一种多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法技术

一种实时多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除(Fault Detection and Elimination，FDE)方法，属于低轨GNSS导航增强精密测速技术领域，通过最近邻低轨用户钟速约束实现非高斯分布下载波多普勒高完好性监测和故障剔除，可实现多颗卫星切换引起的载波多普勒异常跳变的检测和剔除，从而克服了多颗卫星切换引入的用户钟速序列的异常跳变问题，提高了采用GNSS对低轨卫星时钟驯服时用户钟速的估计精度和完好性，具有广阔的应用前景。

A method of detecting and eliminating Doppler anomaly of multi satellite non Gaussian carrier

【技术实现步骤摘要】
一种多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法
本专利技术涉及一种多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法，属于低轨GNSS导航增强精密测速

技术介绍
随着低轨GNSS导航增强卫星系统的发展，基于载波多普勒的时钟驯服技术在低轨卫星频率基准建立和维持方面具有巨大优势和潜力，高稳晶振经过驯服后的长期和短期稳定度性能可以媲美替代星载原子钟，具有重要的应用价值和市场竞争力。该技术主要通过GNSS系统高精度载波相位测量值计算出高精度载波多普勒(精度可达到1～3mm/s量级)，进而以此高精度的载波多普勒可估计出接收机自身的钟速，再根据三阶锁频环对接收机的本振频率进行闭环调整，使其锁定到其标称频率上，实现卫星频率基准的高精度建立和维持。整个过程对载波多普勒的完好性提出了较高的要求，但是，可见卫星的切换的因素对毫米每秒量级的载波多普勒测量值会造成毫米量级的抖动，其对载波多普勒测量的完好性造成了严重挑战。由于载波相位测量值的误差特性是非高斯分布的，其差分后的载波多普勒的误差特性也是非高斯分布，传统的基于卡方分布的接收机自主完好性监测RAIM(ReceiverAutonomousIntegrityMonitoring)方法不适用。由于卫星切换导致的载波多普勒跳变的完好性监测，目前尚无好的解决方法。针对载波多普勒高完好性监测存在的以上问题，世界上已经有学者对载波相位RAIM算法做了相关理论研究，其具有代表性的是韩国HoYun的基于高斯混合模型(GaussianMixtureModel)的高斯和滤波器(GaussianSumFilter)载波相位RAIM方法。该方法针对载波相位非高斯分布的问题，采用多个高斯分布叠加后的分布来逼近载波相位的非高斯误差分布，并给出了贝叶斯框架下的载波相位完好性监测方法。该方法计算复杂度高，仅适合于后处理，对工程实践中的实时应用理论指导意义不大。此外，该方法不适用载波多普勒的完好性监测问题，不能解决卫星切换导致的载波多普勒跳变完好性监测问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种实时多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除(FaultDetectionandElimination，FDE)方法，通过最近邻低轨用户钟速约束实现非高斯分布下载波多普勒高完好性监测和故障剔除，可实现多颗卫星切换引起的载波多普勒异常跳变的检测和剔除，从而克服了多颗卫星切换引入的用户钟速序列的异常跳变问题，提高了采用GNSS对低轨卫星时钟驯服时用户钟速的估计精度和完好性，具有广阔的应用前景。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法，包括如下步骤：S1、根据三个历元的载波相位计算出中间历元的载波多普勒；并将中间历元作为当前历元；S2、利用当前历元的载波多普勒，解算当前历元用户三维速度和钟速；S3、利用当前历元用户三维速度和钟速，根据三个历元中的第一个历元对应的L点钟速均值，进行当前历元的最近邻钟速约束的载波多普勒异常检测及剔除；然后获得当前历元的最优载波多普勒RAIM后的钟速结果，和，当前历元的L点钟速均值；然后进行下一个历元的检测及剔除。优选的，低轨卫星GNSS接收机第n个历元、第f个频点、第s颗GNSS卫星的载波相位为：式中，是卫星天线和接收机天线相位中心之间的几何距离，c是光速,dTs和dtr分别是卫星和接收机用户的钟差，是电离层误差，λf和分别是波长和模糊度，代表载波相位噪声。优选的，第n个历元载波多普勒的计算方法为：式中，为低轨卫星GNSS接收机第n个历元、第f个频点、第s颗GNSS卫星的载波相位；Ts为两个相邻历元间的采样间隔优选的，所述载波多普勒异常检测方法为：第n个历元，m颗卫星是否存在一个或多个卫星的载波多普勒异常通过将检测统计量T与阈值Thd进行比较获得，若T＞Thd，则第n个历元的m颗卫星中一颗到多颗卫星的载波多普勒测量值存在完好性异常；若T≤Thd，则第n个历元的m颗卫星的载波多普勒测量值均无完好性异常。优选的，所述多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法的平滑长度不超过1周。一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现上述多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法的步骤。本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：(1)本专利技术采用最近邻钟速约束模型，可对非高斯分布下的多颗卫星载波多普勒异常变化进行检测和剔除，可有效抑制多颗卫星同时切换导致的用户钟速抖动，提升用户钟速估计的中长期稳定度；(2)本专利技术方法将非高斯载波多普勒噪声的RAIM问题分解为高斯噪声拟合部分和残余非高斯分布两部分，并分别给出了相应的处理技术方法；(3)本专利技术方法采用组合优化的方式处理残余非高斯分布噪声下的多颗GNSS卫星优选问题，算法复杂度低、通用性强，利于工程实际应用；(4)本专利技术方法采用最近邻低轨用户钟速约束技术，降低GNSS卫星切换对低轨用户钟速引入的钟速跳变，提高了低轨用户钟速估计的准确度和稳定度；(5)本专利技术方法提出一种矢量检验统计量，可一次性检测出多颗精密测速残差较大的卫星，检测效率高。附图说明图1为多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法流程图；图2为载波多普勒完好性FDE的用户钟速及可见卫星数；图3为检测剔除一颗故障卫星的用户钟速；图4为检测剔除多颗故障卫星的用户钟速；图5(a)为未采取载波多普勒完好性FDE的用户钟速稳定度；图5(b)为多星载波多普勒完好性FDE后的用户钟速稳定度；图5(c)为多颗卫星载波多普勒FDE对用户时钟稳定度的改善幅度。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。常规的接收机RAIM方法，假设同一个时刻仅仅有一颗卫星的测量发生完好性故障，在载波多普勒服从高斯分布假设下，用户钟速采用相应的卡方分布的标量检验统计量，若该检验统计量超过阈值门限，每次从观测卫星列表中剔除一颗卫星，重新计算用户钟速，最后挑选出最小的用户钟速作为最优用户钟速。然而，在载波多普勒完好性监测过程中发现以上处理策略效果并不理想，因为同一个历元内可能存在两颗卫星同时切换。本专利技术提出的载波多普勒完好性异常检测和剔除方法可以同时检测并剔除多个卫星的载波多普勒的异常测量值。在第n个历元，载波多普勒完好性H0和H1假设分别可描述为：H0:第n个历元的m颗卫星的载波多普勒测量值均无完好性异常；H1:第n个历元的m颗卫星中一颗到多颗卫星的载波多普勒测量值存在完好性异常。一种多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法，其工作流程如图1所示。多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除主要包括以下五个部分：(1)根据三个历元的载波相位计算出中间历元的载波多普勒；(2)解算中间历元用户三维速度和钟速；(3)根据上个历元对应的L点钟速均值，进行中间历元的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法，其特征在于：包括如下步骤：/nS1、根据三个历元的载波相位计算出中间历元的载波多普勒；并将中间历元作为当前历元；/nS2、利用当前历元的载波多普勒，解算当前历元用户三维速度和钟速；/nS3、利用当前历元用户三维速度和钟速，根据三个历元中的第一个历元对应的L点钟速均值，进行当前历元的最近邻钟速约束的载波多普勒异常检测及剔除；然后获得当前历元的最优载波多普勒RAIM后的钟速结果，和，当前历元的L点钟速均值；然后进行下一个历元的检测及剔除。/n

【技术特征摘要】
1.一种多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、根据三个历元的载波相位计算出中间历元的载波多普勒；并将中间历元作为当前历元；
S2、利用当前历元的载波多普勒，解算当前历元用户三维速度和钟速；
S3、利用当前历元用户三维速度和钟速，根据三个历元中的第一个历元对应的L点钟速均值，进行当前历元的最近邻钟速约束的载波多普勒异常检测及剔除；然后获得当前历元的最优载波多普勒RAIM后的钟速结果，和，当前历元的L点钟速均值；然后进行下一个历元的检测及剔除。


2.根据权利要求1所述的一种多星非高斯载波多普勒异常检测及剔除方法，其特征在于：低轨卫星GNSS接收机第n个历元、第f个频点、第s颗GNSS卫星的载波相位为：



式中，是卫星天线和接收机天线相位中心之间的几何距离，c是光速,dTs和dtr分别是卫星和接收机用户的钟差，是电离层误差，λf和分别是波长和模糊度，代表载波相位噪声。


3.根据权利要求1所述的一种多星非高...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷文英，边朗，王国永，严涛，王瑛，蒙艳松，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61