本發(fā)明實(shí)施例涉及衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域,尤其涉及一種可同時(shí)檢測(cè)和識(shí)別緩變故障和突變故障的完好性監(jiān)測(cè)方法和裝置。
背景技術(shù):
接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM)是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中的一項(xiàng)重要技術(shù),是保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的解算結(jié)果正確可用的前提。RAIM必須具有故障檢測(cè)和故障識(shí)別兩項(xiàng)功能,要能夠檢測(cè)到衛(wèi)星故障,并且在檢測(cè)到故障后,進(jìn)行故障識(shí)別,找出故障衛(wèi)星將其從導(dǎo)航定位解中排除。由于RAIM技術(shù)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要作用,RAIM故障檢測(cè)和識(shí)別方法是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,傳統(tǒng)的只考慮單一衛(wèi)星發(fā)生較大的突變故障的假設(shè)對(duì)一些特殊場(chǎng)合已不再適用,衛(wèi)星發(fā)生微小緩變故障或多顆衛(wèi)星同時(shí)故障的概率將不可被忽略,現(xiàn)目前,已有多解分離法、雙故障排除法和偽距一致性比較法可用于多星故障,也有累積歷元的奇偶矢量法可用于微小緩變故障。
多解分離法通過(guò)計(jì)算衛(wèi)星的全集和子集的保護(hù)水平,選擇產(chǎn)生最小的保護(hù)水平的衛(wèi)星組合來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算;雙故障排除法通過(guò)遍歷剔除兩顆衛(wèi)星后的衛(wèi)星組合的監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)量與門(mén)限進(jìn)行對(duì)比識(shí)別故障衛(wèi)星,僅針對(duì)雙星故障;偽距一致性比較法通過(guò)計(jì)算全部四顆衛(wèi)星的子集與門(mén)限值進(jìn)行比較來(lái)判斷故障衛(wèi)星;累積歷元的奇偶矢量法通過(guò)構(gòu)造多歷元的奇偶矢量累積檢測(cè)量,放大非中心化參數(shù)倍數(shù),以檢測(cè)微小緩變故障,但無(wú)法檢測(cè)突變故障。
針對(duì)高精度用戶對(duì)同時(shí)排除微小緩變故障、突變故障以及多星故障的需求,需要采用一種可同時(shí)檢測(cè)和識(shí)別這幾種故障的RAIM方法,從而能夠保證不管衛(wèi)星發(fā)生何種故障都可以保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位導(dǎo)航的可用性和可靠性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,本發(fā)明提供一種針對(duì)高精度用戶對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性和可靠性的需求,提供一種可檢測(cè)和識(shí)別微小緩變、突變和多星故障的RAIM新方法。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單,檢測(cè)識(shí)別率高,不僅可以檢測(cè)識(shí)別突變故障和多故障,對(duì)微小緩變故障也有很高的檢測(cè)識(shí)別率。
技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種可同時(shí)檢測(cè)識(shí)別多種故障的接收機(jī)自主完好性檢測(cè)方法,包括以下步驟:
步驟1,根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文獲取衛(wèi)星瞬時(shí)位置坐標(biāo),在結(jié)合用戶觀測(cè)文件數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)可見(jiàn)衛(wèi)星的仰角。
步驟2,根據(jù)步驟1得到的可見(jiàn)衛(wèi)星的仰角以及導(dǎo)航系統(tǒng)的鐘差轉(zhuǎn)換因子和衛(wèi)星遮蔽角確定觀測(cè)矩陣。
步驟3,對(duì)觀測(cè)矩陣進(jìn)行奇偶分解,得到與故障矢量相關(guān)的奇偶矢量,并與前幾個(gè)時(shí)刻的奇偶矢量累加得到多歷元累加奇偶矢量。
步驟4,先根據(jù)衛(wèi)星幾何布局對(duì)RAIM的可用性進(jìn)行計(jì)算,若RAIM算法可用,則根據(jù)殘差變化率的大小對(duì)奇偶矢量和多歷元累加奇偶矢量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算,得到加權(quán)后的新檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,并與誤警率相關(guān)的門(mén)限值進(jìn)行對(duì)比,得出故障檢測(cè)的結(jié)果。
步驟5,若檢測(cè)到故障,根據(jù)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)對(duì)可能的故障個(gè)數(shù)進(jìn)行假設(shè),得到可能的故障模式,采用極大似然準(zhǔn)則方法在每個(gè)故障模式中進(jìn)行故障識(shí)別并排除故障衛(wèi)星。
步驟6,利用剩下的健康衛(wèi)星進(jìn)行定位導(dǎo)航。
所述步驟1中計(jì)算每個(gè)可見(jiàn)衛(wèi)星的仰角的方法:首先根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文計(jì)算衛(wèi)星軌道運(yùn)行參數(shù),根據(jù)軌道參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星的瞬時(shí)位置坐標(biāo),結(jié)合用戶觀測(cè)文件數(shù)據(jù)計(jì)算用戶的近似位置,則由用戶位置和衛(wèi)星位置可計(jì)算每個(gè)可見(jiàn)衛(wèi)星的仰角和方位角。
所述步驟2中確定觀測(cè)矩陣的方法:根據(jù)所給定的衛(wèi)星遮蔽角,排除仰角低于遮蔽角的衛(wèi)星,并根據(jù)導(dǎo)航電文中的各系統(tǒng)的時(shí)間轉(zhuǎn)換因子和接收機(jī)偽距測(cè)量值,計(jì)算出只包含一個(gè)接收機(jī)鐘差項(xiàng)的觀測(cè)矩陣。
所述步驟3中求得奇偶矢量和多歷元累加奇偶矢量的方法包括以下步驟;
步驟31,對(duì)觀測(cè)矩陣G進(jìn)行奇偶分解;
QR=G
G表示觀測(cè)矩陣,Q表示觀測(cè)矩陣分解后的正交矩陣,R表示分解的上三角矩陣。
步驟32,分解后的正交矩陣Q取其后(n-4-m)行且令其為Qp;
Qp=Q(n-4-m:n,:)
n表示G矩陣行數(shù),m表示組合導(dǎo)航系統(tǒng)個(gè)數(shù),雙系統(tǒng)為一,三系統(tǒng)為二。
步驟33,考慮偽距觀測(cè)誤差ε,則奇偶矢量p;
p=Qpε
步驟34,多歷元累加奇偶矢量:
其中,N為正交矩陣Q不發(fā)生變化時(shí)的累加歷元個(gè)數(shù)。
正交矩陣Q不發(fā)生變化時(shí)的累加歷元個(gè)數(shù)最大不超過(guò)10。
所述步驟4中得出故障檢測(cè)的結(jié)果的方法,包括以下步驟:
步驟41,RAIM的可用性可由平面精度衰減因子的變化量δHDOPi、非中心化參數(shù)λ和等效測(cè)距誤差決定;
HPL表示水平保護(hù)水平,δHDOPi表示平面精度衰減因子的變化量,λ表示非中心化參數(shù),σ0表示等效測(cè)距誤差。
步驟42,若HPL<HAL,則表示RAIM可用,可繼續(xù)進(jìn)行下面的步驟,否則RAIM不可用;HAL表示水平保護(hù)限值,HPL表示水平保護(hù)水平。
步驟43,根據(jù)奇偶矢量p和多歷元累加奇偶矢量P分別得到奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σp和累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σN;
奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σp;
σp=pTp
累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σN;
σN=PTP
步驟43,奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σp和累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σN均為相同的檢測(cè)門(mén)限T,其由誤警率Pfa確定:
σ0表示等效測(cè)距誤差,n表示可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù);
且奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σp和累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σN的加權(quán)因子之和為1,其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ可表示為式(11):
σ=λ1σp+λ2σN
步驟44,加權(quán)因子λ1和λ2由殘差變化率的大小決定,殘差變化率根據(jù)奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σp和累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σN的變化大小確定
σp表示奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,σN表示累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。
所述步驟5中進(jìn)行故障識(shí)別并排除故障衛(wèi)星的方法,包括以下步驟:
步驟51,若檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ超過(guò)門(mén)限值T,則說(shuō)明存在故障衛(wèi)星,可用奇偶矢量的故障識(shí)別檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量ri和累積奇偶矢量的故障識(shí)別檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Ri與識(shí)別門(mén)限Tr對(duì)比來(lái)識(shí)別故障;
步驟52,排除ri>Tr或Ri>Tr的第i顆衛(wèi)星后,若系統(tǒng)檢測(cè)無(wú)故障,則進(jìn)行步驟六,否則,繼續(xù)進(jìn)行多故障的識(shí)別。
步驟53,根據(jù)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)n對(duì)可能的故障個(gè)數(shù)nfault進(jìn)行假設(shè);
nfault=round((n-8)/8)
nfault表示故障個(gè)數(shù),n表示可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)。
步驟54,由故障個(gè)數(shù)nfault可得出雙星故障及以上的故障假設(shè)模式,共有K個(gè)故障模式;
步驟55,每個(gè)故障模式即為去除某兩顆星后的可見(jiàn)衛(wèi)星組合,計(jì)算第k個(gè)故障檢測(cè)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σk進(jìn)行計(jì)算,采用極大似然準(zhǔn)則方法在每個(gè)故障模式中進(jìn)行故障識(shí)別,并將識(shí)別出的故障衛(wèi)星排除;若檢測(cè)出無(wú)故障,即:
σk<Tk時(shí),獲取檢測(cè)出無(wú)故障的故障模式k即為隔離了故障衛(wèi)星的故障模式。
所述步驟6中利用剩下的健康衛(wèi)星進(jìn)行定位導(dǎo)航大方法:使用排除故障衛(wèi)星后的健康衛(wèi)星集合,采用最小二乘迭代迭代的方法實(shí)現(xiàn)用戶的三維位置坐標(biāo)及鐘差的求解。
有益效果:本發(fā)明提供的一種可同時(shí)檢測(cè)識(shí)別多種故障的接收機(jī)自主完好性檢測(cè)方法,其優(yōu)點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面:
1.通過(guò)多歷元累積奇偶矢量構(gòu)造了檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,可對(duì)微小緩變進(jìn)行檢測(cè)。
2.構(gòu)造了單歷元和多歷元累積的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的加權(quán)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,克服了多歷元時(shí)對(duì)突變故障不敏感的缺點(diǎn),可以同時(shí)對(duì)緩變和突變故障進(jìn)行檢測(cè)。
3.在故障識(shí)別時(shí),克服了極大似然方法無(wú)法識(shí)別多故障的缺點(diǎn),采用了故障模式假設(shè)的方法,提高了對(duì)多故障的識(shí)別率
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的RAIM方法流程圖;
圖2是突變故障檢測(cè)過(guò)程;
圖3是微小緩變故障檢測(cè)過(guò)程;
圖4是雙故障的故障識(shí)別率。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例,進(jìn)一步闡明本發(fā)明,應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍,在閱讀了本發(fā)明之后,本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
本發(fā)明提供一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)方法,是一種可檢測(cè)和識(shí)別微小緩變、突變和多星故障的RAIM新方法,所屬方法流程圖如圖1所示,包括以下步驟:
步驟一:獲取衛(wèi)星瞬時(shí)位置坐標(biāo)。
在某一觀測(cè)歷元,根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文計(jì)算衛(wèi)星軌道運(yùn)行參數(shù),根據(jù)軌道參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星的瞬時(shí)位置坐標(biāo),結(jié)合用戶觀測(cè)文件數(shù)據(jù)計(jì)算用戶的近似位置,則由用戶位置和衛(wèi)星位置可計(jì)算每個(gè)可見(jiàn)衛(wèi)星的仰角和方位角。
步驟二:獲取觀測(cè)矩陣。
給定的衛(wèi)星遮蔽角為10°,排除仰角低于10°的衛(wèi)星,根據(jù)導(dǎo)航電文中的各系統(tǒng)的時(shí)間轉(zhuǎn)換因子和接收機(jī)偽距測(cè)量值,計(jì)算出只包含一個(gè)接收機(jī)鐘差項(xiàng)的觀測(cè)矩陣G。
步驟三:對(duì)觀測(cè)矩陣進(jìn)行奇偶分解,求得奇偶矢量和多歷元累加奇偶矢量。
對(duì)觀測(cè)矩陣G進(jìn)行奇偶分解:
QR=G (3)
G表示觀測(cè)矩陣,Q表示觀測(cè)矩陣分解后的正交矩陣,R表示分解的上三角矩陣。
分解后的正交矩陣Q取其后(n-4-m)行令為Qp:
Qp=Q(n-4-m:n,:) (4)
n表示G矩陣的行數(shù),m表示組合導(dǎo)航系統(tǒng)個(gè)數(shù),雙系統(tǒng)為一,三系統(tǒng)為二。
考慮偽距觀測(cè)誤差ε,則奇偶矢量p:
p=Qpε (5)
多歷元累加奇偶矢量:
其中N為Q不發(fā)生變化時(shí)的累加歷元個(gè)數(shù),最大不超過(guò)10。
步驟四:若RAIM可用,根據(jù)殘差變化率的大小對(duì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行加權(quán),得到加權(quán)累加奇偶矢量并對(duì)微小緩變故障和突變故障進(jìn)行故障檢測(cè)。
當(dāng)前歷元的HPL可由平面精度衰減因子的變化量δHDOPi、非中心化參數(shù)λ和等效測(cè)距誤差決定。
而RAIM的可用性可由水平保護(hù)水平HPL與水平保護(hù)限值HAL比較得到。
若HPL<HAL,則表示RAIM可用,可繼續(xù)進(jìn)行下面的步驟,否則RAIM不可用。
奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σp:
σp=pTp (8)
累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σN:
σN=PTP (9)
二者的檢測(cè)門(mén)限T相同,均由誤警率Pfa確定:
σ0表示等效測(cè)距誤差,n表示可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)。
那么,其加權(quán)因子之和為1,其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ可表示為式(11):
σ=λ1σp+λ2σN (11)
加權(quán)因子λ1和λ2由殘差變化率的大小決定,殘差變化率根據(jù)奇偶矢量與累加奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的變化大小確定。
步驟五:若檢測(cè)到故障,根據(jù)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)對(duì)可能的故障個(gè)數(shù)進(jìn)行假設(shè),得到可能的故障模式,進(jìn)行故障識(shí)別并排除故障衛(wèi)星。
1),若檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ大于門(mén)限T,表示系統(tǒng)中存在故障衛(wèi)星,可用奇偶矢量的故障識(shí)別檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量ri和累積奇偶矢量的故障識(shí)別檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Ri與識(shí)別門(mén)限Tr對(duì)比來(lái)識(shí)別故障。
2),排除ri>Tr的第i顆衛(wèi)星后,若系統(tǒng)檢測(cè)無(wú)故障,則進(jìn)行步驟六,否則,繼續(xù)進(jìn)行多故障的識(shí)別。
3),根據(jù)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)n對(duì)可能的故障個(gè)數(shù)nfault進(jìn)行假設(shè):
nfault=round((n-8)/8) (15)
4),由nfault可得出雙星故障及以上的故障假設(shè)模式,共有K個(gè)故障模式:
5),每個(gè)故障模式即為去除某兩顆星后的可見(jiàn)衛(wèi)星組合,在每個(gè)故障模式中對(duì)第k個(gè)故障檢測(cè)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σk進(jìn)行計(jì)算,采用極大似然準(zhǔn)則方法在每個(gè)故障模式中進(jìn)行故障識(shí)別,并將識(shí)別出的故障衛(wèi)星排除;若檢測(cè)出無(wú)故障,即:
σk<Tk時(shí),獲取檢測(cè)出無(wú)故障的故障模式k即為隔離了故障衛(wèi)星的故障模式。
步驟六:利用剩下的健康衛(wèi)星進(jìn)行定位導(dǎo)航。
經(jīng)過(guò)故障檢測(cè)與排除后,可以用最小二乘迭代如式(17),進(jìn)行用戶三維位置和鐘差的解算。
為了驗(yàn)證發(fā)明所提出的RAIM方法的正確性和有效性,采用該方法進(jìn)行matlab仿真驗(yàn)證。圖2為算法在人為的給任意一顆衛(wèi)星偽距加入10m的突變故障時(shí)的檢測(cè)效果,圖3為人為的給任意一顆衛(wèi)星偽距加入4m的微小緩變故障時(shí)的檢測(cè)效果,圖4為雙故障時(shí)的故障識(shí)別率。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾,這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。