺、峽谷、高原及都市等復(fù)雜環(huán)境下，由 于導(dǎo)航信號的遮擋，導(dǎo)航衛(wèi)星的可見性下降、觀測誤差增大，這些都將極大程度地影響機(jī)載 終端的自主完好性監(jiān)測性能，進(jìn)而無法確保導(dǎo)航完好性。為了解決上述問題，提高自主完好 性監(jiān)測的靈敏度，使其能夠在導(dǎo)航系統(tǒng)性能受限條件下確保導(dǎo)航完好性，成為一個(gè)亟待突 破的技術(shù)難題。
[0003] 故障檢測和隔離是導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測的核心，故障檢測的關(guān)鍵在于統(tǒng)計(jì)檢測量 的設(shè)定和檢測門限的計(jì)算。傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法（RAM)通過建立導(dǎo)航量 測量估計(jì)誤差的統(tǒng)計(jì)檢測模型來實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星故障的檢測，該方法的性能主要由衛(wèi)星的幾何 分布特性和可見衛(wèi)星個(gè)數(shù)來決定，因此在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)受限情況下其檢測性能將受到較大 影響；此外，由于缺少較完備的導(dǎo)航誤差先驗(yàn)信息，傳統(tǒng)的RAIM方法無法滿足高級別的導(dǎo) 航完好性要求。雖然研究人員先后提出星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS)和地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS)以增 強(qiáng)完好性，但這兩種完好性增強(qiáng)方法都需要部署地面站，無法應(yīng)用于一些空域、地域較復(fù)雜 環(huán)境下的飛行場景。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高靈敏度、自主、靈活的空基導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方 法是本領(lǐng)域研究人員致力解決的難點(diǎn)之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種適用于多飛行器自 由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法，利用各飛行器的導(dǎo)航觀測信息建立聯(lián)合導(dǎo)航故障 統(tǒng)計(jì)檢測模型的思想來解決復(fù)雜飛行環(huán)境下飛行器自主導(dǎo)航完好性監(jiān)測的技術(shù)難題，提高 了導(dǎo)航故障的檢測靈敏度，有效保障了導(dǎo)航完好性。
[0005] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo) 航自主完好性監(jiān)測方法，所述方法適用于多飛行器自由飛行場景，各飛行器間通過航空無 線通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航完好性信息的播發(fā)與接收，其特征在于能夠在導(dǎo)航系統(tǒng)性能受限情況下 提高導(dǎo)航故障的檢測靈敏度，確保機(jī)載導(dǎo)航自主完好性的性能要求。所述方法包括如下步 驟：
[0006] 步驟A、每架飛行器根據(jù)機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備計(jì)算其視野范圍內(nèi)的可見衛(wèi)星，并根據(jù)所獲 得的導(dǎo)航觀測量，建立導(dǎo)航解算方程；
[0007] 步驟B、每架飛行器根據(jù)所建立導(dǎo)航解算方程和預(yù)估計(jì)的偽距觀測量誤差，計(jì)算導(dǎo) 航位置殘差；
[0008] 步驟C、每架飛行器根據(jù)所計(jì)算得到的導(dǎo)航位置殘差，建立統(tǒng)計(jì)檢測量，該統(tǒng)計(jì)檢 測量服從卡方分布；
[0009] 步驟D、選擇其中一架飛行器作為主控端，各飛行器將統(tǒng)計(jì)檢測量由航空通信網(wǎng)絡(luò) 播發(fā)至該主控端；
[0010] 步驟E、主控端根據(jù)各飛行器的播發(fā)結(jié)果，建立最終的聯(lián)合統(tǒng)計(jì)檢測量，并根據(jù)預(yù) 設(shè)定的虛警概率確定檢測門限；
[0011] 步驟F、主控端將最終的統(tǒng)計(jì)檢測量和檢測門限進(jìn)行比較，以判斷是否有故障發(fā) 生；
[0012] 步驟G、若檢測到故障，則主控端向各飛行器播發(fā)告警信息；若沒有檢測到故障， 直接執(zhí)行步驟J ;
[0013] 步驟H、對故障衛(wèi)星進(jìn)行隔離，向各飛行器播發(fā)；
[0014] 步驟I、計(jì)算所有可見衛(wèi)星的最小檢測偏差，以及最小檢測偏差引起的定位誤差； 計(jì)算故障隔離衛(wèi)星與其它剩余衛(wèi)星的可區(qū)分度；
[0015] 步驟J、找到最小檢測偏差引起定位誤差最大的衛(wèi)星和可區(qū)分度最大的衛(wèi)星，將其 列為危險(xiǎn)衛(wèi)星；并對于剩余的可見衛(wèi)星進(jìn)行第二次檢測；
[0016] 步驟K、重復(fù)步驟F到步驟H，直到所有故障衛(wèi)星都被檢測和隔離；
[0017] 步驟L、則由主控端計(jì)算保護(hù)級，并向各飛行器播發(fā)保護(hù)級信息。
[0018] 進(jìn)一步的，所述步驟A中：導(dǎo)航觀測方程可表述為

【權(quán)利要求】
1. 一種適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法，其特征在于步驟如 下： 步驟A、每架飛行器根據(jù)機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備計(jì)算其視野范圍內(nèi)的可見衛(wèi)星，并根據(jù)所獲得的 導(dǎo)航觀測量，建立導(dǎo)航解算方程； 步驟B、每架飛行器根據(jù)所建立導(dǎo)航解算方程和預(yù)估計(jì)的偽距觀測量誤差，計(jì)算導(dǎo)航位 置殘差； 步驟C、每架飛行器根據(jù)所計(jì)算得到的導(dǎo)航位置殘差，建立統(tǒng)計(jì)檢測量，該統(tǒng)計(jì)檢測量 服從卡方分布； 步驟D、選擇其中一架飛行器作為主控端，各飛行器將統(tǒng)計(jì)檢測量由航空通信網(wǎng)絡(luò)播發(fā) 至該主控端； 步驟E、主控端根據(jù)各飛行器的播發(fā)結(jié)果，建立最終的聯(lián)合統(tǒng)計(jì)檢測量，并根據(jù)預(yù)設(shè)定 的虛警概率確定檢測門限； 步驟F、主控端將最終的統(tǒng)計(jì)檢測量和檢測門限進(jìn)行比較，以判斷是否有故障發(fā)生； 步驟G、若檢測到故障，則主控端向各飛行器播發(fā)告警信息；若沒有檢測到故障，直接 執(zhí)行步驟J ; 步驟H、對故障衛(wèi)星進(jìn)行隔離，向各飛行器播發(fā)； 步驟I、計(jì)算所有可見衛(wèi)星的最小檢測偏差，以及最小檢測偏差引起的定位誤差；計(jì)算 故障隔離衛(wèi)星與其它剩余衛(wèi)星的可區(qū)分度； 步驟J、找到最小檢測偏差引起定位誤差最大的衛(wèi)星和可區(qū)分度最大的衛(wèi)星，將其列為 危險(xiǎn)衛(wèi)星；并對于剩余的可見衛(wèi)星進(jìn)行第二次檢測； 步驟K、重復(fù)步驟F到步驟H，直到所有故障衛(wèi)星都被檢測和隔離； 步驟L、則由主控端計(jì)算保護(hù)級，并向各飛行器播發(fā)保護(hù)級信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法， 其特征在于：所述步驟A中：導(dǎo)航觀測方程可表述為：
I，其中Y為偽距觀測 量矩陣，Η是描述衛(wèi)星幾何特性的矩陣，X是待求解的位置，A是與故障偏差相關(guān)的矩陣，B 是故障矩陣，V是量測殘差，該方程可解算為：X = (ΗΤΡΗΓΗΤΡΥ，其中P = C'C為可視衛(wèi)星 的量測噪聲協(xié)方差矩陣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法， 其特征在于：所述步驟B中：導(dǎo)航位置估計(jì)值可表述為：f = 1 //W，在此基礎(chǔ)上計(jì) 算導(dǎo)航估計(jì)殘差，= = (/-〃(〃v〃廣〃，I是單位矩陣，通常情況下殘差服從高 斯分布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法， 其特征在于：所述步驟C中：統(tǒng)計(jì)檢測量可描述為：w = rTPr，當(dāng)無故障時(shí)，該統(tǒng)計(jì)檢測量服 從中心卡方分布；當(dāng)存在故障時(shí)，該統(tǒng)計(jì)檢測量服從非中心卡方分布，其非中心參量為： λ w = (AB) TP (I-H (tfPHr^P) (AB)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測 方法，其特征在于：所述步驟E中：假設(shè)飛行器的個(gè)數(shù)為m，每個(gè)飛行器的統(tǒng)計(jì)檢測量為 Wi, i = 1，2, M·，!!!，聯(lián)合統(tǒng)計(jì)量可表述為：
，存在故障時(shí)，服從非中心卡方分 布，其自由度為~
~_4,非中心參量表述為：4=
纟為了檢測故障，檢測門限設(shè)定為 τ# =$(44)，其中Pfa為滿足特定連續(xù)性要求的虛警概率，當(dāng)存在故障時(shí)，檢測門限由 r/? (匕，?，A)決定，故障檢測性能與漏檢概率和自由度κ π相關(guān)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法， 其特征在于：所述步驟Η中：計(jì)算可見衛(wèi)星的量測殘差r = = 1 V/γ :計(jì) 算故障識別門限Π =2*VS，其中VS為計(jì)算得到的最小檢測偏差向量，將所有衛(wèi)星的量 測誤差與門限進(jìn)行比較，若存在A彡▽ Si，則第i顆衛(wèi)星被識別為故障，并且被隔離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的適用于多飛行器自由飛行的聯(lián)合導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測方法， 其特征在于：所述步驟I中：最小檢測偏差為：
1其中h為第i 顆剩余衛(wèi)星的單位向量，最小檢測偏差引起的定位誤差為：▽ Xi = QxHTPHhi ▽ Si，Qv為量測 噪聲協(xié)方差& ? ，其中Hres為剩余衛(wèi)星的幾何特征矩陣，PMS為剩余 衛(wèi)星的加權(quán)矩陣，且圮= 是衛(wèi)星觀測量的方差矩陣，其為對角陣，對角線元素為衛(wèi) 星觀測量的方差； Qx為待求位置的估計(jì)協(xié)方差：A = 凡I 可區(qū)分度為：<
，j表示兩顆不同的衛(wèi)星，其中 一顆為故障衛(wèi)星。
【文檔編號】G01R19/20GK104297557SQ201410525813
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】劉楊, 史曉鋒, 李強(qiáng) 申請人:北京航空航天大學(xué)