一种低轨导航增强辅助的GNSS自主完好性监测方法

本发明涉及卫星导航的完好性监测，特别是涉及一种低轨导航增强辅助的gnss自主完好性监测方法。

背景技术：

1、完好性指的是系统在出现故障导致定位超过某阈值或不适合于导航对用户及时告警的能力，与精度、连续性和可用性并称为全球导航卫星系统的四种导航服务性能指标。在各种异常测量数据所导致的错误定位，完好性监测的目的是监测并剔除异常数据使得定位正确率保证在一定的范围内。特别是在航天领域，以及现在的智能驾驶领域，在发生故障的情况下，能否识别和排除故障，使其对飞行抑或行驶造成的影响减小到最小，需要解决的问题是判断是否监测到故障进一步在对应的领域进行故障后处理，保障飞行和行驶的安全。接收机自主完好性监测(raim)算法实现位于每个用户接收机上，包含了多路径和当地电磁干扰的具体情况，能够更好地保证用户对告警时间的准确把握和提高当地特定情况的告警准确度。现有的北斗星座raim算法在cat i的精度要求下(水平告警值40m，垂直告警值10m)全球可用性水平均值可达到30％左右，中国科学院研究北斗和低轨增强融合来提高完好性可用性水平，南京航天航空大学发明一种用于城市复杂环境下gnss完好性监测方法，将gnss划分成四星子集进行完好性分析，解决了城市复杂环境干扰和非高斯噪声干扰的问题，但同时严格规定可见卫星数为4，降低了精度，导致可用性水平和故障监测能力降低。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高卫星自主完好性监测精度和可用性水平的一种低轨导航增强辅助的gnss自主完好性监测方法。

2、一种低轨导航增强辅助的gnss自主完好性监测方法，所述方法包括：

3、根据gnss中高轨卫星的星历参数数据获取地面观测站观测范围内的gnss中高轨卫星的位置坐标。

4、计算gnss中高轨卫星的位置坐标与低轨卫星的位置坐标的夹角，根据夹角与预设的告警夹角阈值的比对结果，剔除gnss的局部卫星，得到可见卫星群。

5、根据可见卫星群构建伪距观测模型，通过伪距观测模型获取伪距残差向量。

6、计算伪距残差向量在预设的告警概率条件下的卡方非中心化参数，根据卡方非中心化参数获取可见卫星群的特征斜率。

7、根据特征斜率与卡方非中心化参数进行raim可用性判定，对raim可用性的判定结果进行故障探测，得到完好性监测结果。

8、在其中一个实施例中，还包括：根据gnss中高轨卫星的星历参数数据获取地面观测站观测范围内的所述gnss中高轨卫星在地心地固坐标系下的位置坐标：

9、xk＝xk′cosωk-yk′cosiksinωk

10、yk＝xk′sinωk-yk′cosikcosωk

11、zk＝yk′sinik

12、其中，(xk,yk,zk)为wgs-84地心地固指教坐标系(xt,yt,zt)中的位置坐标，ωk为升交点赤经，k为gnss中高轨卫星的编号。

13、在其中一个实施例中，还包括：通过stk软件获取低轨卫星星座的仿真数据或者搭载导航载荷的实测数据，输出地心地固坐标系下的低轨卫星的位置坐标。

14、在其中一个实施例中，还包括：计算gnss中高轨卫星的位置坐标与低轨卫星的位置坐标的夹角：

15、

16、其中，si＝(xi，yi，zi)为gnss中高轨卫星在地心地固坐标系下的位置坐标，sj＝(xj，yj，zj)为低轨卫星在地心地固坐标系下的位置坐标，α为gnss中高轨卫星的位置坐标与低轨卫星的位置坐标的夹角。比对夹角与预设的告警夹角阈值获取比对结果：

17、lr＝bool(α≤αalarm)

18、其中，lr为比对结果，αalarm为预设的告警夹角阈值。若比对结果为1，则剔除当前时刻夹角对应的卫星，剩余低轨卫星群作为完好性监测的数据样本，得到可见卫星群。若比对结果为0，则保留当前时刻夹角对应的卫星，并将当前时刻夹角对应的卫星的参考数据加入低轨卫星群进行完好性监测，得到可见卫星群。

19、在其中一个实施例中，还包括：根据可见卫星群获取的参考数据构建伪距观测模型：

20、y＝hx+ε

21、其中，y为n×1伪距观测向量，h为n×4的gnss中高轨卫星与部分低轨卫星的观测矩阵，x为4×1待估计状态向量，ε为n×1伪距观测噪声向量，ε～n(0,d)，d为观测噪声的协方差矩阵，n为可见卫星群的卫星数量。通过伪距观测模型对待估计状态向量进行加权最小二乘估计求解，获取伪距残差向量：

22、

23、

24、其中，v为伪距残差向量，in为n×n的单位矩阵，h为n×4的观测矩阵，ε为n×1伪距观测噪声向量，w为权重，p＝(htwh)-1htw。

25、在其中一个实施例中，还包括：计算伪距残差向量在预设的告警概率条件下的卡方非中心化参数：

26、

27、其中，pfa为虚警概率，pmd为漏警概率，λ为卡方非中心化参数，td为检验门限值，为伪距残差向量在故障模式下，服从自由度为(n-4)的非中心卡方分布函数。根据卡方非中心化参数与伪距残差向量获取可见卫星群的特征斜率：

28、

29、其中，hslopei为第i颗卫星的水平特征斜率，vslopei为第i颗卫星的垂直特征斜率，p1i为p矩阵中第一行第i列元素，sii为第i颗卫星的幂等矩阵，σi为第i颗卫星的观测误差。告警概率包括：虚警概率与漏警概率。

30、在其中一个实施例中，还包括：根据特征斜率与卡方非中心化参数进行raim可用性判定：

31、

32、其中，nsat为当前时刻的可见卫星群的卫星数量，nreq为当前时刻的raim需求的卫星数量，plt为当前时刻的最大不可检测定位误差，al为告警限值，tstep为时间步长，avaraim为在任一时间段[t1，t2]内的raim可用性。对raim可用性的判定结果进行故障探测：

33、

34、其中，td为可见卫星群的检验门限值，n为可见卫星群的卫星数量，σt为单位权中阈值，σ为伪距残差向量的检验后单位权中误差，σ0为观测误差，sse＝εtsε为残差平方和，s为幂等矩阵，ε为伪距观测噪声向量。

35、当σ＞σt时，则导航系统出现故障，根据可见卫星群的伪距残差进行故障识别，得到完好性监测结果：

36、

37、其中，di为完好性监测结果，vi为第i颗卫星的伪距残差，sii为第i颗卫星的幂等矩阵。

38、一种低轨导航增强辅助的gnss自主完好性监测系统，所述系统包括：

39、中高轨卫星位置坐标获取模块，用于根据gnss中高轨卫星的星历参数数据获取地面观测站观测范围内的gnss中高轨卫星的位置坐标。

40、可见卫星群获取模块，用于计算gnss中高轨卫星的位置坐标与低轨卫星的位置坐标的夹角，根据夹角与预设的告警夹角阈值的比对结果，剔除gnss的局部卫星，得到可见卫星群。

41、残差向量获取模块，用于根据可见卫星群构建伪距观测模型，通过伪距观测模型获取伪距残差向量。

42、特征斜率计算模块，用于计算伪距残差向量在预设的告警概率条件下的卡方非中心化参数，根据卡方非中心化参数获取可见卫星群的特征斜率。

43、完好性监测模块，用于根据特征斜率与卡方非中心化参数进行raim可用性判定，对raim可用性的判定结果进行故障探测，得到完好性监测结果。

44、在其中一个实施例中，可见卫星群获取模块，还用于计算gnss中高轨卫星的位置坐标与低轨卫星的位置坐标的夹角：

45、

46、其中，si＝(xi，yi，zi)为gnss中高轨卫星在地心地固坐标系下的位置坐标，sj＝(xj，yj，zj)为低轨卫星在地心地固坐标系下的位置坐标，α为gnss中高轨卫星的位置坐标与低轨卫星的位置坐标的夹角。比对夹角与预设的告警夹角阈值获取比对结果：

47、lr＝bool(α≤αalarm)

48、其中，lr为比对结果，αalarm为预设的告警夹角阈值；

49、若比对结果为1，则剔除当前时刻夹角对应的卫星，剩余低轨卫星群作为完好性监测的数据样本，得到可见卫星群。若比对结果为0，则保留当前时刻夹角对应的卫星，并将当前时刻夹角对应的卫星的参考数据加入低轨卫星群进行完好性监测，得到可见卫星群。

50、在其中一个实施例中，完好性监测模块，还用于根据特征斜率与卡方非中心化参数进行raim可用性判定：

51、

52、其中，nsat为当前时刻的可见卫星群的卫星数量，nreq为当前时刻的raim需求的卫星数量，plt为当前时刻的最大不可检测定位误差，al为告警限值，tstep为时间步长，avaraim为在任一时间段[t1，t2]内的raim可用性。对raim可用性的判定结果进行故障探测：

53、

54、其中，td为可见卫星群的检验门限值，n为可见卫星群的卫星数量，σt为单位权中阈值，σ为伪距残差向量的检验后单位权中误差，σ0为观测误差，sse＝εtsε为残差平方和，s为幂等矩阵，ε为伪距观测噪声向量。当σ＞σt时，则导航系统出现故障，根据可见卫星群的伪距残差进行故障识别，得到完好性监测结果：

55、

56、其中，di为完好性监测结果，vi为第i颗卫星的伪距残差，sii为第i颗卫星的幂等矩阵。

57、上述一种低轨导航增强辅助的gnss自主完好性监测方法，在全球导航卫星系统(gnss)中，通过高轨卫星的星历参数数据计算地面观测站可观测范围内的卫星位置坐标，包括坐标系转换和时间修正，计算出高轨卫星在任意时刻的位置坐标。确保了卫星位置的高精度计算，是后续所有步骤的基础。接着，通过确定地面观测站的位置，计算出观测站在给定地平高度角阈值内可观测到的卫星位置。这一步的关键在于筛选出真正可见的卫星，从而确保观测数据的有效性和准确性。为了进一步优化可见卫星群，还需计算gnss中高轨卫星与低轨卫星之间的夹角。根据夹角与预设的告警阈值的比对结果，判断中高轨卫星与低轨卫星被遮挡情况，取部分未被遮挡的gnss中高轨+部分低轨卫星，作为可见卫星群中，有效地减少了由卫星遮挡引起的观测误差。在确定可见卫星群后，构建伪距观测模型，通过伪距观测公式计算出各可见卫星的伪距残差向量，为后续完好性监测提供了数据基础。在预设的告警概率条件下，通过伪距残差向量计算卡方非中心化参数，利用残差向量的协方差矩阵获取可见卫星群的特征斜率。根据特征斜率与卡方非中心化参数进行raim(接收机自主完好性监测)可用性判定，进一步分析进行故障探测和识别。由此，显著提高了可见卫星群的筛选精度，减少了卫星遮挡对观测结果的影响，并增强了伪距观测模型的准确性和可靠性；提升了raim故障探测的灵敏度和精度，还可以根据可见卫星群的不同几何构型，提高可用性水平和故障检测能力，确保导航服务的可靠性和安全性。