一種空地協同的多星座衛星導航完好性多級監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種空地協同的多星座衛星導航完好性多級監測方法,所述方法適用于多星座衛星導航完好性監測,該方法通過地面監測站接收導航觀測量,對衛星空間信號的星歷誤差和星鐘誤差進行估計和監測,對區域內的航路進行衛星導航自主完好性監測的可用性預測,并將結果播發至飛機。機載導航設備利用地面廣播的先驗信息,檢測其接收到的導航衛星是否存在故障,以確保飛行的導航完好性。本發明相比傳統的RAIM檢測方法,可以提高衛星故障的檢測概率,可滿足更低的虛警概率和漏檢概率要求,以提高導航連續性和可用性。通過多星座聯合完好性監測,本發明可獲得更高的導航可用性。可獲得更好的導航可靠性,最小檢測偏差引起的定位誤差性能分析。
【專利說明】-種空地協同的多星座衛星導航完好性多級監測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及航空導航自主完好性監測領域,具體涉及一種空地協同的多星座衛星 導航完好性多級監測方法。
【背景技術】
[0002] 近年以來,航空導航對完好性監測的需求日益增強。機載系統不僅要接收導航觀 測量,同時還需要鑒別所接收到的導航觀測量是否能滿足高安全性的定位需求。傳統的導 航自主完好性監測方法能夠滿足民用航空在航路和終端區非精密進近的完好性要求,但是 仍然具有如下兩方面的局限性:首先,傳統的導航自主完好性監測方法主要針對單一導航 系統,當導航衛星可見性下降或導航衛星幾何特性不夠理想的情況下,傳統的導航自主完 好性監測方法無法實現高效的衛星故障檢測,因而也無法保障導航完好性;其次,由于性能 有限,傳統的導航自主完好性監測方法無法滿足APV、LPV200等飛行階段對完好性的需求。 隨著全球導航衛星系統的發展,多星座導航成為提高導航性能的一種有效解決途徑。在此 情況下,如何對多星座導航進行完好性監測、以滿足APV、LPV200等飛行階段的完好性需 求,并進一步提高導航可用性,成為一個亟待突破的技術難題。
[0003] 衛星空間信號故障是導航故障的主要來源之一,衛星故障的檢測是導航自主完好 性監測的核心。傳統的衛星導航自主完好性監測方法(RAM)通過建立導航量測量估計誤 差的統計檢測模型來實現對衛星故障的檢測,該方法的性能受飛機運行環境和機載設備計 算能力的影響,在沒有衛星狀態先驗信息的參考下,該方法無法滿足較高的完好性需求。雖 然研究人員先后提出了地面完好性通道(GIC)和星基增強系統(SBAS)以增強完好性,但這 些方法都需要部署較多的地面站,系統復雜、耗資巨大。因此,設計并實現高性能、低成本、 自主、靈活的多星座導航自主完好性監測方法是本領域研究人員致力解決的難點之一。
【發明內容】
[0004] 本發明的技術解決問題:克服現有技術的不足,提出一種空地協同的多星座衛星 導航完好性多級監測方法,通過地面監測站接收導航觀測量,對衛星空間信號的星歷誤差 和星鐘誤差進行估計和監測,對區域內的航路進行衛星導航自主完好性監測的可用性預 測,并將結果播發至飛機。機載導航設備利用地面廣播的先驗信息,檢測其接收到的導航 衛星是否存在故障。該方法提高了導航故障的檢測概率,有效保障了導航完好性。
[0005] 本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種空地協同的多星座衛星導航完好性 多級監測方法,所述方法適用于多星座衛星導航完好性監測,其特征在于通過地面監測站 接收導航觀測量,對衛星空間信號的星歷誤差和星鐘誤差進行估計和監測,對區域內的航 路進行衛星導航自主完好性監測的可用性預測,并將結果播發至飛機。機載導航設備利用 地面廣播的先驗信息,檢測其接收到的導航衛星是否存在故障,以確保飛行的導航完好性。 所述方法包括如下步驟:
[0006]A、每個地面監測站接收衛星的導航觀測量,并消除電離層、對流層傳播誤差,計算 得到可見衛星的偽距殘差;
[0007]B、每個地面監測站通過航空通信網向地面主控站廣播其可見衛星的偽距殘差信 息;
[0008]C、地面主控站根據監測站播發的偽距殘差信息,計算所有監測站的共視衛星;
[0009] D、地面主控站建立所有監測站共識衛星的星歷、星鐘誤差估計方程,并在此基礎 上計算衛星空間信號測距誤差;
[0010] E、地面主控站根據計算得到的衛星空間信號測距誤差,對預設定的空域和航路進 行第一級導航故障檢測;
[0011] F、若檢測到故障,則將故障衛星進行隔離,對受影響區域進行標記;
[0012] G、地面主控站對預設定的空域和航路進行衛星導航自主完好性監測可用性預測, 并將預測結果與運行完好性要求進行比較,完成第二級導航故障檢測;
[0013] H、若不滿足運行完好性要求,則對故障衛星進行隔離,對受影響區域進行標記;
[0014]I、地面主控站將第一級和第二級故障檢測結果和受影響區域信息播發至飛機;
[0015] J、飛機的機載導航設備根據地面主控站的監測信息,對監測站共視衛星和所有可 見衛星組合進行自主完好性監測的可靠性進行分析;
[0016] K、機載導航設備對飛機所有可見衛星進行第三級故障檢測;
[0017]L、若檢測到故障,則對故障衛星進行隔離;
[0018]M、機載導航設備計算所有正常衛星構成定位方程的保護級,并將其與告警限進行 比較,以確保飛行的導航完好性。
[0019] 所述步驟A中:消除傳播誤差后,第j顆衛星的偽距殘差可表述為:
[0020] Δ/3| =Δ^-爐+ ?,其中AEj表示星歷誤差,Bj表示星鐘誤差,墦是電離層、對 流層殘差和多路徑效應、熱噪聲的集合。
[0021] 所述步驟D中:所有共視衛星的偽距殘差方程為:
[0022]
【權利要求】
1. 一種空地協同的多星座衛星導航完好性多級監測方法,其特征在于步驟如下: A、 每個地面監測站接收衛星的導航觀測量,并消除電離層、對流層傳播誤差,計算得到 可見衛星的偽距殘差; B、 每個地面監測站通過航空通信網向地面主控站廣播其可見衛星的偽距殘差信息; C、 地面主控站根據監測站播發的偽距殘差信息,計算所有監測站的共視衛星; D、 地面主控站建立所有監測站共識衛星的星歷、星鐘誤差估計方程,并在此基礎上計 算衛星空間信號測距誤差; E、 地面主控站根據計算得到的衛星空間信號測距誤差,對預設定的空域和航路進行第 一級導航故障檢測; F、 若檢測到故障,則將故障衛星進行隔離,對受影響區域進行標記; G、 地面主控站對預設定的空域和航路進行衛星導航自主完好性監測可用性預測,并將 預測結果與運行完好性要求進行比較,完成第二級導航故障檢測; H、 若不滿足運行完好性要求,則對故障衛星進行隔離,對受影響區域進行標記; I、 地面主控站將第一級和第二級故障檢測結果和受影響區域信息播發至飛機; J、 飛機的機載導航設備根據地面主控站的監測信息,對監測站共視衛星和所有可見衛 星組合進行自主完好性監測的可靠性進行分析; K、 機載導航設備對飛機所有可見衛星進行第三級故障檢測; L、 若檢測到故障,則對故障衛星進行隔離; M、 機載導航設備計算所有正常衛星構成定位方程的保護級,并將其與告警限進行比 較,以確保飛行的導航完好性。
2. 根據權利要求1所述的空地協同的多星座衛星導航完好性多級監測方法,其特征在 于:所述步驟A中:消除傳播誤差后,第j顆衛星的偽距殘差可表述為:
其中AE^_表示星歷誤差,表示星鐘誤差,穴是電離層、對流層 殘差和多路徑效應、熱噪聲的集合。
3. 根據權利要求1所述的一種空地協同的多星座衛星導航完好性多級監測方法,其特 征在于:所述步驟D中:所有共視衛星的偽距殘差方程為:
其中,Af/表示第i顆衛星的偽距殘差,
分別為由第i顆衛星到監測 站j的單位向量,
為用戶三維位置殘差和時鐘殘差,g為第i顆衛星到監測站j的偽 距殘差;
其中dt是濾波間隔,t是誤差相關時間,1和〖2是過程噪聲,AX^_是星歷、星鐘誤 差構成的狀態向量,是星歷、星鐘誤差的變化率; 則用戶校正偽距誤差可表述為:
其中是星歷、星鐘誤差的標準差,k(Pr)表示滿足一定置信度的分位數。
4. 根據權利要求1所述的一種空地協同的多星座衛星導航完好性多級監測方法,其特 征在于:所述步驟E中:對預定的空域和航路,第一級導航故障檢測可通過下面來完成: 對于預定空域或航路中的某一點,其位置與衛星連線的向量表示為《,丨,則衛星空間信 號距離誤差〇SISES:
將〇SISE與第一級檢測門限進行比較以判斷是否存在故障,第一級檢測門限為KT0麗E,若。SISE>KT0麗E則存在衛星故障,K 1與衛星故障的先驗概率有關; 若不存在故障,則對于監測站j的共視衛星偽距殘差方程,偽距殘差估計值可計算為:
將所有監測站的統計檢測信息進行融合,以計算全局統計檢測量
_中N為監 測站數目,當無故障時,該統計檢測量服從中心卡方分布;當存在故障時,該統計檢測量服 從非中心卡方分布,其自由度為
其中%為第j個監測站的共視衛星數目; 根據預先設置的虛警概率計算檢測門限:
其中Pfa為滿足特定連續性 要求的虛警概率,Kg為自由度,/;/(?)表示中心卡方分布的反函數; 將統計檢測量wg與門限Th8進行比較,若wTh8則表示存在故障,需要對故障衛星進 行識別和隔離。
5. 根據權利要求1所述的一種空地協同的多星座衛星導航完好性多級監測方法,其特 征在于:所述步驟G中:地面主控站對預設定的空域和航路進行衛星故障的二次檢測可通 過下面來完成: 對于空域和航路中的某一位置,所有監測到的共視衛星組成的位置方程可表述為:
誤差,C為對角矩陣,其對角線元素為共視衛星的量測誤差。
【文檔編號】G01S19/20GK104483678SQ201410736100
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月4日 優先權日:2014年12月4日
【發明者】劉楊, 薛瑞, 方堃 申請人:北京航空航天大學