專利名稱:基于多星故障識(shí)別的gnss接收機(jī)自主完整性監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GNSS接收機(jī)的自主完整性監(jiān)測方法，尤其涉及了多星故障識(shí)別的自主完整性監(jiān)測技術(shù)。
二背景技術(shù)：
完整性是指當(dāng)系統(tǒng)不能用于正常定位、導(dǎo)航，或系統(tǒng)誤差超限時(shí)，向用戶提供及時(shí)告警的能力。接收機(jī)內(nèi)，僅依靠接收機(jī)自身獲取的定位信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控的方法，稱為接收機(jī)自主完整性監(jiān)控(RAIM)。RAIM一方面保證了定位精度，另一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星工作狀態(tài)的監(jiān)控。它是目前衛(wèi)星定位獲得完整性監(jiān)控時(shí)唯一自主有效的方法。該方法利用冗余測距信號(hào)來檢測能引起較大的定位偏差的衛(wèi)星錯(cuò)誤。
通常RAIM包含兩個(gè)功能錯(cuò)誤檢測(fault detection)和錯(cuò)誤排除(fault exclusion)。錯(cuò)誤檢測(fault detection)，即在定位解算所需最少觀測衛(wèi)星數(shù)的基礎(chǔ)上，再增加一顆觀測星，對(duì)此衛(wèi)星組合進(jìn)行分析判斷，計(jì)算該組合定位的位置誤差，如果計(jì)算出的位置誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，就認(rèn)為所用衛(wèi)星工作狀態(tài)滿足要求；如果誤差超出規(guī)定范圍，則認(rèn)為衛(wèi)星信號(hào)不可用，根據(jù)接收機(jī)當(dāng)前提示，初步判斷當(dāng)前衛(wèi)星組合中出現(xiàn)了故障。錯(cuò)誤排除(faultexclusion)，即進(jìn)一步認(rèn)定是哪顆星有故障，需要再增加一個(gè)多余觀察星，利用故障識(shí)別算法進(jìn)行排除。
在目前的RAIM技術(shù)中，廣泛的采用以下兩種技術(shù)最小二乘估值法與奇偶空間矢量法。最小二乘估值法由衛(wèi)星定位公式可推導(dǎo)出下面公式22為標(biāo)準(zhǔn)測量方程y＝Hx+e (22)式中y是實(shí)測偽距與估計(jì)值之差，y∈Rn(n是用于定位的衛(wèi)星個(gè)數(shù))，H是由各衛(wèi)星至用戶接收機(jī)的方向余弦向量構(gòu)成的線性化矩陣，H∈Rn×m，(當(dāng)僅利用單衛(wèi)星星座定位時(shí)，m＝4，當(dāng)利用雙衛(wèi)星星座定位時(shí)，m＝5，依次類推)x是對(duì)先前位置和鐘差的修正向量，x∈Rm，e是偽距測量誤差向量，e∈Rm。
對(duì)其求最小二乘解可以得到x^=(HTH)-1HT×y---(23)]]>因此可以得到殘差矢量w＝(In-H(HTH)-1HT)×y (24)由此可以得到檢測統(tǒng)計(jì)量s＝(wTw)1/2(7)檢測統(tǒng)計(jì)量標(biāo)志著衛(wèi)星定位誤差的大小，若選用的衛(wèi)星組合中有一顆或者多顆衛(wèi)星有故障，則必然導(dǎo)致此統(tǒng)計(jì)量明顯增加，當(dāng)其大于某個(gè)門限值時(shí)，可判定有衛(wèi)星發(fā)生故障。
奇偶空間矢量法將觀測矩陣H進(jìn)行QR分解后可得到奇偶空間矩陣
QT=QXQP---(15)]]>其中，QX為QT前4行，QP為QT剩下的n-4行。
奇偶矢量為p＝QPy＝QP(Hx+e)＝QP×e (25)此奇偶矢量p直接反映了觀測誤差的信息，類似于最小二乘估值法，奇偶空間矢量的數(shù)量積可作為檢測統(tǒng)計(jì)量，本質(zhì)上最小二乘法與奇偶空間矢量法是相同的，通過證明可以證明兩者等價(jià)。
RAIM檢測前，需要判斷當(dāng)前衛(wèi)星組合是否滿足RAIM檢測的要求，即需要進(jìn)行可用性分析。
可用性分析如圖1所示，其為水平定位誤差與檢測統(tǒng)計(jì)量的關(guān)系例圖，圖中橫軸為檢測統(tǒng)計(jì)量，縱軸為水平定位誤差。T為滿足某個(gè)虛警概率時(shí)的門限值，HAL為某個(gè)航行階段的水平定位告警限值。四個(gè)分區(qū)分別為I區(qū)，正常狀態(tài)；II區(qū)，虛警；III區(qū)，漏警；IV區(qū)，正確檢測。
SLOPEi=dk/s=(A1i2+A2i2)1/2/(Σk=1nBki2)1/2---(8)]]>式中A＝(HTH)-1HTB＝I-H(HTH)-1HT當(dāng)水平告警限值HAL一定時(shí)，比值最大的衛(wèi)星水平誤差達(dá)到HAL時(shí)，將擁有最小的檢測統(tǒng)計(jì)量，如果它發(fā)生故障，將最難被檢測到。因此在單星可用性分析時(shí)，應(yīng)用最大比值的衛(wèi)星進(jìn)行分析。
在基于單星故障識(shí)別的RAIM檢測技術(shù)中，通常應(yīng)用特征偏差線法識(shí)別故障。
特征偏差線通過推導(dǎo)后有如下公式成立p＝QPy＝QP(Hx+e)＝QP×e (25)式中p為奇偶空間矢量，QP為奇偶空間矩陣，e為測量誤差向量。在單星故障假設(shè)時(shí)，e又可以寫為e=0...ϵi...0---(26)]]>假設(shè)只有一顆衛(wèi)星i發(fā)生故障，較大偏差元素為εi。將公式26代入公式25得到p1...pn-m=Qp(1,1)×e1...Qp(1,i)×ei...Qp(1,n)×en...............Qp(n-m,1)×e1...QP(n-m,i)×ei...QP(n-m,n)×en]]>=QP(1,i)×ϵi...QP(n-m,n)×ϵi---(27)]]>
定義第i顆衛(wèi)星的特征偏差線為奇偶空間矩陣中第i列的某兩項(xiàng)之比值。則公式27清晰地表明了應(yīng)用特征偏差線法識(shí)別故障衛(wèi)星的過程，即由于有較大的偏差元素εi的存在，導(dǎo)致奇偶空間矢量的特征偏差斜率pj/pk等于第i顆衛(wèi)星的特征偏差線斜率QP(j，i)/QP(k，i)，因此可以識(shí)別出故障衛(wèi)星，如圖2所示。
三
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明一種基于多星故障識(shí)別的GNSS接收機(jī)自主完整性監(jiān)測方法，其目的在于解決多星故障的監(jiān)測與識(shí)別問題。目前關(guān)于RAIM的研究大多只關(guān)注單星故障的問題，對(duì)于多顆衛(wèi)星同時(shí)發(fā)生故障的檢測和識(shí)別，缺少簡單有效的處理方法；而在多種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GPS、Galileo、GLONASS等)組合使用時(shí)，隨著可視星數(shù)目的增加，兩顆或兩顆以上的衛(wèi)星同時(shí)發(fā)生故障的概率不能再被忽略不計(jì)，本發(fā)明提出的基于多星故障識(shí)別的自主完整性技術(shù)，使這個(gè)問題得到解決。
本發(fā)明一種基于多星故障識(shí)別的GNSS接收機(jī)自主完整性監(jiān)測方法，其技術(shù)方案在于利用假設(shè)驗(yàn)證法進(jìn)行多星故障識(shí)別。其實(shí)質(zhì)是，首先假設(shè)可能存在故障的衛(wèi)星組合，然后通過遍歷進(jìn)行驗(yàn)證，最后給出識(shí)別結(jié)果。具體包含以下各步驟(如圖3所示)a、進(jìn)行自主完整性的可用性分析。它是利用當(dāng)前衛(wèi)星幾何分布以及接收機(jī)當(dāng)前導(dǎo)航等級(jí)來判斷此時(shí)選擇的衛(wèi)星組合是否滿足RAIM監(jiān)測需求。可用性分析分為單星可用性分析與多星可用性分析。在對(duì)單星、雙星等的可用性分析中，衛(wèi)星組合只有滿足其可用性才能進(jìn)入某種后續(xù)的自主完整性分析；如果衛(wèi)星組合不滿足某種可用性，則需要重新選擇符合某種情況需求的衛(wèi)星組合或者放棄對(duì)當(dāng)前時(shí)刻測量數(shù)據(jù)的完整性監(jiān)測。
b、進(jìn)行單星、多星故障判斷。將檢測統(tǒng)計(jì)量與單星或多星檢測門限進(jìn)行比較，如果沒有超過任何門限，表明當(dāng)前無故障，繼續(xù)監(jiān)測；如果超過門限，決定進(jìn)入相應(yīng)的單星或多星的故障識(shí)別步驟。
c、進(jìn)行單星、多星故障識(shí)別。通過單星、多星故障判斷后，如果有故障，則進(jìn)行相應(yīng)的單星、多星故障識(shí)別。單星情況時(shí)應(yīng)用特征偏差線法進(jìn)行故障識(shí)別，多星情況時(shí)應(yīng)用假設(shè)驗(yàn)證法進(jìn)行故障識(shí)別。
d、進(jìn)行排除驗(yàn)證。在已選衛(wèi)星組合中剔除掉有故障的衛(wèi)星(單星或多星)，再次重復(fù)步驟a中的可用性分析、步驟b中的故障判斷。如果沒有故障被發(fā)現(xiàn)則表明步驟c的故障識(shí)別正確，已經(jīng)排除故障衛(wèi)星；如果有新的故障被發(fā)現(xiàn)則表明步驟c失敗，此時(shí)需要針對(duì)具體情況進(jìn)行分析如果是進(jìn)行單星故障排除時(shí)失敗，則可能是多星故障，應(yīng)進(jìn)行多星故障檢測；如果是進(jìn)行多星故障排除時(shí)失敗，則認(rèn)為當(dāng)前時(shí)刻測量數(shù)據(jù)無法完成完整性監(jiān)測。
在步驟a中，首先需要根據(jù)系統(tǒng)需求的虛警概率確定虛警概率門限值pbias。公式如下
P(S<T2)=∫0T2fx(n-4)2(x)dx=1-PFA---(1)]]>S＝wTw (2)pbias=σ0×T/n-4---(3)]]>其中P(S＜T2)為殘差統(tǒng)計(jì)平方和小于門限值T的統(tǒng)計(jì)概率，PFA為容忍的虛警概率；σ0為偽距測量誤差的方差值，一般為經(jīng)驗(yàn)值；fx(n-4)2(x)為自由度為n-4的x2分布的概率密度函數(shù)T為門限值；n為可視衛(wèi)星個(gè)數(shù)；w是偽距殘差向量；s為殘差統(tǒng)計(jì)平方和；。
式中w＝Be＝ByB＝I-H(HTH)-1HTH是由各衛(wèi)星至用戶接收機(jī)的方向余弦向量構(gòu)成的線性化矩陣，e是偽距測量誤差向量，y是實(shí)測偽距與估計(jì)值之差。
在步驟a中，可以通過水平定位誤差與檢測統(tǒng)計(jì)量的關(guān)系來分析單星情況的可用性。
導(dǎo)航誤差矢量d、矩陣A分別為d=x^-x=(HTH)-1HT*e=A*e---(4)]]>A＝(HTH)-1HT(5)水平定位誤差為dh=(d12+d22)1/2]]>=((Σk=1nA1kek)2+(Σk=1nA2kek)2)1/2---(6)]]>其中，
為x方向上估計(jì)值，其替代真實(shí)值；x為x方向上的解算值；e是偽距測量誤差向量，ek為e的第k個(gè)分量；H是由各衛(wèi)星至用戶接收機(jī)的方向余弦向量構(gòu)成的線性化矩陣，H∈Rn×m(n為可視衛(wèi)星個(gè)數(shù)；當(dāng)僅利用單衛(wèi)星星座定位時(shí)，m＝4，當(dāng)利用雙衛(wèi)星星座定位時(shí)，m＝5，依次類推)。
當(dāng)單星故障情況下，測量誤差向量e最多只有一個(gè)較大的偏差元素，假設(shè)該元素位于e的第i個(gè)分量，且為εi，則水平定位誤差可以表示為dk=(A1i2+A2i2)1/2ϵi]]>檢測統(tǒng)計(jì)量s為
s＝(wTw)1/2(7)按公式8得到單星情況下水平定位誤差與檢測統(tǒng)計(jì)量的比值SLOPEiSLOPEi=dk/s=(A1i2+A2i2)1/2/(Σk=1nBki2)1/2---(8)]]>取SLOPEi中最大值SLPOE，它與水平定位告警限值(HAL)決定接收機(jī)單星檢測門限threshold_sthreshold_s＝HAL/SLPOE (9)如果threshold_s＜pbias，則單星自主完整性分析不可用；反之，可用。
在步驟a中，雙星的可用性分析與單星的基本原理相同，區(qū)別在于不同數(shù)目衛(wèi)星故障時(shí)檢測門限值不同。當(dāng)兩顆衛(wèi)星同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，假設(shè)測量誤差向量e中，較大偏差元素εi為e的第i個(gè)元素；較大偏差元素εj為e的第j個(gè)元素。則水平定位誤差與檢測統(tǒng)計(jì)量的比值SLOPEi，j分別為dh=(d12+d22)1/2]]>=((Σk=1nA1kek)2+(Σk=1nA2kek)2)1/2]]>=((A1iϵi+A1jϵj)2+(A2iϵi+A2jϵj)2)1/2---(10)]]>SLOPEi,j=dk/s]]>=((A1iϵi+A1jϵj)2+(A2iϵi+A2jϵj)2)1/2(Σk=1n(Bkiϵi+Bkjϵj)2)1/2]]>=((A1iλ+A1j)2+(A2iλ+A2j)2)1/2(Σk=1n(Bkiλ+Bkj)2)1/2---(11)]]>方程11中變量λ是εi與εj的比值(如圖4所示)。
在n顆可見衛(wèi)星中，遍歷任何多顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障的情況，即有Cn2種可能情況，在Cn2種可能情況中，尋找最大的斜率值SLOPEmax。
SLOPEi，j|max＝max(SLOPEi，j) (12)SLOPEmax＝max(SLOPEi，j|max) (13)根據(jù)SLOPEmax值與水平定位告警限值(HAL)一起來決定接收機(jī)雙星檢測門限threshold_mthreshold_m＝HAL/SLPOEmax(14)如果threshold_m＜pbias，則多星自主完整性分析不可用；反之，可用。
在該技術(shù)用于基于雙星故障RAIM檢測中，在步驟a中若單星或者雙星故障只有滿足其可用性分析條件，其門限值才有效，分別作為單星或者雙星故障檢測的門限值。在步驟b中，使用公式7計(jì)算得到的檢測統(tǒng)計(jì)量s，將其分別與單、雙星故障檢測門限比較。若其值大于單星檢測門限，則可能為單星故障也可能為雙星故障；若其值僅大于雙星檢測門限，則僅需要進(jìn)行雙星故障識(shí)別；若其值小于單、雙星檢測門限，則不進(jìn)行任何故障識(shí)別，系統(tǒng)判斷此時(shí)所有衛(wèi)星工作正常。在其用于基于多星故障RAIM檢測中，方法相同。
在步驟c中，單星故障識(shí)別技術(shù)采用特征向量法排除故障衛(wèi)星。首先對(duì)觀測矩陣H進(jìn)行QR分解后得到奇偶空間矩陣QPQT=QXQP---(15)]]>其中QX為QT前4行，QP為奇偶空間矩陣。
奇偶空間矢量p為p＝QPy (16)y是實(shí)測偽距與估計(jì)值之差。
用公式17計(jì)算每顆衛(wèi)星的特征偏差線Kcharacter_iKcharacter_i＝QP(1，i)/QP(2，i) (17)計(jì)算奇偶空間矢量的特征偏差斜率KPKP＝p1/p2(18)式中p1與p2是奇偶矢量p的元素，如果第i顆衛(wèi)星的Kcharacter_i與KP非常接近，則第i顆衛(wèi)星被識(shí)別為故障衛(wèi)星。
在步驟c中，多星故障識(shí)別技術(shù)采用假設(shè)驗(yàn)證法排除故障衛(wèi)星。若當(dāng)前可見星為n顆，假設(shè)此時(shí)故障星有k顆，k∈[2，3，…，n-5]。則需要對(duì)所有可能的k顆星故障進(jìn)行一次遍歷驗(yàn)證，共有Cnk種可能情況。假設(shè)現(xiàn)在驗(yàn)證k顆衛(wèi)星f1，f2，……，fk，它們對(duì)應(yīng)的偽距誤差分別是x1，x2，……，xk，奇偶假設(shè)矢量new_p可以被寫作new_p=x1QP(1,f1)...QP(n-m,f1)+x2QP(1,f2)...QP(n-m,f2)+···+xkQP(1,fk)...QP(n-m,fk)---(19)]]>
new_p的前k個(gè)元素可以寫作p1...pk=x1QP(1,f1)...QP(k,f1)+x2QP(1,f2)...QP(k,f2)+···+xkQP(1,fk)...QP(k,fk)---(20)]]>則可用公式20計(jì)算偽距誤差x得x1...xk=QP(1,f1)...QP(1,fk).........QP(k,f1)...QP(k,fk)-1×p1...pk---(21)]]>得到假設(shè)的偽距誤差后，將誤差向量x代回公式19進(jìn)行驗(yàn)證，如果奇偶假設(shè)矢量new_p與向量p非常接近，則衛(wèi)星t1，t2，……，tk是故障衛(wèi)星；若矢量new_p與向量p中任一元素偏差較大，則表明此次衛(wèi)星t1，t2，……，tk的組合中必定含有正確衛(wèi)星。
在步驟d中，排除已經(jīng)識(shí)別為故障的衛(wèi)星，在新的衛(wèi)星組合中，重新進(jìn)行步驟a中的可用性分析，如果可用性(單星、多星)滿足，則再重復(fù)步驟b中的故障判斷。如果沒有新的故障被發(fā)現(xiàn)則表明步驟c中的故障識(shí)別正確，已經(jīng)排除故障衛(wèi)星；如果有新的故障被發(fā)現(xiàn)則表明步驟c失敗，此時(shí)需要針對(duì)具體情況進(jìn)行分析如果是進(jìn)行單星故障排除時(shí)失敗，則可能是多星故障，應(yīng)重新進(jìn)行多星故障檢測；如果是進(jìn)行多星故障排除時(shí)失敗，則認(rèn)為當(dāng)前時(shí)刻測量數(shù)據(jù)無法完成完整性監(jiān)測。
本發(fā)明為一種基于多星故障識(shí)別的GNSS接收機(jī)自主完整性監(jiān)測方法，其優(yōu)點(diǎn)在于在兩顆或兩顆以上的衛(wèi)星同時(shí)發(fā)上故障時(shí)，能夠?qū)Χ囝w衛(wèi)星同時(shí)發(fā)生故障進(jìn)行監(jiān)測和識(shí)別。
四圖1為水平定位誤差與檢測統(tǒng)計(jì)量的關(guān)系例圖圖2為特征偏差線示意圖圖3為多星故障識(shí)別技術(shù)總體流程圖圖4為雙星可用性分析圖5為GNSS導(dǎo)航接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖五具體實(shí)施方式
以下內(nèi)容適用于GNSS導(dǎo)航接收機(jī)中同一時(shí)刻最多有兩顆衛(wèi)星發(fā)生故障的RAIM監(jiān)測(對(duì)于更多故障衛(wèi)星的RAIM檢測，可由類似步驟得到)a)GNSS導(dǎo)航接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖見圖5，基帶相關(guān)器給出所有可見衛(wèi)星的偽距觀測量ρ。
b)初始化參數(shù)，得到用于RAIM監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)，具體包括實(shí)測偽距ρ與偽距估計(jì)值ρ0之差y，各衛(wèi)星至用戶接收機(jī)的方向余弦向量值并由其構(gòu)成線性化矩陣H。
c)根據(jù)系統(tǒng)需求的虛警概率確定虛警概率門限pbias。公式如下
P(S<T2)=∫0T2fx(n-4)2(x)dx=1-PFA---(1)]]>S＝wTw (2)pbias=σ0×T/n-4---(3)]]>其中PFA為容忍的虛警概率；σ0為偽距測量誤差的方差值，一般為經(jīng)驗(yàn)值；fx(n-4)2(x)為自由度為n-4的x2分布的概率密度函數(shù)；T為門限值；n為可視衛(wèi)星個(gè)數(shù)。
式中w＝Be＝ByB＝I-H(HTH)-1HTd)計(jì)算單星檢測門限。公式如下threshold_s＝HAL/SLPOE (9)其中HAL為水平定位告警限值；SLPOEi為單星情況下水平定位誤差與檢測統(tǒng)計(jì)量的比值，SLPOE為所有SLPOEi中最大的，SLPOEi的計(jì)算公式如下SLOPEi=dk/s=(A1i2+A2i2)1/2/(Σk=1nBki2)1/2---(8)]]>導(dǎo)航誤差矢量d、矩陣A分別為d=x^-x=(HTH)-1HT*e=A*e---(4)]]>A＝(HTH)-1HT(5)水平定位誤差為dh=(d12+d22)1/2]]>=((Σk=1nA1kek)2+(Σk=1nA2kek)2)1/2---(6)]]>e)計(jì)算雙星檢測門限。公式如下threshold_m＝HAL/SLPOEmax(14)其中SLOPEmax可由公式(12)和公式(13)計(jì)算。
SLOPEi，j|max＝max(SLOPEi，j) (12)SLOPEmax＝max(SLOPEi，j|max) (13)f)進(jìn)行可用性判斷。
如果threshold_s＜pbias，則單星自主完整性分析不可用；反之，可用；如果threshold_m＜pbias，則多星自主完整性分析不可用；反之，可用。如果不可用，則此時(shí)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)不能進(jìn)行RAIM檢測，如果可用，進(jìn)入步驟g。
g)計(jì)算檢測統(tǒng)計(jì)量，公式如下s＝(wTw)1/2(7)h)進(jìn)行故障判斷。
用檢測統(tǒng)計(jì)量s與單星檢測門限threshold_s和雙星檢測門限threshold_m分別進(jìn)行比較。如果s大于threshold_s，則進(jìn)入步驟i；如果s僅大于threshold_m則進(jìn)入步驟k，否則表明無故障，回到步驟a，準(zhǔn)備進(jìn)行下一歷元時(shí)刻的監(jiān)測。
i)單星故障識(shí)別。
用公式17計(jì)算每顆衛(wèi)星的特征偏差線Kcharacter_i＝QP(1，i)/QP(2，i) (17)QP為奇偶空間矩陣，它由下式得到QT=QXQP---(15)]]>計(jì)算奇偶空間矢量的特征偏差斜率KPKP＝p1/p2式中p1與p2是奇偶矢量p的元素，如果第i顆衛(wèi)星的Kcharacter_i與KP非常接近，則第i顆衛(wèi)星被識(shí)別為故障衛(wèi)星，進(jìn)入步驟j。如果沒有Kcharacter_i與KP非常接近，則進(jìn)入步驟k。
j)單星故障排除驗(yàn)證。
剔除步驟i識(shí)別出的故障衛(wèi)星，對(duì)剩余衛(wèi)星組合重新進(jìn)行RAIM監(jiān)測，重新執(zhí)行步驟a-步驟h。如果剩余衛(wèi)星組合仍然有故障，則對(duì)原衛(wèi)星組合進(jìn)行雙星故障識(shí)別，進(jìn)入步驟k；如果剩余衛(wèi)星組合無故障，則排除成功，返回步驟a，準(zhǔn)備進(jìn)行下一歷元時(shí)刻的監(jiān)測。
k)雙星故障識(shí)別。
對(duì)所有可能的兩顆星故障進(jìn)行一次遍歷驗(yàn)證。假設(shè)現(xiàn)在驗(yàn)證的兩顆衛(wèi)星為f1和f2，它們對(duì)應(yīng)的偽距誤差分別是x1，x2。奇偶假設(shè)矢量new_p可以被寫作new_p=x1QP(1,f1)...QP(n-m,f1)+x2QP(1,f2)...QP(n-m,f2)---(28)]]>new_p的前2個(gè)元素可以寫作p1p2=x1QP(1,f1)QP(2,f1)+x2QP(1,f2)QP(2,f2)---(29)]]>則可用公式29計(jì)算偽距誤差x得
x1x2=QP(1,f1)QP(1,f2)QP(k,f1)QP(k,f2)-1×p1p2---(30)]]>得到假設(shè)的偽距誤差后，將誤差向量x代回公式28進(jìn)行計(jì)算，如果奇偶假設(shè)矢量new_p與向量p非常接近，則衛(wèi)星f1和f2是故障衛(wèi)星，進(jìn)入步驟11；對(duì)所有可能的兩顆星故障進(jìn)行遍歷驗(yàn)證后，若仍然沒有發(fā)現(xiàn)f1和f2的組合，則表明此模型不可用，返回步驟a。
1)雙星故障排除驗(yàn)證。
剔除步驟k識(shí)別出的故障衛(wèi)星，對(duì)剩余衛(wèi)星組合重新進(jìn)行RAIM監(jiān)測，重新執(zhí)行步驟a-步驟h。如果剩余衛(wèi)星組合仍然有故障，則表明此模型不可用，返回步驟a；如果剩余衛(wèi)星組合無故障，則排除成功。
m、通過內(nèi)存共享方式，將故障檢測結(jié)果傳送給定位解算分系統(tǒng)。返回步驟a，準(zhǔn)備進(jìn)行下一歷元時(shí)刻的監(jiān)測。
權(quán)利要求
1.基于多星故障識(shí)別的GNSS接收機(jī)自主完整性監(jiān)測方法，其特征在于它包含以下各步驟a、進(jìn)行自主完整性的可用性分析首先，需要根據(jù)系統(tǒng)需求的虛警概率確定虛警概率門限值pbias，公式如下P(S<T2)=∫0T2fχ(n-4)2(x)dx=1-PFA---(1)]]>S＝wTw (2)pbias=σ0×T/n-4---(3)]]>其中PFA為容忍的虛警概率；σ0為偽距測量誤差的方差值，一般為經(jīng)驗(yàn)值；fχ(n-4)2(χ)為自由度為n-4的χ2分布的概率密度函數(shù)；T為門限值；n為可視衛(wèi)星個(gè)數(shù)；w是偽距殘差向量；S為殘差統(tǒng)計(jì)平方和；P(S＜T2)為殘差統(tǒng)計(jì)平方和小于門限值T的統(tǒng)計(jì)概率；式中w＝Be＝ByB＝I-H(HTH)-1HTH是由各衛(wèi)星至用戶接收機(jī)的方向余弦向量構(gòu)成的線性化矩陣，e是偽距測量誤差向量，y是實(shí)測偽距與估計(jì)值之差；其次，可以通過水平定位誤差與檢測統(tǒng)計(jì)量的關(guān)系來分析單星情況的可用性導(dǎo)航誤差矢量d、矩陣A分別為d=x^-x=(HTH)-1HT*e=A*e---(4)]]>A＝(HTH)-1HT(5)水平定位誤差為dh=(d12+d22)1/2]]>=((Σk=1nA1kek)2+(Σk=1nA2kek)2)1/2---(6)]]>其中，
為x方向上估計(jì)值，其替代真實(shí)值；χ為x方向上的解算值；e是偽距測量誤差向量，ek為e的第k個(gè)分量；H是由各衛(wèi)星至用戶接收機(jī)的方向余弦向量構(gòu)成的線性化矩陣，H∈Rn×m，其中n為可視衛(wèi)星個(gè)數(shù)；當(dāng)僅利用單衛(wèi)星星座定位時(shí)，m＝4，當(dāng)利用雙衛(wèi)星星座定位時(shí)，m＝5，依次類推；當(dāng)單星故障情況下，測量誤差向量e最多只有一個(gè)較大的偏差元素，假設(shè)該元素位于e的第i個(gè)分量，且為εi，則水平定位誤差可以表示為dk=(A1i2+A2i2)1/2ϵi]]>檢測統(tǒng)計(jì)量s為s＝(wTw)1/2(7)按公式8得到單星情況下水平定位誤差與檢測統(tǒng)計(jì)量的比值SLOPEiSLOPEi=dk/s=(A1i2+A2i2)1/2/(Σk=1nBki2)1/2---(8)]]>取SLOPEi中最大值SLPOE，它與水平定位告警限值(HAL由具體飛行階段來決定)決定接收機(jī)單星檢測門限threshold_sthreshold_s＝HAL/SLPOE (9)如果threshold_s＜pbias，則單星自主完整性分析不可用；反之，可用；其中，雙星的可用性分析與單星的基本原理相同，區(qū)別在于不同數(shù)目衛(wèi)星故障時(shí)檢測門限值不同；當(dāng)兩顆衛(wèi)星同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，假設(shè)測量誤差向量e中，較大偏差元素εi為e的第i個(gè)元素，較大偏差元素εj為e的第j個(gè)元素；則水平定位誤差與檢測統(tǒng)計(jì)量的比值SLOPEi，j分別為dh=(d12+d22)1/2]]>=((Σk=1nA1kek)2+(Σk=1nA2kek)2)1/2]]>=((A1iϵi+A1jϵj)2+(A2iϵi+A2jϵj)2)1/2---(10)]]>SLOPEi,j=dk/s]]>=((A1iϵi+A1jϵj)2+(A2iϵi+A2jϵj)2)1/2(Σk=1n(Bkiϵi+Bkiϵj)2)1/2]]>=((A1iλ+A1j)2+(A2iλ+A2j)2)1/2(Σk=1n(Bkiλ+Bkj)2)1/2---(11)]]>方程11中變量λ是εi與εj的比值；在n顆可見衛(wèi)星中，遍歷任何多顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障的情況，即有Cn2種可能情況，在Cn2種可能情況中，尋找最大的斜率值SLOPEmax，SLOPEi，j|max＝max(SLOPEi，j) (12)SLOPEmax＝max(SLOPEi，j|max) (13)根據(jù)SLOPEmax值與水平定位告警限值(HAL)一起來決定接收機(jī)雙星檢測門限threshold_mthreshold_m＝HAL/SLPOEmax(14)如果threshold_m＜pbias，則多星自主完整性分析不可用；反之，可用；b、進(jìn)行單星、多星故障判斷將檢測統(tǒng)計(jì)量與單星或多星檢測門限進(jìn)行比較，如果沒有超過任何門限，表明當(dāng)前無故障，繼續(xù)監(jiān)測；如果超過門限，決定進(jìn)入相應(yīng)的故障識(shí)別步驟將在步驟a中滿足其可用性分析條件的單星或者雙星故障檢測的門限值，分別作為有效的單星或者雙星故障檢測的門限值；使用公式7計(jì)算得到的檢測統(tǒng)計(jì)量s，將其分別與單、雙星故障檢測門限比較；若其值大于單星檢測門限，則可能為單星故障也可能為雙星故障；若其值僅大于雙星檢測門限，則僅需要進(jìn)行雙星故障識(shí)別；若其值小于單、雙星檢測門限，則不進(jìn)行任何故障識(shí)別，系統(tǒng)判斷此時(shí)所有衛(wèi)星工作正常；在其用于多星故障RAIM檢測中，方法相同。c、進(jìn)行單星、多星故障識(shí)別單星情況時(shí)應(yīng)用特征偏差線法進(jìn)行故障識(shí)別，多星情況時(shí)應(yīng)用假設(shè)驗(yàn)證法進(jìn)行故障識(shí)別；單星故障識(shí)別技術(shù)采用特征偏差線法排除故障衛(wèi)星首先對(duì)觀測矩陣H進(jìn)行QR分解后得到奇偶空間矩陣QPQT=QXQP---(15)]]>其中QX為QT前4行，QP為奇偶空間矩陣；奇偶空間矢量p為p＝QPy (16)y是實(shí)測偽距與估計(jì)值之差；用公式17計(jì)算每顆衛(wèi)星的特征偏差線Kcharacter_iKcharacter_i＝QP(1，i)/QP(2，i) (17)計(jì)算奇偶空間矢量的特征偏差斜率KPKP＝p1/p2(18)式中p1與p2是奇偶矢量p的元素，如果第i顆衛(wèi)星的Kcharacter_i與KP非常接近，則第i顆衛(wèi)星被識(shí)別為故障衛(wèi)星；多星故障識(shí)別技術(shù)采用假設(shè)驗(yàn)證法排除故障衛(wèi)星；若當(dāng)前可見星為n顆，假設(shè)此時(shí)故障星有k顆，k∈[2，3，…，n-5]，則需要對(duì)所有可能的k顆星故障進(jìn)行一次遍歷驗(yàn)證，共有Cnk種可能情況；假設(shè)現(xiàn)在驗(yàn)證k顆衛(wèi)星f1，f2，……，fk，它們對(duì)應(yīng)的偽距誤差分別是x1，x2，……，xk，奇偶假設(shè)矢量new_p可以被寫作new_p=x1Qp(1,f1)...Qp(n-m,f1)+x2Qp(1,f2)...Qp(n-m,f2)+...+xkQp(1,fk)...Qp(n-m,fk)---(19)]]>new_p的前k個(gè)元素可以寫作p1...Pk=x1Qp(1,f1)...Qp(k,f1)+x2Qp(1,f2)...Qp(k,f2)+...+xkQp(1,fk)...Qp(k,fk)---(20)]]>則可用公式20計(jì)算偽距誤差x得x1...xk=Qp(1,f1)...Qp(1,fk).........Qp(k,f1)...Qp(k,fk)-1×p1...pk---(21)]]>得到假設(shè)的偽距誤差后，將誤差向量x代回公式19進(jìn)行驗(yàn)證，如果奇偶假設(shè)矢量new_p與向量p非常接近，則衛(wèi)星t1，t2，……，tk是故障衛(wèi)星；d、進(jìn)行排除驗(yàn)證在已選衛(wèi)星組合中剔除掉有故障的衛(wèi)星，再次重復(fù)步驟a中的可用性分析、步驟b中的故障判斷；如果沒有故障被發(fā)現(xiàn)則表明步驟c的故障識(shí)別正確，已經(jīng)排除故障衛(wèi)星；如果有新的故障被發(fā)現(xiàn)則表明步驟c失敗，此時(shí)需要針對(duì)具體情況進(jìn)行分析如果是進(jìn)行單星故障排除時(shí)失敗，則可能是多星故障，應(yīng)進(jìn)行多星故障檢測；如果是進(jìn)行多星故障排除時(shí)失敗，則認(rèn)為當(dāng)前時(shí)刻測量數(shù)據(jù)無法完成完整性監(jiān)測。
專利摘要
基于多星故障識(shí)別的GNSS接收機(jī)自主完整性監(jiān)測方法，有以下步驟a.進(jìn)行自主完整性的可用性分析；b.進(jìn)行單星、多星故障判斷將檢測統(tǒng)計(jì)量與單星或多星檢測門限比較，如未超過任何門限，表明當(dāng)前無故障，繼續(xù)監(jiān)測；如超過門限，決定進(jìn)入相應(yīng)的故障識(shí)別步驟；c.進(jìn)行單星、多星故障識(shí)別單星時(shí)用特征偏差線法進(jìn)行故障識(shí)別，多星時(shí)用假設(shè)驗(yàn)證法進(jìn)行故障識(shí)別；d.進(jìn)行排除驗(yàn)證在已選衛(wèi)星組合中剔除掉故障衛(wèi)星，重復(fù)步驟a、步驟b；如未發(fā)現(xiàn)故障則表明步驟c正確，已排除故障衛(wèi)星；如發(fā)現(xiàn)新故障則表明步驟c失敗，需對(duì)具體情況進(jìn)行分析如是單星故障排除時(shí)失敗，則可能是多星故障；如是多星故障排除時(shí)失敗，則認(rèn)為當(dāng)前時(shí)刻測量數(shù)據(jù)無法完成完整性監(jiān)測。
文檔編號(hào)G01S19/23GK1996041SQ200610165465
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月20日
發(fā)明者張曉林, 張強(qiáng), 常嘯鳴, 李宏偉, 張展, 蘇琳琳, 張帥 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan