一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法技术

本发明专利技术公开了一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，所述方法适用于多星座卫星导航完好性监测，该方法通过地面监测站接收导航观测量，对卫星空间信号的星历误差和星钟误差进行估计和监测，对区域内的航路进行卫星导航自主完好性监测的可用性预测，并将结果播发至飞机。机载导航设备利用地面广播的先验信息，检测其接收到的导航卫星是否存在故障，以确保飞行的导航完好性。本发明专利技术相比传统的RAIM检测方法，可以提高卫星故障的检测概率，可满足更低的虚警概率和漏检概率要求，以提高导航连续性和可用性。通过多星座联合完好性监测，本发明专利技术可获得更高的导航可用性。可获得更好的导航可靠性，最小检测偏差引起的定位误差性能分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空导航自主完好性监测领域，具体涉及一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法。
技术介绍
近年以来，航空导航对完好性监测的需求日益增强。机载系统不仅要接收导航观测量，同时还需要鉴别所接收到的导航观测量是否能满足高安全性的定位需求。传统的导航自主完好性监测方法能够满足民用航空在航路和终端区非精密进近的完好性要求，但是仍然具有如下两方面的局限性：首先，传统的导航自主完好性监测方法主要针对单一导航系统，当导航卫星可见性下降或导航卫星几何特性不够理想的情况下，传统的导航自主完好性监测方法无法实现高效的卫星故障检测，因而也无法保障导航完好性；其次，由于性能有限，传统的导航自主完好性监测方法无法满足APV、LPV200等飞行阶段对完好性的需求。随着全球导航卫星系统的发展，多星座导航成为提高导航性能的一种有效解决途径。在此情况下，如何对多星座导航进行完好性监测、以满足APV、LPV200等飞行阶段的完好性需求，并进一步提高导航可用性，成为一个亟待突破的技术难题。卫星空间信号故障是导航故障的主要来源之一，卫星故障的检测是导航自主完好性监测的核心。传统的卫星导航自主完好性监测方法(RAIM)通过建立导航量测量估计误差的统计检测模型来实现对卫星故障的检测，该方法的性能受飞机运行环境和机载设备计算能力的影响，在没有卫星状态先验信息的参考下，该方法无法满足较高的完好性需求。虽然研究人员先后提出了地面完好性通道(GIC)和星基增强系统(SBAS)以增强完好性，但这些方法都需要部署较多的地面站，系统复杂、耗资巨大。因此，设计并实现高性能、低成本、自主、灵活的多星座导航自主完好性监测方法是本领域研究人员致力解决的难点之一。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，通过地面监测站接收导航观测量，对卫星空间信号的星历误差和星钟误差进行估计和监测，对区域内的航路进行卫星导航自主完好性监测的可用性预测，并将结果 播发至飞机。机载导航设备利用地面广播的先验信息，检测其接收到的导航卫星是否存在故障。该方法提高了导航故障的检测概率，有效保障了导航完好性。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，所述方法适用于多星座卫星导航完好性监测，其特征在于通过地面监测站接收导航观测量，对卫星空间信号的星历误差和星钟误差进行估计和监测，对区域内的航路进行卫星导航自主完好性监测的可用性预测，并将结果播发至飞机。机载导航设备利用地面广播的先验信息，检测其接收到的导航卫星是否存在故障，以确保飞行的导航完好性。所述方法包括如下步骤：A、每个地面监测站接收卫星的导航观测量，并消除电离层、对流层传播误差，计算得到可见卫星的伪距残差；B、每个地面监测站通过航空通信网向地面主控站广播其可见卫星的伪距残差信息；C、地面主控站根据监测站播发的伪距残差信息，计算所有监测站的共视卫星；D、地面主控站建立所有监测站共识卫星的星历、星钟误差估计方程，并在此基础上计算卫星空间信号测距误差；E、地面主控站根据计算得到的卫星空间信号测距误差，对预设定的空域和航路进行第一级导航故障检测；F、若检测到故障，则将故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；G、地面主控站对预设定的空域和航路进行卫星导航自主完好性监测可用性预测，并将预测结果与运行完好性要求进行比较，完成第二级导航故障检测；H、若不满足运行完好性要求，则对故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；I、地面主控站将第一级和第二级故障检测结果和受影响区域信息播发至飞机；J、飞机的机载导航设备根据地面主控站的监测信息，对监测站共视卫星和所有可见卫星组合进行自主完好性监测的可靠性进行分析；K、机载导航设备对飞机所有可见卫星进行第三级故障检测；L、若检测到故障，则对故障卫星进行隔离；M、机载导航设备计算所有正常卫星构成定位方程的保护级，并将其与告警限进行比较，以确保飞行的导航完好性。所述步骤A中：消除传播误差后，第j颗卫星的伪距残差可表述为：其中△Ej表示星历误差，Bj表示星钟误差，是电离层、对流层残差和多路径效应、热噪声的集合。所述步骤D中：所有共视卫星的伪距残差方程为：其中，表示第i颗卫星的伪距残差，eixjeiyjeizj1]]>分别为由第i颗卫星到监测站j的单位向量，ΔxjΔyjΔzjΔBj]]>为用户三维位置残差和时钟残差，为第i颗卫星到监测站j的伪距残差；令H=e1xje1yje1zj1e2xje2yje2zj1MMMMe1ijeiyjeizj1,Xj=ΔxjΔyjΔzjΔBj,]]>星历、星钟误差可由下面的式子求得：其中P＝C-1为加权矩阵，C为对角矩阵，其对角线元素为共视卫星的量测误差。星历、星钟误差的状态方程可建模为如下形式：其中dt是滤波间隔，t是误差相关时间，ξ1和ξ2是过程噪声，△Xj是星历、星钟误差构成的状态向量，是星历、星钟误差的变化率，则用户校正伪距误差可表述为：其中是星历、星钟误差的标准差，κ(Pr)表示满足一定置信度的分位数。所述步骤E中：对预定的空域和航路，第一级导航故障检测可通过下面来完成：对于预定空域或航路中的某一点，其位置与卫星连线的向量表示为则卫星空间信号距离误差σSISE为：将σSISE与第一级检测门限进行比较以判断是否存在故障。第一级检测门限为κTσUDRE，若σSISE≥κTσUDRE则检测到卫星故障。κT与卫星故障的先验概率有关。若没有检测到故障，则对每个监测站的共视卫星伪距残差方程，计算伪距残差估计值 通常情况下该估计值服从高斯分布。计算每个监测站的局部统计检测量：将所有监测站的统计检测信息进行融合，以计算全局统计检测量其中N为监测站数目。当无故障时，该统计检测量服从中心卡方分布；当存在故障时，该统计检测量服从非中心卡方分布。其自由度为其中κm为第m个监测站的共视卫星数目。根据预先设置的虚警概率计算检测门限：其中Pfa为满足特定连续性要求的虚警概率，κg为自由度，表示中心卡方分布的反函数。将统计检测量wg与门限Thg进行比较，若wg≥Thg则表示检测到故障，需要对故障卫星进行识别和隔离；所述步骤G中：地面主控站对预设定的空域和航路进行卫星故障的二次检测可通过下面来完成：对于空域和航路中的某一位置，所有监测到的共视卫星组成的位置方程可表述为：X^=(HTPH)-1HTPYj,]]>则伪距量测残差可计算为：Δy=Yj-HX^=(I-H(HTPH)-1HT)Yj.]]>由伪距量测残差引起的位置误差可表述为：对于第j颗共视卫星， 水平保护级(HPL)和垂直保护级(VPL)可表述为：HPL=maxi{Δx^i(1,1)2+Δx^i(2,2)2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在于步骤如下：A、每个地面监测站接收卫星的导航观测量，并消除电离层、对流层传播误差，计算得到可见卫星的伪距残差；B、每个地面监测站通过航空通信网向地面主控站广播其可见卫星的伪距残差信息；C、地面主控站根据监测站播发的伪距残差信息，计算所有监测站的共视卫星；D、地面主控站建立所有监测站共识卫星的星历、星钟误差估计方程，并在此基础上计算卫星空间信号测距误差；E、地面主控站根据计算得到的卫星空间信号测距误差，对预设定的空域和航路进行第一级导航故障检测；F、若检测到故障，则将故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；G、地面主控站对预设定的空域和航路进行卫星导航自主完好性监测可用性预测，并将预测结果与运行完好性要求进行比较，完成第二级导航故障检测；H、若不满足运行完好性要求，则对故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；I、地面主控站将第一级和第二级故障检测结果和受影响区域信息播发至飞机；J、飞机的机载导航设备根据地面主控站的监测信息，对监测站共视卫星和所有可见卫星组合进行自主完好性监测的可靠性进行分析；K、机载导航设备对飞机所有可见卫星进行第三级故障检测；L、若检测到故障，则对故障卫星进行隔离；M、机载导航设备计算所有正常卫星构成定位方程的保护级，并将其与告警限进行比较，以确保飞行的导航完好性。...

【技术特征摘要】
1.一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在于步骤如下：
A、每个地面监测站接收卫星的导航观测量，并消除电离层、对流层传播误差，计算得
到可见卫星的伪距残差；
B、每个地面监测站通过航空通信网向地面主控站广播其可见卫星的伪距残差信息；
C、地面主控站根据监测站播发的伪距残差信息，计算所有监测站的共视卫星；
D、地面主控站建立所有监测站共识卫星的星历、星钟误差估计方程，并在此基础上计
算卫星空间信号测距误差；
E、地面主控站根据计算得到的卫星空间信号测距误差，对预设定的空域和航路进行第
一级导航故障检测；
F、若检测到故障，则将故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；
G、地面主控站对预设定的空域和航路进行卫星导航自主完好性监测可用性预测，并将
预测结果与运行完好性要求进行比较，完成第二级导航故障检测；
H、若不满足运行完好性要求，则对故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；
I、地面主控站将第一级和第二级故障检测结果和受影响区域信息播发至飞机；
J、飞机的机载导航设备根据地面主控站的监测信息，对监测站共视卫星和所有可见卫
星组合进行自主完好性监测的可靠性进行分析；
K、机载导航设备对飞机所有可见卫星进行第三级故障检测；
L、若检测到故障，则对故障卫星进行隔离；
M、机载导航设备计算所有正常卫星构成定位方程的保护级，并将其与告警限进行比较，
以确保飞行的导航完好性。
2.根据权利要求1所述的空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特征在
于：所述步骤A中：消除传播误差后，第j颗卫星的伪距残差可表述为：
其中ΔEj表示星历误差，Bj表示星钟误差，是电离层、对流层
残差和多路径效应、热噪声的集合。
3.根据权利要求1所述的一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，其特
征在于：所述步骤D中：所有共视卫星的伪距残差方程为：
Δρ~j=Δρ~1jΔρ~2j...Δρ~ij=e1xje1yje1zj1e2xje2yje2zj1............eixjeiyjeizj1ΔxjΔyjΔzjΔBj+v~1jv~2j...v~ij,]]>其中，表示第i颗卫星的伪距残差，eixjeiyjeizj1]]>分别为由第i颗卫星到监测站j
的单位向量，ΔxjΔyjΔzjΔBj]]>为用户三维位置残差和时钟残差，为第i颗卫星到监测站j的伪距残
差；
令H=e1xje1yje1zj1e2xje2yje2zj1............eixjeiyjeizj1,]]>Xj=ΔxjΔyjΔzjΔBj,]]>Yj=Δρ~1jΔρ~2j...Δρ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杨，薛瑞，方堃，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11