接收机伪距故障监测方法和接收机技术

本申请提出了一种接收机伪距故障监测方法和接收机。该接收机伪距故障监测方法包括：获得接收机与多颗卫星之间的伪距；根据所获得的伪距，计算接收机的位置和钟差；根据所获得的伪距以及所计算的接收机的位置和钟差，获得卫星几何结构投影矩阵S和残差向量b；设定伪距误差容忍度δ，根据伪距误差方程Sε=b，计算伪距误差向量ε，使得所述伪距误差向量ε中的各伪距误差高于所述伪距误差容忍度δ的个数最少；以及根据所计算的伪距误差向量ε，监测接收机伪距故障。

【技术实现步骤摘要】
接收机伪距故障监测方法和接收机
本申请涉及接收机伪距故障监测方法和接收机。
技术介绍
全球导航卫星系统（GNSS）能够在全球范围内全天候地为具有接收设备的用户提供实时、准确的位置、速度和时间信息。目前，导航产业正在迅速发展，并逐渐渗透到各个行业当中。在军事需求和经济利益的推动下，许多国家和地区都在积极地升级或建设自己的卫星导航系统。随着多个导航系统的建成并开放运行，未来的导航终端将进入多模多频的时代。图1所示显示了现有的卫星导航系统，车载或手持接收机接收来自卫星的广播信号（电磁波），当卫星数量大于等于4颗时，构成最基本的定位系统。定位系统可以是如图1所示的包括GPS，GLONASS，BeiDou等导航系统的多模多频定位系统，也可以是一种导航系统，例如GPS导航系统或者BeiDou导航系统。每颗卫星上都具有高精度的时钟，地面站计算出各个时钟相对于基准时间系统的修正值，并通过上行链路注入到卫星的星历存储单元。卫星在广播星历中播发时钟修正信息，用户接收后可以对卫星星钟进行修正，从而可以近似认为各个卫星的时钟相互同步。用户从接收的卫星导航信号中提取信号发射时刻，和用户的当前时刻做差后，得到信号的传输时间。将此时间乘以光速后，得到卫星与用户之间的伪距。由于用户的时间信息并不精确，以及提取信号发射时刻时会受到噪声等因素的影响，因而伪距并非卫星到用户之间的准确距离。各个卫星的位置不同，因此各个卫星到用户之间的伪距并不相同，伪距中包含的误差大小也并不相同。但是，对于每一次定位解算，每一颗卫星的伪距误差是确定的，误差的大小反映了该颗卫星的伪距观测量是否存在异常。当某颗卫星的伪距观测量不存在异常时，它的伪距误差应服从零均值的高斯分布，其期望值为零。当某颗卫星的伪距观测值发生故障时，它的伪距误差将不再服从零均值的高斯分布，其期望值为故障偏差。可能导致伪距观测故障的原因有很多。比如：卫星星钟发生故障，电离层、对流层出现异常，用户接收位置处存在严重多径等。接收机自主完好性监测（RAIM）方法是接收机内部的、用于检测并排除异常观测量并给出定位结果及其可靠性的算法。RAIM方法的性能决定了接收机能否在高可靠性要求的场景下得以应用，从一定程度上制约着卫星定位应用的延伸与拓展。传统RAIM方法仅适用于单星故障的检测与排除。随着多个导航系统的建设，多模多频接收机逐渐引入，RAIM方法亟需进行改进以满足多星故障场景下的应用需求。目前的多星故障RAIM方法主要分为两种。一种是在单历元时刻通过分组方法进行多星故障检测；另一种是联合利用多个历元时刻的信息进行多星故障检测。GeorgSchroth等人在2008年提出了RANCO算法。该方法需要按照一定规则将可见星分成若干个子集，然后对每个子集进行解算，查找存在异常的伪距观测量。但是，当可见卫星较多时，子集的划分比较困难，遍历所有子集进行计算也会使算法过于复杂。IlariaMartini等人在2006年提出了联合利用多个历元时刻的信息进行多星故障检测的方法。其基本思想是，在某个历元时刻，卫星的几何结构构成一个投影矩阵，误差向量经过投影变换得到残差向量。在下一个历元时刻，卫星的几何结构发生变化，得到新的投影矩阵和残差向量。因此，在这两个历元时刻，得到了误差向量在两个投影坐标系下的不同表示，通过重构可以得到误差向量。这种方法能恢复出所有卫星的测距误差。但是，进行重构的条件是投影矩阵之间要线性无关，误差向量在历元时刻之间保持不变。对于地面低速运动的用户，卫星的几何结构变化缓慢，因而相邻历元时刻投影矩阵之间有较强的相关性。这种相关性在进行测距误差重构时会引入较强的病态性，导致计算误差很大。在测距误差较小时，重构结果不准确。而且，误差向量在历元时刻之间保持不变在实际中也较难保证。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种至少能够降低算法复杂度的接收机伪距故障监测方法和接收机。根据本申请的一个方面，公开了一种接收机伪距故障监测方法，包括：获得接收机与多颗卫星之间的伪距；根据所获得的伪距，计算接收机的位置和钟差；根据所获得的伪距以及所计算的接收机的位置和钟差，获得卫星几何结构投影矩阵S和残差向量b；设定伪距误差容忍度δ，根据伪距误差方程Sε=b，计算伪距误差向量ε，使得所述伪距误差向量ε中的各伪距误差高于所述伪距误差容忍度δ的个数最少；以及根据所计算的伪距误差向量ε，监测接收机伪距故障。根据本申请的另一个方面，公开了一种接收机，能够监测伪距故障，所述接收机包括：接收模块，获得接收机与多颗卫星之间的伪距，并根据所获得的伪距，计算接收机的位置和钟差；处理模块，根据所获得的伪距以及所计算的接收机的位置和钟差，获得卫星几何结构投影矩阵S和残差向量b；伪距误差向量计算模块，设定伪距误差容忍度δ，根据伪距误差方程Sε=b，计算伪距误差向量ε，使得所述伪距误差向量ε中的各伪距误差高于所述伪距误差容忍度δ的个数最少；以及监测模块，根据所计算的伪距误差向量ε，监测接收机伪距故障。附图说明图1所示显示了现有的卫星导航系统。图2显示了根据本申请的一种实施方式的接收机伪距故障监测方法流程图。图3显示了根据本申请的一种实施方式的接收机的示意方框图。图4显示了根据本申请的一种实施方式的接收机的示意方框图具体实施方式下面参照附图对本申请公开的接收机伪距故障监测方法和接收机进行详细说明。为简明起见，本申请各实施例的说明中，相同或类似的装置使用了相同或相似的附图标记。图2显示了根据本申请的一种实施方式的接收机伪距故障监测方法流程图。如图所示，在步骤110中，获得接收机与多颗卫星之间的伪距。例如，对于n颗卫星组成的定位系统，可以获得的伪距为在步骤120中，根据所获得的伪距，计算接收机的位置(xu,yu,zu)和钟差δu。在步骤130中，根据所获得的伪距ρ以及所计算的接收机的位置(xu,yu,zu)和钟差δu，获得卫星几何结构投影矩阵S和残差向量b。在步骤140中，设定伪距误差容忍度δ；根据伪距误差方程Sε=b，计算伪距误差向量ε，使得所述伪距误差向量ε中的各伪距误差高于所述伪距误差容忍度δ的个数最少。在步骤150中，根据所计算的伪距误差向量ε，监测接收机伪距故障。在卫星定位接收机的定位解算阶段，可以利用卫星位置和观测伪距构造如下方程组，求解用户的三维位置和时间偏差，如式（1）所示。其中：(xu,yu,zu)为接收机的三维位置，δu为接收机钟差，(xs,i,ys,i,zs,i)表示第i颗卫星的位置，ρi为用户到第i颗卫星的伪距，εi为伪距测量误差。i=1,2,…,n，n为可见卫星总数。使用牛顿迭代法求解上述非线性方程组，首先需要对方程左边进行线性化。在近似解处进行一阶泰勒展开。第i个方程可写为：其中：为伪距增量，为第i颗卫星到用户近似位置的标量距离。线性化后的矩阵方程式为：Gx+ε=b（3）其中：线性化矩阵G由当前时刻各颗可见卫星的相对位置决定，称之为几何矩阵。可以使用最小二乘法进行求解x为：在卫星信号正常接收情况下，伪距测量误差项ε应服从零均值的高斯分布。考虑到各个卫星到达用户的距离和空间传输环境不同，可以通过加权系数矩阵W为接收机所获得的与多颗卫星之间的伪距进行加权。经过加权后，伪距测量误差向量ε中各项方差不尽相同。不失一般性，我们考虑加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种接收机伪距故障监测方法，包括：获得接收机与多颗卫星之间的伪距；根据所获得的伪距，计算接收机的位置和钟差；根据所获得的伪距以及所计算的接收机的位置和钟差，获得卫星几何结构投影矩阵S和残差向量b；设定伪距误差容忍度δ，根据伪距误差方程Sε=b，计算伪距误差向量ε，使得所述伪距误差向量ε中的各伪距误差高于所述伪距误差容忍度δ的个数最少；以及根据所计算的伪距误差向量ε，监测接收机伪距故障。

【技术特征摘要】
1.一种接收机伪距故障监测方法，包括：获得接收机与多颗卫星之间的伪距；根据所获得的伪距，计算接收机的位置和钟差；根据所获得的伪距以及所计算的接收机的位置和钟差，获得卫星几何结构投影矩阵S和残差向量b；设定伪距误差容忍度δ，根据伪距误差方程Sε＝b，计算伪距误差向量ε，使得所述伪距误差向量ε中的各伪距误差高于所述伪距误差容忍度δ的个数最少；以及根据所计算的伪距误差向量ε，监测接收机伪距故障。2.如权利要求1所述的方法，其中，根据伪距误差方程Sε＝b，计算伪距误差向量ε，使得所述伪距误差向量ε中的各伪距误差高于所述伪距误差容忍度δ的个数最少的步骤包括：构建第一目标函数将近似为‖ε‖1，构造第二目标函数利用稀疏求解方法通过求解第二目标函数g(ε)的极小值，获得对应的向量ε0；计算伪距误差向量ε＝ε0,其中表示向量中元素的绝对值小于δ的个数，‖·‖2表示向量的l2范数，‖·‖1表示向量的l1范数，‖b‖1＝|b1|+|b2|+…|bn|。3.如权利要求2所述的方法，其中，所述方法进一步包括：在利用稀疏求解方法计算伪距误差向量ε前，对投影矩阵S和残差向量b进行预处理：计算S1＝WSWT，W为各个伪距的加权系数矩阵，计算Z＝diag(z)，其中j＝1,2,…,n，获得预处理后的投影矩阵并获得预处理后的残差向量将预处理后的投影矩阵和残差向量带入第二目标函数得到预处理后的第二目标函数：利用稀疏求解方法通过求解预处理后的第二目标函数的极小值，获得对应的中间向量εin；重构伪距误差向量ε＝WTZεin。4.如权利要求3所述的方法，其中，所述方法进一步包括根据接收机伪距故障监测结果，优化所获得的伪距误差向量ε：设定优化门限t，选取|ε[i]|>t[i]的元素ε[i]构成集合C；若集合C为空集，则优化后的伪距误差向量ε等于优化前的伪距误差向量；否则选取集合C中绝对值最大的k个元素，其中表示下取整，n表示可见卫星数目，记录其在向量ε中的行号，记为集合E；根据集合E筛选投影矩阵S中的列SE，计算e＝SE\b；使用稀疏求解LARS算法对方程求解，得到优化中间向量εin2＝WTZx；根据集合E对中间向量εin2的相应行进行修正，其中εnewE＝εin2E+e，将εnewE与组合得到优化后的误差向量εnew，则优化后的误差向量ε＝εnew，其中，下标E表示根据集合E选取向量中相应的元素，表示E的补集，下标表示根据集合选取出向量中的相应元素。5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述根据所计算的伪距误差向量，监测接收机伪距故障的步骤包括：预定故障门限，将所计算得到的伪距误差向量ε中的各伪距误差与预定的故障门限进行比较，伪距误差向量ε中的伪距误差高于预定的故障门限所对应的伪距即为故障伪距。6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：根据所计算的伪距误差向量，修正所计算的接收机的位置和钟差，xopt＝xini-Pε其中，xopt表示修正后定位结果，xini表示初始定位结果，其中，(x,y,z)为接收机的三维位置，δu为接收机钟差，矩阵P＝(GTWG)-1GTW，G为当前时刻各颗可见卫星的相对位置所决定的几何矩阵，W为各个伪距的加权系数矩阵。7.一种接收机，能够监测伪距故障，所述接收机包括：接收模块，获得接收机与多颗卫星之间的伪距，并根据所获得的伪距，计算接收机的位置和钟差；处理模块，根据所获得的伪距以及所计算的接收机...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫，崔晓伟，汪沣，陆明泉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11