一种GNSS终端自主故障诊断与排除方法技术

本发明专利技术公开了一种基于新息的GNSS终端自主故障诊断与排除方法，包括以下步骤：验前数据预处理；验前单星故障模式检验；验前双星故障模式检验；验前估计与整体检验；当整体检验通过时，进入验后处理环节，包括：验后数据预处理、验后单星故障模式检验、验后双星故障模式检验、验后估计与整体检验；否则，无需进行验后处理环节，而是按照常规RAIM

【技术实现步骤摘要】
一种GNSS终端自主故障诊断与排除方法


[0001]本专利技术涉及卫星导航定位
，具体涉及一种面向GNSS精密定位的终端自主故障诊断与排除方法。

技术介绍

[0002]在实际观测中，由于环境遮挡、多路径、干扰影响等各种各样的原因，GNSS(Global Navigation Satellite System)观测量不可避免的存在较大误差或者粗差，如果不能准确有效地识别出这些异常观测量，将导致定位结果存在较大的偏差，特别是对于低成本的消费级导航终端而言。因此一般来说，在定位解算过程中会设定某个门限值，若某颗卫星的残差值高于设定的门限值，则认为该测量值有问题，进而将其剔除使其不参与方程解算，该检测门限值通常是凭经验性设定。
[0003]同时，在完成定位方程解算后，一般会对残差进行整体检验，通常采用最小平方残差法进行检验。最小平方残差法是一种将残差平方加权和(Weighted Sum of Squares of Errors，WSSE)作为检测量的接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)算法，它通过检查残差平方加权和的值是否过大来判断各个观测量之间的一致性。若残差平方加权和大于设定的检验门限值，则这些测量值相互之间不一致，也即表明其中的某些测量值是错误的，或包含异常误差，当前解无效，还需要进行故障诊断与排除，即RAIM
‑
FDE(Fault Detection and Exclusion)。
[0004]一种常用的RAIM
‑
FDE方法是解分离法，其基本思想是假定n个观测数据中只有一颗卫星存在异常误差，将n(n≥5)个观测量分成n组，每一组不包含第i个观测量(i＝1,2,
…
,n)，然后对剔除第i个观测量后的观测组逐一进行定位解算和残差检验，共进行n次定位解算。如果存在异常误差的那颗卫星不参与解算，则整体检验通过，从而成功实现故障数据的甄别与排除。如果遍历完所有卫星都无法通过检验，则认为当前历元定位失败。这种解分离RAIM
‑
FDE方法的缺点是计算量很大，特别是对于多卫星系统联合定位而言，而且仅适用于一颗卫星发生故障的情况。对于低成本的消费级导航终端而言，受多路径、信号衰减等多种原因的影响，其观测量发生异常误差的概率显著变大，甚至多个观测量同时发生异常误差的情况也普遍存在，将导致RAIM
‑
FDE计算量和耗能更大且定位解算耗时更长以及RAIM
‑
FDE有效性大打折扣。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种在导航终端上实现GNSS精密定位的终端自主故障诊断与排除方法，用以提高GNSS终端，特别是低成本消费级导航终端的定位性能。
[0006]本公开提供的GNSS终端自主故障诊断与排除方法，包括以下步骤：
[0007]验前数据预处理，计算n颗卫星的n个伪距新息残差；
[0008]验前单星故障模式检验：对所述n个伪距新息残差值，每次从中剔除1个残差值，对余下的残差值组计算其标准差；对获取的系列标准差进行异常值检验，找出故障卫星，剔除
异常观测量；
[0009]验前双星故障模式检验：对剩余的m个伪距新息残差值，每次从中剔除2个残差值，对余下的残差值组计算其标准差；对获取的一系列标准差进行异常值检验，找出故障卫星，剔除异常观测量；
[0010]验前估计与整体检验：基于标记为正常的卫星伪距新息残差，估计用户的三维坐标和接收机钟差；然后，基于最小平方残差法对各卫星残差值的平方加权和进行整体检验；
[0011]当整体检验通过时，进入验后处理环节，包括：
[0012]基于验前估计步骤中得到的用户三维坐标，验后数据预处理：计算验后伪距新息残差；以及单星故障模式检验、双星故障模式检验、验后估计与整体检验；
[0013]否则，无需进行验后处理环节，按照RAIM
‑
FDE方法进行故障卫星的诊断与排除。
[0014]进一步地，所述验前或验后数据预处理的步骤，包括：
[0015]基于伪距观测量，分别计算卫星信号发射时刻的卫星坐标和卫星钟差；
[0016]计算电离层延迟误差和对流层延迟误差；
[0017]修正伪距群延迟偏差；
[0018]扣除包括接收机钟差在内的各类误差项。
[0019]进一步地，所述伪距新息残差按下式计算：
[0020][0021]式中，X
r，0
为用户概略坐标，为用户接收机概略钟差；SYS、s、r分别表示GNSS导航系统、卫星编号和接收机；i表示所接收信号的载波频点；P
sr,i
为接收机r关于卫星s在i频率上的伪距观测量(m)，即测码伪距；X
s
为卫星的坐标；c为真空中的光速；δt
s
为信号发射时刻的卫星钟差(s)；I
sr,i
为接收机r关于卫星s在i频率上的倾斜路径电离层延迟误差量(m)；T
rs
为对流层延迟误差量(m)；b
sP,i
为当前伪距观测量P的伪距群延迟偏差(m)；IFB
rs
为针对采用频分多址FDMA调制方式的GLONASS卫星系统的伪距频间偏差(m)。
[0022]进一步地，所述验前或验后单星故障模式检验的步骤，具体包括：
[0023]在验前或验后迭代估计的首次迭代过程中，对n个伪距新息残差值{v
s1
、v
s2
、
…
、v
sn
}，每次从中剔除第i(i＝1,2,
…
,n)个伪距残差值，得到n个长度为n
‑
1的伪距残差值组；
[0024]对所述n个残差值组逐一计算其标准差S
i
，得到n个新息残差标准差值{S1、S2、
…
、S
n
}；
[0025]遍历完所有卫星后，对新息残差标准差数值集合{S1、S2、
…
、S
n
}进行拉依达准则检验，即3σ准则检验来判别粗大误差，σ为上述数值集合{S1、S2、
…
、S
n
}的标准差，找出超出[
‑
3σ,3σ]范围之外的新息残差值对应的那颗卫星的观测量，并标记为异常观测量予以剔除，对通过检验的卫星观测量予以保留，并参与后续的验前或验后迭代估计中；
[0026]对新息残差标准差数值集合{S1、S2、
…
、S
n
}按从小到大进行排序，采用狄克逊统计检验准则，根据极差比双侧查验法来判别粗大误差，在给定显著性水平下找出存在异常新息残差值对应的那颗卫星的观测量，并标记为异常观测量予以剔除，对于通过检验的卫星观测量予以保留，并参与后续的验前或验后迭代估计中。
[0027]进一步地，所述验前或验本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GNSS终端自主故障诊断与排除方法，其特征在于，包括以下步骤：验前数据预处理，计算n颗卫星的n个伪距新息残差；验前单星故障模式检验：对所述n个伪距新息残差值，每次从中剔除1个残差值，对余下的残差值组计算其标准差；对获取的系列标准差进行异常值检验，找出故障卫星，剔除异常观测量；验前双星故障模式检验：对剩余的m个伪距新息残差值，每次从中剔除2个残差值，对余下的残差值组计算其标准差；对获取的一系列标准差进行异常值检验，找出故障卫星，剔除异常观测量；验前估计与整体检验：基于标记为正常的卫星伪距新息残差，估计用户的三维坐标和接收机钟差；然后，基于最小平方残差法对各卫星残差值的平方加权和进行整体检验；当整体检验通过时，进入验后处理环节，包括：基于验前估计步骤中得到的用户三维坐标，验后数据预处理：计算验后伪距新息残差；以及单星故障模式检验、双星故障模式检验、验后估计与整体检验；否则，无需进行验后处理环节，按照RAIM
‑
FDE方法进行故障卫星的诊断与排除。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述验前或验后数据预处理的步骤，包括：基于伪距观测量，分别计算卫星信号发射时刻的卫星坐标和卫星钟差；计算电离层延迟误差和对流层延迟误差；修正伪距群延迟偏差；扣除包括接收机钟差在内的各类误差项。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述伪距新息残差按下式计算：式中，X
r，0
为用户概略坐标，为用户接收机概略钟差；SYS、s、r分别表示GNSS导航系统、卫星编号和接收机；i表示所接收信号的载波频点；P
sr,i
为接收机r关于卫星s在i频率上的伪距观测量(m)，即测码伪距；X
s
为卫星的坐标；c为真空中的光速；δt
s
为信号发射时刻的卫星钟差(s)；I
sr,i
为接收机r关于卫星s在i频率上的倾斜路径电离层延迟误差量(m)；T
rs
为对流层延迟误差量(m)；b
sP,i
为当前伪距观测量P的伪距群延迟偏差(m)；IFB
rs
为针对采用频分多址FDMA调制方式的GLONASS卫星系统的伪距频间偏差(m)。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述验前或验后单星故障模式检验的步骤，具体包括：在验前或验后迭代估计的首次迭代过程中，对n个伪距新息残差值{v
s1
、v
s2
、
…
、v
sn
}，每次从中剔除第i(i＝1,2,
…
,n)个伪距残差值，得到n个长度为n
‑
1的伪距残差值组；对所述n个残差值组逐一计算其标准差S
i
，得到n个新息残差标准差值{S1、S2、
…
、S
n
}；遍历完所有卫星后，对新息残差标准差数值集合{S1、S2、
…
、S
n
}进行拉依达准则检验，即3σ准则检验来判别粗大误差，σ为上述数值集合{S1、S2、
…
、S
n
}的标准差，找出超出[
‑
3σ,3σ]范围之外的新息残差值对应的那颗卫星的观测量，并标记为异常观测量予以剔除，对通过检验的卫星观测量予以保留，并参与后续的验前或验后迭代估计中；对新息残差标准差数值集合{S1、S2、
…
、S
n
}按从小到大进行排序，采用狄克逊统计检验准则，根据极差比双侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪亮，李子申，王宁波，刘炳成，刘振耀，潘军道，袁洪，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：