一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法技术

一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法，包括(1)二次多项式拟合：设定拟合窗长N，对窗长内的钟差数据进行二次多项式拟合，求出一阶系数a1和二阶系数a2；(2)监测量计算：计算相邻时刻一阶系数a1的变化量Δa1和每隔N个历元的一阶系数a1变化量ΔNa1；(3)跳变虚警监测：在进入慢变监测前，利用跳变型故障的特征，将跳变型故障从慢变型故障中分离出来；(4)利用监测量对卫星钟差进行慢变监测；(5)输出完好性标志：无论哪一级的监测进行告警，均输出完好性标志。本发明专利技术方法提出导航卫星钟跳变型故障和慢变型故障的分离，可以确保在慢变故障监测中不受跳变型故障的干扰，即不会对跳变型故障产生告警。

A Satellite Autonomous Integrity Monitoring Method for Navigation Satellite Clock Slow Change Fault

A satellite autonomous integrity monitoring method for navigation satellite clock slowly varying faults includes: (1) quadratic polynomial fitting: setting the fitting window length N, fitting the clock difference data within the window length by quadratic polynomial, and calculating the first and second order coefficients a 1 and a2; (2) monitoring calculation: calculating the variation of the first order coefficients a 1 at the adjacent time and each The first-order coefficient A1 variation of N epochs N a1; (3) Jump false alarm monitoring: before entering the slow-change monitoring, the jump fault is separated from the slow-change fault by using the characteristics of the jump fault; (4) the satellite clock difference is slowly monitored by using the monitoring amount; (5) the output integrity sign: no matter which level of the monitoring is to be notified. Police, all output integrity signs. The method of the invention proposes the separation of the clock jump fault and the slow change fault of the navigation satellite, which can ensure that the slow change fault is not disturbed by the jump fault in the monitoring of the slow change fault, that is, no alarm is generated for the jump fault.

【技术实现步骤摘要】
一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法
本专利技术涉及一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法，属于卫星导航

技术介绍
随着GNSS的应用越来越广泛，用户对导航卫星完好性的需求也越来越高。卫星钟作为导航卫星的核心部件，其完好性服务性能是导航卫星完好性的重要组成部分。卫星钟的在轨故障有两种，分别是跳变型故障和慢变型故障。跳变型故障目前已经实现了在轨完好性监测，而慢变型故障由于故障潜伏期长且存在不够门限的跳变产生的慢变虚警等问题，存在一定的监测难度。目前，可以通过以下两种方法来进行导航卫星钟的完好性监测：方法1，接收机自主完好性监测(RAIM)；方法2，增强系统完好性监测；然而，上述方法存在如下问题：(1)方法1在进行完好性监测时，需要至少5颗星来检测故障，需要至少6颗星来识别并排除故障，对卫星星座构型有很高的要求，不能保证全球完好性监测的实施。(2)方法2地面监测站无法实时对所有导航卫星进行覆盖和监测，并且信号多次星地传输会显著影响告警时间，及时告警能力差，很难满足越来越严格的完好性需求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法，利用卫星钟差数据快速监测导航卫星钟的慢变故障，并且将跳变故障和慢变故障进行了分离，使其不会相互影响，实现了对慢变型故障的自主完好性监测。本专利技术的技术解决方案是：一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法，其特征在于步骤如下：(1)二次多项式拟合：设定拟合窗长N，对窗长内的钟差数据进行二次多项式拟合，求出一阶系数a1和二阶系数a2；卫星钟差通过如下二次多项式进行表述，即ΔT＝a0+a1t+a2t2/2其中，ΔT为钟差，单位为s；a0为时钟偏差，单位为s；a1为时钟漂移，单位为s/s；a2为漂移率，单位为s/s2；t为时间间隔，对一个拟合窗长N的钟差数据求其平均斜率，即求得该段钟差二次多项式的一阶系数a1项，再求a1的平均斜率即得到a2，若窗长N中钟差数据为ΔT1～ΔTN，记其平均斜率为a1,1，则有依次计算a1,2～a1,N，再求a1的平均斜率，即(2)监测量计算：计算相邻时刻一阶系数a1的变化量Δa1和每隔N个历元的一阶系数a1变化量ΔNa1；(3)跳变虚警监测：在进入慢变监测前，利用跳变型故障的特征，将跳变型故障从慢变型故障中分离出来；跳变型故障分为两种，分别是Jump型跳变和Step型跳变；Jump型跳变会引起a2、Δa1均超过各自门限，但是并不会使其连续超过门限；Step型跳变，Δa1会在故障起始时刻和当窗完全覆盖故障段的时刻发生对称性的跳变。利用跳变型故障的特征，将跳变型故障从慢变型故障中分离出来，具体为：若a2超过一次门限，则将标志ErrorJump置1，若在下一时刻未超过门限，则将标志ErrorJump送入慢变监测中；否则将标志置零；若Δa1超过一次门限，则将标志ErrorStep置1，并记录当前时刻i，若在下一时刻未超过门限，则将标志ErrorStep送入慢变监测中；否则将标志置零；若在i+N时刻且ErrorStep被置1时，Δa1超过门限，则将标志ErrorStep送入慢变监测中，否则将标志ErrorStep置零。(4)利用监测量对卫星钟差进行慢变监测；慢变监测分为两级，分别为第一级监测和第二级监测，数据依次进入两级监测中。所述第一级监测具体为：当钟差出现比较大的慢变故障时，即a2、Δa1同时超过其门限，进而触发第一级监测，并将标志LRampFlag置1；同时，连续监测LRampFlag三个历元，如果LRampFlag连续三个历元均为1，且没有跳变虚警标志，则告警并产生完好性标志，否则将LRampFlag标志置0；跳变虚警标志是指ErrorStep以及ErrorJump，没有跳变虚警标志是指不为1；所述第二级监测具体为：当钟差慢变速率减小至无法触发第一级告警，且没有完好性告警时，此时连续监测ΔNa1；若连续四历元ΔNa1超过其门限，且没有跳变虚警标志，则告警并产生完好性标志；如果此时跳变虚警标志存在，则继续监测；若连续N历元超过门限，且跳变虚警标志置零，此时告警并产生完好性标志。(5)输出完好性标志：无论哪一级的监测进行告警，均输出完好性标志。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术方法提出导航卫星钟跳变型故障和慢变型故障的分离，可以确保在慢变故障监测中不受跳变型故障的干扰，即不会对跳变型故障产生告警。(2)本专利技术方法提出导航卫星钟慢变型故障的在轨监测，并且通过对实测钟差数据的仿真，对于不同程度的慢变型故障(最低可以检测出0.04ns/s的卫星钟慢变故障)，整体告警时间在2s至11s之间，一定程度上满足了告警时间的需求。(3)本专利技术提出的监测方法简单可行，可以为导航卫星钟完好性服务提升提供保障。附图说明图1为本专利技术公开的跳变虚警监测逻辑；图2为本专利技术公开的慢变监测逻辑；图3为本专利技术慢变监测各级的告警区间；图4为本专利技术监测结果的告警时间(单位：秒)；图5、图6为本专利技术监测结果对两类跳变故障的监测结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述。为实现上述目的，本专利技术公开了一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法，如图1所示，步骤如下：(1)二次多项式拟合：设定拟合窗长N，对窗长内的钟差数据进行二次多项式拟合，求出一阶系数a1和二阶系数a2；卫星钟差通过如下二次多项式进行表述，即ΔT＝a0+a1t+a2t2/2其中，ΔT为钟差，单位为s；a0为时钟偏差，单位为s；a1为时钟漂移，单位为s/s；a2为漂移率，单位为s/s2；t为时间间隔，对一个拟合窗长N的钟差数据求其平均斜率，即求得该段钟差二次多项式的一阶系数a1项，再求a1的平均斜率即得到a2，若窗长N中钟差数据为ΔT1～ΔTN，记其平均斜率为a1,1，则有依次计算a1,2～a1,N，再求a1的平均斜率，即这样计算的a1及a2的主要目的是在于减小计算量，通过窗的滑动可以迅速对钟差异常进行反应。(2)监测量计算：计算相邻时刻一阶系数a1的变化量Δa1和每隔N个历元的一阶系数a1变化量ΔNa1。卫星钟差出现慢变时会使a1项出现阶跃现象，由于卫星钟在正常情况下a1项会随着温度变化进行慢变，直接监测a1项难度较大，而无论是否出现慢变故障，其始终会在一定的幅度内进行震荡，因而任意两个相邻时刻之间的Δa1变化量基本稳定，且能反映a1的变化。当钟差慢变速率较小时，随着窗每秒的推进可能无法触发告警，而经过N秒后a1已经完成了阶跃，此时当前时刻k的a1值与k-N时刻的a1值作差，记为ΔNa1，从而实现对a1阶跃的监测。(3)跳变虚警监测：如图1所示，在进入慢变监测前，利用跳变型故障的特征，将跳变型故障从慢变型故障中分离出来，将跳变的影响进行排除。跳变型故障分为两种，分别是Jump型跳变和Step型跳变；Jump型跳变是指卫星钟差在某一时刻跳变，在下一时刻或者很短几个时刻之后回到正常情况，其会引起a2、Δa1均超过各自门限，但是并不会使其连续超过门限；Step型跳变是指卫星钟差在某一时刻跳变，并在之后一直保持而没有回到正常状态，在这种情况中Δa1会在故障起始时刻和当窗完全覆盖故障段的时刻发生对称本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法，其特征在于步骤如下：(1)二次多项式拟合：设定拟合窗长N，对窗长内的钟差数据进行二次多项式拟合，求出一阶系数a1和二阶系数a2；(2)监测量计算：计算相邻时刻一阶系数a1的变化量Δa1和每隔N个历元的一阶系数a1变化量ΔNa1；(3)跳变虚警监测：在进入慢变监测前，利用跳变型故障的特征，将跳变型故障从慢变型故障中分离出来；(4)利用监测量对卫星钟差进行慢变监测；(5)输出完好性标志：无论哪一级的监测进行告警，均输出完好性标志。

【技术特征摘要】
1.一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法，其特征在于步骤如下：(1)二次多项式拟合：设定拟合窗长N，对窗长内的钟差数据进行二次多项式拟合，求出一阶系数a1和二阶系数a2；(2)监测量计算：计算相邻时刻一阶系数a1的变化量Δa1和每隔N个历元的一阶系数a1变化量ΔNa1；(3)跳变虚警监测：在进入慢变监测前，利用跳变型故障的特征，将跳变型故障从慢变型故障中分离出来；(4)利用监测量对卫星钟差进行慢变监测；(5)输出完好性标志：无论哪一级的监测进行告警，均输出完好性标志。2.根据权利要求1所述的一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法，其特征在于：步骤(1)所述的二次多项式拟合，通过以下方法实现：卫星钟差通过如下二次多项式进行表述，即ΔT＝a0+a1t+a2t2/2其中，ΔT为钟差，单位为s；a0为时钟偏差，单位为s；a1为时钟漂移，单位为s/s；a2为漂移率，单位为s/s2；t为时间间隔，对一个拟合窗长N的钟差数据求其平均斜率，即求得该段钟差二次多项式的一阶系数a1项，再求a1的平均斜率即得到a2，若窗长N中钟差数据为ΔT1～ΔTN，记其平均斜率为a1,1，则有依次计算a1,2～a1,N，再求a1的平均斜率，即3.根据权利要求1所述的一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法，其特征在于：步骤(3)所述的跳变型故障分为两种，分别是Jump型跳变和Step型跳变；Jump型跳变会引起a2、Δa1均超过各自门限，但是并不会使其连续超过门限；Step型跳变，Δa1会在故障起始时刻和当窗完全覆盖故障段的时刻发生对称性的跳变。4.根据权利要求3所述的一种导航卫星钟慢变故障的卫星自主完好性监测方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾亦哲，边朗，张立新，蒙艳松，刘文山，刘潇，
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