本发明专利技术公开了一种用于卫星导航系统的接收机自主完好性监测方法。它是一种基于多星故障检测与排除的ＲＡＩＭ方法，通过获取含有最多无故障卫星星座的方式来达到故障排除的目的。该方法采用编码、初始化、个体检测形成无故障个体，再通过优化搜索得到含有最多无故障卫星的个体，并将该个体作为初始结果，当满足终止条件时，该个体即是ＲＡＩＭ的最终结果。本方法实现简单，故障排除率高，鲁棒性好，既能进行单故障也能进行多故障的检测与排除，既适用单系统、也适用多系统，有效达到了在ＲＡＩＭ方法中进行多星故障检测与排除的目的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于卫星导航领域，具体涉及一种用于卫星导航系统的基于多星故障检测 与排除的接收机自主完好性监测方法。
技术介绍
完好性是指当系统不能用于正常导航、定位，或系统误差超限时，向用 户提供及时 告警的能力。在采用卫星导航定位系统时，完好性对很多应用来说很重要，而对航空航天来 说是关系重大的，因为用户正在以高速航行，而且可能会很快偏离航路。由于通过卫星导航 系统自身的操作控制部分进行卫星故障监测时，告警时间比较长，通常在15分钟到几小时 之内，不能满足航空导航需求，因此就需要在用户端对卫星故障进行快速监测，即接收机自 主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,简称为 RAIM)。RAIM 是一种 用来提供系统信息测量可信度的技术，当系统性能超出指定的容差级时，它还能实时有效 的给用户提供告警信息。目前关于RAIM的研究大多集中在单星故障的假设上，然而，在一 些对完好性要求特别苛刻的领域，如民用航空领域，这种单故障假设并不能满足要求。特别 是在全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，简称为GNSS)蓬勃发展的 今天，采用多星座组合方式进行导航定位已成为一种必然的趋势，此时，多颗卫星同时发生 故障的概率将会增大，尤其是两颗卫星同时发生故障的概率将不能再被忽略，在进行RAIM 方法研究中应予以考虑。这里，对任意一种卫星导航系统，如美国的导航星测时与测距全 球定位系统(Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System, 简称为GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLObal NAvigation Satellite System，简称为 GL0NASS)、欧盟的伽利略(GALILEO)系统、中国的北斗二代卫星导航定位系统(BeiDou_2， 简称为BD2)等，简称为单系统；对任意两种卫星导航系统的组合系统，简称为双系统；对 任意三种卫星导航系统的组合系统，简称为三系统；对任意四种卫星导航系统的组合系统， 简称为四系统；对双系统及其以上系统统称为多星座卫星导航系统或组合星座卫星导航系 统，简称为多系统。显然，在应用中，仅仅检测出故障是不够的，还必须能够快速进行故障排除，以 使得操作可以在不间断的情况下继续进行，这就要求接收机必须具有故障检测与排除 (FaultDetection and Exclusion，简称为FDE)功能，这也就是RAIM的两个基本功能，即故 障检测(Fault Detection)与故障排除(Fault Exclusion)。在卫星导航定位系统中，为了 满足故障检测功能，则至少需要有一个多余观测量，即要在满足定位解算所需最少观测卫 星数的基础上再增加一颗观测卫星；而为了实现故障排除功能，则至少需要有两个多余观 测量，即要在满足定位解算所需最少观测卫星数的基础上再增加两颗观测卫星。故障检测，就是计算出观测卫星组合的定位误差，并根据计算结果进行分析判断， 如果计算出的位置误差满足规定要求，就认为所用卫星组合工作状态正常无故障，而如果 计算结果超出规定的要求，就认为所用卫星组合中存在故障卫星。故障排除，就是在故障检测的基础上，进一步对所用的观测卫星组合进行分析判断，排除故障卫星以获得无故障卫星的卫星组合。在RAIM技术中，目前广泛采用最小二乘残差法和奇偶空间法。最小二乘残差法在卫星导航定位系统中，线性化测量方程如下y = Hx+ ε(1)式中，y表示实测伪距与伪距估计值之差，y e Rn, η为定位解算中的卫星个数，η 为正整数，其中R表示实数域；H表示用户至导航卫星的方向余弦矩阵，也称为设计矩阵， H e Rnxm ；m表示采用最小二乘法进行定位解算时的状态量个数，有m= 3+sys，sys表示组 合星座卫星系统个数，在单系统中sys = 1、在双系统中sys = 2、在三系统中sys = 3、在四 系统中sys = 4，根据目前星座建设发展状况，暂时不会出现五系统及其以上的组合星座系 统；χ是对先前位置和接收机钟差的修正向量，Χ e Γ，ε是伪距测量误差矢量，ε eRn。其最小二乘解Ji为X = (HT H)'1 Ht y(2)其中Ht表示矩阵H的转置矩阵。由此可得残差矢量ν:ν = y = ε(3)式中In表示ηΧη维单位矩阵。由此便可得到检验统计量SSE SSE = ντν(4)其中VT表示残差矢量ν的转置。检验统计量SSE标志着卫星定位误差的大小，若选用的卫星组合中有一颗或多颗 卫星有故障，则必然导致此统计量明显增加，当其大于某个门限值时，可判定存在故障卫星ο奇偶空间法就是利用矩阵H的QR分解来获取检验统计量并进而判别的方法。设H = QR(5)其中矩阵Q和R分别是矩阵H的经QR分解后所得到的两个矩阵。令QT - %(6)式中，Qt表示矩阵Q的转置矩阵，Qx为Qt之前m行组成的矩阵，Qp为剩下的n-m行 组成的矩阵。由此可获得奇偶矢量ρ为ρ = Qpy = Qp ε(7)由此便可得到基于奇偶空间法的检验统计量SSE SSE = ρτρ(8)其中ρτ表示ρ的转置。可以证明，本质上最小二乘残差法和奇偶空间法是相同的，两者所获得的检验统计量SSE是等价的，有SSE = vTv = pTp(9)卫星数的限制要求在进行故障检测时，在所用卫星组合中，对其观测卫星数η，应满足η彡m+1 ；而为了排除故障，应满足η彡m+2。在应用最小二乘残差法或奇偶空间法进行故障排除时，它们主要是针对单星故障而进行的，不能满足多星故障检测与排除的需要。而在多星座组合卫星导航系统中，出现多 颗卫星同时发生故障的概率大大增加，在导航定位中不能忽略该现象。因此，就必须探索新 的基于多星故障检测与排除的RAIM方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种适用于全球导航卫星系统的、基于多星故障检测和排除 的接收机自主完好性监测方法。本专利技术方法既能用于单星故障检测与排除，又能用于多星 故障检测与排除，既能用于单星座卫星导航定位系统，也能用于多星座组合卫星导航定位 系统。本专利技术提出的，其技术方案 在于从目标优化的角度对多星故障检测与排除问题进行描述，然后以优化搜索方式完成对 问题的处理。根据分析，可将RAIM中故障检测与排除问题描述为从所有观测卫星中找出 含有最多无故障卫星的星座。这就将其转化成了目标优化问题，从而，在卫星导航定位系统 RAIM技术中，可以采用优化搜索的方式来实现多星故障检测与排除功能。具体是通过以下 步骤实现的步骤一参数配置。根据组合星座卫星系统个数配置预估的最大故障卫星数faUlt_nUm，配置在一次 RAIM操作中容许重复搜索的最大次数r印eat。步骤二 故障的初始判断。根据定位结果得到的观测卫星的定位误差大小获取检验统计量，并据此判断该观 测卫星组合是否存在故障卫星。如果判断结果表明不存在故障卫星，则不进行后面的步骤， 所用星座为无故障星座；否则，继续进行下列步骤以排除故障并获取最终的无故障星座。步骤三编码。采用二进制串编码方案来表示RAIM中的卫星组合方案。该方案中将每颗卫星设 为一个基因，这里，基因就是卫星选入本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于卫星导航系统的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：参数配置；根据组合星座卫星系统个数配置预估的最大故障卫星数ｆａｕｌｔ＿ｎｕｍ，配置在一次接收机自主完好性监测ＲＡＩＭ操作中容许重复搜索的最大次数ｒｅｐｅａｔ；步骤二：故障的初始判断；根据定位结果得到的观测卫星的定位误差大小获取检验统计量，并据此判断该观测卫星组合是否存在故障卫星，如果判断结果表明不存在故障卫星，则不进行后面的步骤，所用星座为无故障星座；否则，继续进行其后的步骤以排除故障并获障卫星的个体；步骤八：终止条件判断，获取最终的无故障星座；首先，将优化搜索所获得的个体作为ＲＡＩＭ的初步结果；然后，统计该个体中１的个数，设为ｎ＿１，如果ｎ－ｎ＿１≤ｆａｕｌｔ＿ｎｕｍ，则将该个体作为最终的结果，并将之译码为排故后的无故障星座；否则，如果ｎ－ｎ＿１＞ｆａｕｌｔ＿ｎｕｍ，则从步骤四开始重新执行操作，并统计重复执行的次数ｔｉｍｅｓ，直至ｎ－ｎ＿１≤ｆａｕｌｔ＿ｎｕｍ或ｔｉｍｅｓ＞ｒｅｐｅａｔ，并将优化搜索所获得的个体作为ＲＡＩＭ的最终结果，并将之译码形成最终的无故障星座；这里，译码是编码的逆过程，译码是将所有１基因对应的卫星作为无故障卫星组合来使用，而０基因对应的卫星排除不用；至此，完成接收机自主完好性监测。取最终的无故障星座；采用传统的最小二乘残差法或奇偶空间法来进行故障检测，设由这两种方法之一所获得的故障检验统计量为ＳＳＥ，则可根据虚警概率Ｐ↓［ＦＡ］确定检查门限Ｔ，具体方式为：Ｐ↓［ｒ］（ＳＳｅ／σ↓［０］↑［２］＜Ｔ↑［２］）＝∫↓［０］↑［Ｔ↑［２］］ｆ↓［χ↑［２］（ｎ－ｍ）］（ｘ）ｄｘ＝１－Ｐ↓［ＦＡ］其中，Ｐ↓［ｒ］（ＳＳＥ／σ↓［０］↑［２］＜Ｔ↑［２］）表示统计量ＳＳＥ／σ↓［０］↑［２］小于门限值Ｔ↑［２］的概率；σ↓［０］为伪距测量误差的标准偏差，σ↓［０］为经验值，当选择可用性ＳＡ关闭时，对精密定位服务，σ↓［０］取为１．４ｍ，对标准定位服务，σ↓［０］取为６ｍ，而当ＳＡ打开且不采用其他辅助方式时，σ↓［０］取为２５ｍ；ｆ↓［χ↑［２］（ｎ－ｍ）］（ｘ）为自由度为ｎ－ｍ的χ↑［２］分布的概率密度函数；Ｔ为门限值；Ｐ↓［ＦＡ］为虚警概率，参照国际民间航空组织的有关规定选取；ｎ为所用卫星组合中观测卫星个数，ｎ为正整数且应当满足ｎ≥ｍ＋１；ｍ＝３＋ｓｙｓ，ｓｙｓ表示组合星座卫星系统个数，在单系统中ｓｙｓ＝１、...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓林，陈灿辉，霍航宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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