[發明專利]一種用于衛星導航系統的接收機自主完好性監測方法

有效

• 申請號: 201010139557.5
• 申請日: 2010-04-01
• 公開（公告）號: CN101806903A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發明（設計）人: 張曉林;陳燦輝;霍航宇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S19/23
• 分類號: G01S19/23
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

技術領域

本發明屬于衛星導航領域，具體涉及一種用于衛星導航系統的基于多星故障檢測與排除 的接收機自主完好性監測方法。

背景技術

完好性是指當系統不能用于正常導航、定位，或系統誤差超限時，向用戶提供及時告警 的能力。在采用衛星導航定位系統時，完好性對很多應用來說很重要，而對航空航天來說是 關系重大的，因為用戶正在以高速航行，而且可能會很快偏離航路。由于通過衛星導航系統 自身的操作控制部分進行衛星故障監測時，告警時間比較長，通常在15分鐘到幾小時之內， 不能滿足航空導航需求，因此就需要在用戶端對衛星故障進行快速監測，即接收機自主完好 性監測(Receiver?Autonomous?Integrity?Monitoring，簡稱為RAIM)。RAIM是一種用來 提供系統信息測量可信度的技術，當系統性能超出指定的容差級時，它還能實時有效的給用 戶提供告警信息。目前關于RAIM的研究大多集中在單星故障的假設上，然而，在一些對完 好性要求特別苛刻的領域，如民用航空領域，這種單故障假設并不能滿足要求。特別是在全 球導航衛星系統(Global?Navigation?Satellite?System，簡稱為GNSS)蓬勃發展的今天， 采用多星座組合方式進行導航定位已成為一種必然的趨勢，此時，多顆衛星同時發生故障的 概率將會增大，尤其是兩顆衛星同時發生故障的概率將不能再被忽略，在進行RAIM方法研 究中應予以考慮。這里，對任意一種衛星導航系統，如美國的導航星測時與測距全球定位系 統(Navigation?Satellite?Timing?And?Ranging/Global?Positioning?System，簡稱為 GPS)、俄羅斯的全球導航衛星系統(GLObal?NAvigation?Satellite?System，簡稱為 GLONASS)、歐盟的伽利略(GALILEO)系統、中國的北斗二代衛星導航定位系統 (BeiDou-2，簡稱為BD2)等，簡稱為單系統；對任意兩種衛星導航系統的組合系統，簡 稱為雙系統；對任意三種衛星導航系統的組合系統，簡稱為三系統；對任意四種衛星導航系 統的組合系統，簡稱為四系統；對雙系統及其以上系統統稱為多星座衛星導航系統或組合星 座衛星導航系統，簡稱為多系統。

顯然，在應用中，僅僅檢測出故障是不夠的，還必須能夠快速進行故障排除，以使得操 作可以在不間斷的情況下繼續進行，這就要求接收機必須具有故障檢測與排除(Fault Detection?and?Exclusion，簡稱為FDE)功能，這也就是RAIM的兩個基本功能，即故障 檢測(Fault?Detection)與故障排除(Fault?Exclusion)。在衛星導航定位系統中，為了 滿足故障檢測功能，則至少需要有一個多余觀測量，即要在滿足定位解算所需最少觀測衛星 數的基礎上再增加一顆觀測衛星；而為了實現故障排除功能，則至少需要有兩個多余觀測量， 即要在滿足定位解算所需最少觀測衛星數的基礎上再增加兩顆觀測衛星。

故障檢測，就是計算出觀測衛星組合的定位誤差，并根據計算結果進行分析判斷，如果 計算出的位置誤差滿足規定要求，就認為所用衛星組合工作狀態正常無故障，而如果計算結 果超出規定的要求，就認為所用衛星組合中存在故障衛星。

故障排除，就是在故障檢測的基礎上，進一步對所用的觀測衛星組合進行分析判斷，排 除故障衛星以獲得無故障衛星的衛星組合。

在RAIM技術中，目前廣泛采用最小二乘殘差法和奇偶空間法。

最小二乘殘差法：在衛星導航定位系統中，線性化測量方程如下

y＝Hx+ε????????????????????????????(1)

式中，y表示實測偽距與偽距估計值之差，y∈Rⁿ，n為定位解算中的衛星個數，n為正 整數，其中R表示實數域；H表示用戶至導航衛星的方向余弦矩陣，也稱為設計矩陣， H∈R^n×m；m表示采用最小二乘法進行定位解算時的狀態量個數，有m＝3+sys，sys表示組合 星座衛星系統個數，在單系統中sys＝1、在雙系統中sys＝2、在三系統中sys＝3、在四系統 中sys＝4，根據目前星座建設發展狀況，暫時不會出現五系統及其以上的組合星座系統；x是 對先前位置和接收機鐘差的修正向量，x∈R^m，ε是偽距測量誤差矢量，ε∈Rⁿ。

其最小二乘解為：