本發(fā)明涉及衛(wèi)星導航定位增強技術，具體涉及一種基于參考站定位偏差分析的局域增強系統(tǒng)完好性監(jiān)測及實時定位增強方法。
背景技術：
：目前，由于接收機自主完好性監(jiān)測的自主性和實現(xiàn)簡單等特點，美國航空無線電委員(RTCA)將RAIM算法作為民用航空航路和終端階段的完好性監(jiān)測推薦算法。根據(jù)ICAO于2007年制定的民用航空基于性能導航的路線圖計劃，基于GNSS的民用航空導航完好性監(jiān)測必須至少能夠支持APV及以上等級所需導航性能要求。然而，接收機自主完好性監(jiān)測難以滿足高等級的所需導航性能(APV及以上)要求。解決方法之一是采用高精度的外部輔助導航器件，如慣性導航系統(tǒng)與GPS組合形成機載增強系統(tǒng)(AircraftBasedAugmentationSystem,ABAS)。然而，一方面，高精度慣性導航系統(tǒng)的引入意味著系統(tǒng)需要監(jiān)測完好性風險源的增多，監(jiān)控算法復雜度提高而適用性降低，因此到目前為止關于GPS/INS緊組合導航系統(tǒng)的設備只能支持CATI所需導航性能，而且難以有效檢測緩變型故障(故障增長幅值低于2m/s)。另一方面，機載設備的冗余性也將使得飛行器的能源消耗增加，這與基于性能導航改善環(huán)境(尾氣排放和噪聲)的初衷是相違背的。局域增強系統(tǒng)通過采集四個固定觀測站點的GNSS觀測信息，對局部空域內的衛(wèi)星信號質量進行完好性監(jiān)測。完好性監(jiān)測主要針對觀測站點獲取的偽距、信噪比、衛(wèi)星仰角等信息，綜合評估各獨立的衛(wèi)星通道信號質量，以判斷其是否能夠保證局部范圍內的接收機都能夠基于這些衛(wèi)星通道的信號完成既定定位誤差保護范圍內的實時定位。由于采用了多個觀測站點的信息，該系統(tǒng)能夠提供更為可靠的完好性監(jiān)測能力，并且能對局部空域內的接收機提供偽距修訂量，令其定位精度得到增強。為了使得局域增強系統(tǒng)的定位修訂能力滿足精密進近CATII/III所需導航性能，除了基本的完好性評估及偽距修訂以外，還需要引入差分定位技術。該技術讓局部空域內的接收機進行差分定位解算，以達到亞米級的定位精度要求。由于精密進近定位誤差的保護范圍比普通局域增強系統(tǒng)定位誤差范圍降低了一個量級，對其完好性監(jiān)測的要求也同時提高。典型的完好性分析方法--sigma膨脹法，其統(tǒng)計邊界的設定要求噪聲滿足高斯分布。實際環(huán)境中，非零均值誤差和非高斯誤差，會使得sigma膨脹法的控制邊界難以界定，尤其在高精度定位要求下，通過預設的控制邊界統(tǒng)一囊括各種實時誤差狀況已經(jīng)無法達成。傳統(tǒng)完好性監(jiān)測方法的基本思想在于分析觀測量和修訂量的統(tǒng)計分布，獲取統(tǒng)計邊界并依此對實時獲取的觀測量進行判定，一旦越界，就認為該通道的觀測量需要丟棄。然而，在引入差分定位機制以后，觀測量的突發(fā)變化如果在差分設備的兩端同時發(fā)生，這類突變可以被差分運算抵消，而不會引起定位位置的突發(fā)變化。最終引起定位位置誤差的因素，來自于差分設備兩端異化的干擾，主要源于空間傳輸差異引起的時延差異及接收端近地多徑和設備噪聲。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明針對上述問題，提供了一種局域增強系統(tǒng)完好性監(jiān)測及實時定位增強方法，包括以下步驟：S1，基本定位解算；S2，碼偽距差分雙差；S3，碼偽距雙差線性化；S4，碼偽距差分定位解算；S5，定位差分校驗；S6，系統(tǒng)完好性監(jiān)測；S7，偽距修訂量生成。進一步地，所述步驟S1具體為：定位解算基于接收機與衛(wèi)星之間的偽距測算：ρ＝r+c(bu-Bs)+I+T+M+ερ其中等式右邊的變量依次為衛(wèi)星到接收機的真實距離、光速、接收機鐘偏、衛(wèi)星鐘偏、電離層延遲、對流層延遲、多徑延遲以及碼相位誤差；根據(jù)系統(tǒng)的模型參數(shù)將大部分偏差修訂，并且忽略掉殘余誤差，則修訂偽距近似表達為：ρc(n)=r+c·bu=(x(n)-x)2+(y(n)-y)2+(z(n)-z)2+c·bu]]>由星歷數(shù)據(jù)獲取第n顆衛(wèi)星位置(x(n),y(n),z(n))，則該式剩下接收機位置(x,y,z)以及接收機鐘偏bu；在一個獨立歷元時間上，一個接收機獲得四顆衛(wèi)星的測算數(shù)據(jù)即解算出自己的位置；由四個ρc聯(lián)立的方程中，矩陣計算無法處理根號，因此該方程不能直接解算，而是將該式子通過泰勒級數(shù)在(x,y,z)位置展開，并且保留一階和零階項，得到線性化式；令：(dρdx)=x(n)-xρ(n)=α(n)]]>(dρdy)=y(n)-yρ(n)=β(n)]]>(dρdz)=z(n)-zρ(n)=γ(n)]]>則線性化式為：ρc(n)＝ρ0(n)-(α(n)β(n)γ(n))(δxδyδz)T-c·bu(α(n)β(n)γ(n))(δxδyδz)T-c·bu＝ρ0(n)-ρc(n)ρ0(n)=(x(n)-x0)2+(y(n)-y0)2+(z(n)-z0)2]]>聯(lián)立方程為：GdX＝dL其中，G=α(1)β(1)γ(1)-1α(2)β(2)γ(2)-1α(3)β(3)γ(3)-1α(4)β(4)γ(4)-1]]>dX＝[δxδyδzc·bu]TdL＝[dρc(1)dρc(2)dρc(3)dρc(4)]dρc(n)＝ρ0(n)-ρc(n)通過一個預設值(x0,y0,z0)，則獲得dL與G，然后通過下式獲得X：dX＝(GTG)-1GTdL求解過程中，Q＝(GTG)-1稱為權系數(shù)陣；獲得dX以后，即用dX中的坐標位置更新(x0,y0,z0)，再次進行迭代，直到X趨于穩(wěn)定。更進一步地，所述步驟S2具體為：碼偽距差分需要依賴至少一個基準點與一個觀測點，通過基準點的已知信息來增強觀測點定位解算精度；差分算法基于兩個點對衛(wèi)星觀測偽距的雙差，為此分別定義基準點和觀測點的偽距觀測量為：ρ(b)(n)=r(b)(n)+c(bu(b)-Bs(n))+I(b)(n)+T(b)(n)+M(b)(n)+ϵρ(b)(n)]]>其中上下標()分別表示衛(wèi)星編號與觀測點編號，后續(xù)觀測點編號b＝1始終表示基準點，觀測點編號順延；衛(wèi)星方向都向1號星做差，單差量為：Dρ(b)(n1)=Dr(b)(n1)+c·DBs(n1)+DI(b)(n1)+DT(b)(n1)+DM(b)(n1)+Dϵρ(b)(n1)]]>觀測點都向1號站做差，進行雙差操作后將時不變殘差歸入雙差殘差，雙差量為：DDρ(21)(n1)=DDr(21)(n1)+DDϵρ(21)(n1).]]>更進一步地，所述步驟S3具體為：雙差量中包含了衛(wèi)星和觀測點間的真實距離雙差DDr，與單點觀測偽距類似，該變量使得方程無法直接解算，必須線性化；雙差線性化與偽距線性化思路類似，將一顆衛(wèi)星與兩個觀測點的距離差與兩觀測點之間的向量聯(lián)系起來，通過衛(wèi)星端小角度的近似處理完成線性化。所述步驟S4具體為：對碼偽距雙差式線性化獲得基線與方向向量雙差關系方程：為了獲得基線的三個坐標，需要三個雙差值，對應n＝4。這與單點解算的需求相同，但該解算不需要迭代，并且誤差修訂略優(yōu)。根據(jù)基本線性方程的LS解算式：y＝Ax+ex^=[AT·A]-1·AT·y]]>將陣和向量帶入，即求得的估計值。在了解y自相關方差先驗信息情況下，構造權系數(shù)陣W：W＝diag(σ12…σn2)其中σi2對應每一路偽距的先驗方差，該值一般通過衛(wèi)星高度和攝動信息、仰角、對應的電離層和對流層延遲估計、接收通道多徑誤差估計等信息來共同構建。這樣就對線性方程進行基于權W的LS解算：x^=[AT·W·A]-1·AT·W·y]]>單歷元的碼偽距差分引入了基準站位置信息，在定位精度上有一定提升，但定位精度仍然保持在m級別。這是由于y自身的m級噪聲標準差造成的。本發(fā)明的優(yōu)點：本發(fā)明不需要對現(xiàn)階段典型的局域增強系統(tǒng)進行架構性的調整，只需要對中心站的監(jiān)測計算進行調整即可以實現(xiàn)。由于通過本地參考站坐標對差分定位的偏差進行了直接評估，使得接收機不僅僅可以通過差分方法進行定位，而是在差分定位和直接偽距修訂的單點定位之間進行選擇，更大程度保障了系統(tǒng)定位增強的可用性。除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。附圖說明構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。圖1是本發(fā)明的一種局域增強系統(tǒng)完好性監(jiān)測及實時定位增強方法流程圖；圖2是本發(fā)明的一種局域增強系統(tǒng)完好性監(jiān)測及實時定位增強方法的通過衛(wèi)星端小角度的近似處理完成線性化處理的流程圖；圖3是本發(fā)明的一種局域增強系統(tǒng)完好性監(jiān)測及實時定位增強方法對OP進行修訂的流程圖。附圖標記：1為衛(wèi)星位置S、2為觀測點偽距r2、3為垂足點O、4為r1等距點P、5為近似偽距差OB、6為偽距差PB、7為觀測點位置B、8為基線A->B、9為基準點位置A、10為基準點偽距r1；11為S、12為J、13為垂足O、14為P、15為近似距差OB、16為距差PB、17為B、18為I、19為H、20為向量A->B、21為A、22為垂足D。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。參考圖1，如圖1所示的一種局域增強系統(tǒng)完好性監(jiān)測及實時定位增強方法，包括以下步驟：S1，基本定位解算；S2，碼偽距差分雙差；S3，碼偽距雙差線性化；S4，碼偽距差分定位解算；S5，定位差分校驗；S6，系統(tǒng)完好性監(jiān)測；S7，偽距修訂量生成。所述步驟S1具體為：定位解算基于接收機與衛(wèi)星之間的偽距測算：ρ＝r+c(bu-Bs)+I+T+M+ερ其中等式右邊的變量依次為衛(wèi)星到接收機的真實距離、光速、接收機鐘偏、衛(wèi)星鐘偏、電離層延遲、對流層延遲、多徑延遲以及碼相位誤差。根據(jù)系統(tǒng)的模型參數(shù)可以將大部分偏差修訂，并且忽略掉殘余誤差，則修訂偽距可以近似表達為：ρc(n)=r+c·bu=(x(n)-x)2+(y(n)-y)2+(z(n)-z)2+c·bu]]>由星歷數(shù)據(jù)獲取第n顆衛(wèi)星位置(x(n),y(n),z(n))，則該式剩下接收機位置(x,y,z)以及接收機鐘偏bu。在一個獨立歷元時間上，一個接收機獲得四顆衛(wèi)星的測算數(shù)據(jù)即可以解算出自己的位置。由四個ρc聯(lián)立的方程中，矩陣計算無法處理根號，因此該方程不能直接解算，而是將該式子通過泰勒級數(shù)在(x,y,z)位置展開，并且保留一階和零階項，得到線性化式。令：(dρdx)=x(n)-xρ(n)=α(n)]]>(dρdy)=y(n)-yρ(n)=β(n)]]>(dρdz)=z(n)-zρ(n)=γ(n)]]>則線性化式為：ρc(n)＝ρ0(n)-(α(n)β(n)γ(n))(δxδyδz)T-c·bu(α(n)β(n)γ(n))(δxδyδz)T-c·bu=ρ0(n)-ρc(n)ρ0(n)=(x(n)-x0)2+(y(n)-y0)2+(z(n)-z0)2]]>聯(lián)立方程為：GdX＝dL其中，G=α(1)β(1)γ(1)-1α(2)β(2)γ(2)-1α(3)β(3)γ(3)-1α(4)β(4)γ(4)-1]]>dX＝[δxδyδzc·bu]TdL＝[dρc(1)dρc(2)dρc(3)dρc(4)]dρc(n)＝ρ0(n)-ρc(n)通過一個預設值(x0,y0,z0)，則可以獲得dL與G，然后通過下式獲得X：dX＝(GTG)-1GTdL求解過程中，Q＝(GTG)-1稱為權系數(shù)陣。獲得dX以后，即可用dX中的坐標位置更新(x0,y0,z0)，再次進行迭代，直到X趨于穩(wěn)定。所述步驟S2具體為：碼偽距差分需要依賴至少一個基準點與一個觀測點，通過基準點的已知信息來增強觀測點定位解算精度。差分算法基于兩個點對衛(wèi)星觀測偽距的雙差，為此分別定義基準點和觀測點的偽距觀測量為：ρ(b)(n)=r(b)(n)+c(bu(b)-Bs(n))+I(b)(n)+T(b)(n)+M(b)(n)+ϵρ(b)(n)]]>其中上下標()分別表示衛(wèi)星編號與觀測點編號，后續(xù)觀測點編號b＝1始終表示基準點，觀測點編號順延。衛(wèi)星方向都向1號星做差，單差量為：Dρ(b)(n1)=Dr(b)(n1)+c·DBs(n1)+DI(b)(n1)+DT(b)(n1)+DM(b)(n1)+Dϵρ(b)(n1)]]>觀測點都向1號站做差，進行雙差操作后將時不變殘差歸入雙差殘差，雙差量為：DDρ(21)(n1)=DDr(21)(n1)+DDϵρ(21)(n1)]]>所述步驟S3具體為：雙差量中包含了衛(wèi)星和觀測點間的真實距離雙差DDr，與單點觀測偽距類似，該變量使得方程無法直接解算，必須線性化。雙差線性化與偽距線性化思路類似，將一顆衛(wèi)星與兩個觀測點的距離差與兩觀測點之間的向量聯(lián)系起來，通過衛(wèi)星端小角度的近似處理完成線性化：如圖2所示，由衛(wèi)星S和兩個觀測點A與B構成三角形，A指向B的向量A->B命名為觀測點B的基線。該線性化的基礎在于用近似的偽距差OB代替真實的偽距差PB用于解算基線。因此，為了保證近似誤差足夠小，需要假定基線長度在10km以下。衛(wèi)星到地面觀測點的偽距一般在2～3e4km左右，該假設可以保證r1和r2的長度比AB長度大了2000倍以上。這樣一來，OP的長度就可以忽略不計。根據(jù)三角形SAB和向量內積的基本關系，可獲得：AS→·AB→=AS*AB*cos(∠SAB)]]>cos(∠SAB)=-cos(∠OAB)=-OBAB≈-BS-ASAB=AS-BSAB]]>AS→·AB→≈AS*(AS-BS)]]>(AS-BS)≈AB→·AS→AS]]>其中AS-BS即為一顆衛(wèi)星與兩個觀測點之間的單差，AS為衛(wèi)星與基準點之間的真實偽距(由基準點坐標計算)，為基準點指向觀測點的基線?；€在多顆衛(wèi)星的單差式中都是一致的，由此可將DDr線性化。令衛(wèi)星位置為S(n),觀測點位置為B(b)，線性化式為：該近似計算可將基于碼偽距的雙差方程進行解算，以獲得基線向量。但該近似式的固有誤差OP，在基于載波相位偽距的雙差解算中，會降低精度。OP可用于碼偽距近似解，是因為碼偽距本身攜帶了1m級別的觀測誤差，而OP誤差本身是小于1m級別的。在基于載波相位偽距的雙差方程中，對OP進行修訂是必要的。如圖3所示，假設SB>SA，可在SB上找到SA的等距點P，在SA的延長線上找到SB的等距點I。分別過A和B做對應的垂線，可得到兩個垂足O和H。據(jù)此可以AB為斜邊獲得兩個直角三角形，OB和HA都以AB的斜邊，分別對應角SBA和角SAB。由于PB＝AI，于是OP可以用HI來修訂，計算過程如下：OB=PB+OP=ABcos∠ABS=AB→·BS→BS]]>AH=AI-HI=ABcos∠BAI=-ABcos∠BAS=AB→·AS→AS]]>2PB-HI+OP=AB→·(AS→AS+BS→BS)]]>PB=AB→2·(AS→AS+BS→BS)+OP-HI2]]>此時忽略掉OP和HI的差別，則可以獲得PB的近似解：PB≈AB→2·(AS→AS+BS→BS)]]>然后分析該近似的誤差情況：OP和HI處于兩個相似三角形中，可以容易得到：OPHI=APBI]]>在根據(jù)AP和BI所處的兩個等腰三角形，可知：APBI=SASB]]>則可以得到：OPHI=SASB]]>OP-HI2=12OP(1-SASB)]]>根據(jù)S和AB兩點距離約1e7m的基本假設可知，當基線長度AB在10km時，是一個1e-4級別的數(shù)；當AB在40km時，是一個1e-3級別的數(shù)。這樣，該修訂可將線性化的誤差由OP修訂為約0.5e-3～0.5e-4OP。另外，該修訂方法在B位置不可靠時(與理想位置偏差20m量級)，可用理想的SA替代SB，依然可以保持相同量級。經(jīng)過上述近似過程，DDr的線性化式為：該近似式的物理意義即是，距離雙差可以用地面站基線以及衛(wèi)星與地面站間方向向量的雙差來表達。用表示用表示則簡寫為：所述步驟S4具體為：對碼偽距雙差式線性化可獲得基線與方向向量雙差關系方程：為了獲得基線的三個坐標，需要三個雙差值，對應n＝4。這與單點解算的需求相同，但該解算不需要迭代，并且誤差修訂略優(yōu)。根據(jù)基本線性方程的LS解算式：y＝Ax+ex^=[AT·A]-1·AT·y]]>將陣和向量帶入，即可求得的估計值。在了解y自相關方差先驗信息情況下，可以構造權系數(shù)陣W：W＝diag(σ12…σn2)其中σi2對應每一路偽距的先驗方差，該值一般通過衛(wèi)星高度和攝動信息、仰角、對應的電離層和對流層延遲估計、接收通道多徑誤差估計等信息來共同構建。這樣就可以對線性方程進行基于權W的LS解算：x^=[AT·W·A]-1·AT·W·y]]>單歷元的碼偽距差分引入了基準站位置信息，在定位精度上有一定提升，但定位精度仍然保持在m級別。這是由于y自身的m級噪聲標準差造成的。本發(fā)明提出了一種基于參考站定位偏差分析的局域增強系統(tǒng)完好性監(jiān)測及實時定位增強方法。該方法從根本上改變完好性監(jiān)測基于觀測量統(tǒng)計分析的基本思想，將參考站的定位偏差分析作為完好性評價的基本指標，并以此順推界定觀測量統(tǒng)計分析的控制邊界。與此同時，根據(jù)局域差分定位解算的特點，設計出通過參考站的實時定位偏差對局域內用戶端差分接收機的定位偏差進行直接計算和評估的方法。通過直接計算獲得的偏差范圍，能夠更簡單而直接地與保護門限進行比對，提高局域精密進行控制的可行性及可靠性。當前第1頁1 2 3