GNSS系统故障星检测剔除方法、装置、平台和可读存储介质与流程

gnss系统故障星检测剔除方法、装置、平台和可读存储介质
技术领域
1.本发明属于卫星导航领域，具体涉及gnss系统故障星检测剔除方法、装置、平台和可读存储介质。


背景技术：

2.全球导航卫星系统(global navigation satellite system,gnss)的性能基本上可以从4个方面来衡量：准确性、正直性、连续性及有效性。
3.1)准确性：准确性是用来衡量定位结果与目标的真实位置相接近的程度。
4.2)正直性：正直性指的是定位系统在出现故障时能及时警告用户，以免用户被非正常工作的定位系统\卫星所误导。
5.3)连续性：连续性指的是系统在一段时间内能够同时满足规定的准确性和正直性要求的概率。
6.4)有效性：有效性指的是定位系统能同时满足准确性、正直性和连续性要求的时间百分比。
7.对于gnss接收机(用户)来说，有效性是其最终关心的指标，而影响有效性的关键问题即准确性及正直性。对于准确性，其主要由卫星系统本身设计性能、当前用户位置卫星覆盖情况、以及接收机对于卫星信号跟踪计算的精准度决定；对于正直性，上述导航系统的正直性信息一般从监测发现到通过导航电文告知用户，需要耗费十几分钟至数小时的时间，这一监测过程远不能满足目前军/民用航空对于定位结果高安全高可靠性的实时要求，此外信号传播过程中的异常大气层延时、多路径效应等具体情况，监测站也难以知道。因此，用户接收机自身也需要对接收到的卫星测量信息进行正直性检测。
8.在gnss接收机位置、速度解算过程中，因某颗卫星测量数据的偏差会引起其解算精度下降，甚至不能完成解算的情况出现，因此在解算过程中如何评估卫星测量数据精度就显得尤其重要。卫星测量数据通常包括伪距与载波相位(多普勒)两种，分别对应gnss接收机的位置解算与速度解算。当伪距出现偏差时，接收机定位数据会出现偏差，而多普勒出现偏差时，速度解算会出现精度下降现象。因此，为了保证gnss接收机输出的定位、测速结果的准确性，就必须对伪距、载波相位同时进行检测。
9.依据相关资料显示，伪距测量中通常会出现2类故障，分别是：阶跃故障和斜坡故障；载波测量中，因科斯塔斯环相位跟踪特性，导致测量载波相位出现与实际运动不相符的偏离故障，目前gnss接收机常见的自主检测技术主要针对伪距测量故障，未对载波测量进行检测，且有其应用缺陷。
10.传统的接收机自主正直性检测(raim)算法为了检查各个测量量之间的一致性，需要有冗余观测信息，卫星测量值个数的冗余度越高，卫星的几何分布越好，raim算法的可靠性通常越高。传统raim检测存在如下缺陷：
11.1)raim检测为位置域检测，因此只有定位后才能进行检测，如果要剔除故障星则不仅要求定位，还要求星数需大于5颗，且仅能剔除1颗故障卫星。
12.2)raim检测门限无法进行量化，其对伪距误差的检测能力与星座构型及故障星在星座中的位置有很大关系，容易发生误检、漏检现象，且其仅对伪距误差检测有效，无法进行载波测量数据检测。


技术实现要素：

13.针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种gnss系统故障星检测剔除方法、装置、平台和可读存储介质，既适用于raim检测的盲点即卫星数量较少或多颗卫星观测异常的情况，也在星况较好或单颗星异常的情况下有良好的检测效果，且对卫星载波相位测量误差也有很好的检测能力。
14.为实现上述目的，本发明提供了一种gnss系统故障星检测和剔除的方法，包括步骤：
15.有效跟踪卫星数量检测的步骤，在该步骤中，检测有效跟踪的卫星数量m是否大于等于两颗，如果是，则进入选取基准卫星的步骤，如果不是，则继续跟踪并检测；
16.选取基准卫星的步骤，在该步骤中，在所有有效跟踪的卫星中，选取一颗作为基准卫星sn，余下的为普通卫星sm，1≤m≤m-1；
17.获取基准卫星参数的步骤，在该步骤中，获取基准卫星sn相邻历元的码伪距变化量载波伪距变化量k表示第k个星历历元；
18.双差值计算的步骤，在该步骤中，获取普通卫星sm相邻历元的码伪距变化量载波伪距变化量根据基准卫星sn相邻历元的码伪距变化量载波伪距变化量普通卫星sm的码伪距变化量载波伪距变化量计算基准卫星sn与普通卫星sm两颗星相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的双差值
19.双差值门限检测的步骤，在该步骤中，对所述双差值进行检测，超过检测门限t
ε
则标记计算所用的两颗卫星；
20.观测量异常判断的步骤，在该步骤中，通过卫星被标记的次数，检测是否有卫星的观测量异常，如果基准卫星sn被标记次数则认为基准卫星sn观测量异常，为当前有效跟踪的卫星数量m乘以0.5后直接取整得到的阈值；如果基准卫星被标记次数并且存在普通卫星sm被标记，则认为该普通卫星sm观测量异常，为预设的单次检出异常星的最大星数，其他情况不认为观测量异常；
21.故障星剔除的步骤，该步骤中，判断有效跟踪卫星数小于等于两颗，如果是则不进行卫星剔除；如果有效跟踪卫星数大于等于三颗时，则观测量异常的卫星进行剔除。
22.进一步的，选取基准卫星的步骤中基准卫星sn选取的是所有有效跟踪的卫星中仰角最高的一颗。
23.进一步的，所述获取基准卫星参数的步骤中和所述双差值计算的步骤中，卫星i相邻历元的码伪距变化量邻历元的码伪距变化量是卫星i在第k个星历历元的码伪距观测
量，是卫星i在第k-1个星历历元的码伪距观测量；卫星i相邻历元的载波伪距变化量1个星历历元的码伪距观测量；卫星i相邻历元的载波伪距变化量为卫星i在第k个星历历元的载波相位观测量，为卫星i在第k-1个星历历元的载波相位观测量，其中，i是对应基准卫星sn或普通卫星sm的标记。
24.进一步的，所述双差值计算的步骤中，基准卫星sm与普通卫星sm两颗星相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的双差值其中，为基准卫星sn相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的差值，为普通卫星sm相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的差值，
25.本发明还提供了一种gnss系统故障星检测和剔除的装置，包括有效跟踪卫星数量检测模块、基准卫星选定模块、基准卫星参数获取模块、双差值计算模块、双差值门限检测模块、观测量异常判断模块和故障星剔除模块；其中，
26.有效跟踪卫星数量检测模块，用于判断有效跟踪的卫星数量m是否大于等于两颗，如果是，命令基准卫星选定模块选定基准卫星，如果不是，则继续跟踪并判断；
27.基准卫星选定模块，用于在所有有效跟踪的卫星中，选取一颗作为基准卫星sn，余下的为普通卫星sm，1≤m≤m-1；并命令基准卫星参数计算模块、普通卫星参数计算模块、检测模块和计算控制模块工作；
28.基准卫星参数获取模块，用于获取基准卫星sn相邻历元的码伪距变化量和载波伪距变化量k表示第k个星历历元；
29.双差值计算模块，用于获取普通卫星sm相邻历元的码伪距变化量载波伪距变化量根据基准卫星sn相邻历元的码伪距变化量载波伪距变化量普通卫星sm的码伪距变化量载波伪距变化量计算基准卫星sn与普通卫星sm两颗星相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的双差值
30.双差值门限检测模块，用于对双差值计算模块计算得到的差值进行检测，当差值超过检测门限t
ε
则标记计算所用的两颗卫星；
31.观测量异常判断模块，用于通过卫星被标记的次数判断是否有卫星的观测量异常；如果基准卫星sn被标记次数则认为基准卫星sn观测量异常，为当前有效跟踪的卫星数量m乘以0.5后直接取整得到的阈值；如果基准卫星被标记次数并且存在普通卫星sm被标记，则认为该普通卫星sm观测量异常，为预设的单次检出异常星的最大星数，其他情况不认为观测量异常；
32.故障星剔除模块，用于根据有效跟踪卫星数是否小于等于两颗的判断结构，如果是则不进行卫星剔除，只标记卫星存在异常；如果有效跟踪卫星数大于两颗时，则观测量异常的卫星进行剔除。
33.进一步的，基准卫星选定模块中，基准卫星sn选取的是所有有效跟踪的卫星中仰角最高的一颗。
34.进一步的，所述基准卫星参数获取模块和双差值计算模块，卫星i相邻历元的码伪距变化量距变化量是卫星i在第k个星历历元的码伪距观测量，是卫星i在第k-1个星历历元的码伪距观测量；卫星i相邻历元的载波伪距变化量1个星历历元的码伪距观测量；卫星i相邻历元的载波伪距变化量为卫星i在第k个星历历元的载波相位观测量，为卫星i在第k-1个星历历元的载波相位观测量，其中，i表示基准卫星sn或普通卫星sm。
35.进一步的，所述双差值计算模块中，基准卫星sn与普通卫星sm两颗星相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的双差值其中，为基准卫星sn相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的差值，为普通卫星sm相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的差值，
36.本发明还提供了一种gnss系统故障星检测和剔除平台，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的gnss系统故障星检测和剔除方法。
37.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的gnss系统故障星检测和剔除方法。
38.本发明具有如下有益效果：
39.1)提高了自主故障检测的可用性
40.原有的raim检测是基于位置域的检测方式，需在接收机可以定位的条件下进行，因此对最少检测星数有要求，最少4颗星完成定位后可以进行检测，最少5颗星才能进行故障星剔除。本发明基于卫星测量域进行检测，最少2颗卫星即可进行故障检测，最少3颗卫星即可进行故障星剔除，无需接收机定位，这样就提高了自主故障检测的可用性。
41.2)伪距、载波检测门限可以量化
42.本发明的仅与伪距、载波的检测门限仅与实际测量相关，与星座构型、被检测星的空间位置无关，因此本发明影响检测正直性的因素可控，可以根据检测度选取可量化的门限值，如伪距门限可以精确到米、载波门限可以精确到整周。
附图说明
43.图1为本发明gnss系统故障星检测和剔除的方法的流程图。
44.图2为本发明第一具体实施方式的流程图。
45.图3为本发明gnss系统故障星检测和剔除的装置的组成原理图。
46.图4为本发明gnss系统故障星检测和剔除平台的组成原理图。
具体实施方式
47.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
48.码伪距和载波相位是gnss接收机的两个基本测量值，两者由不同的跟踪环路测量得到且都包含钟差、大气延时、接收机噪声等各种误差，两者既有明显区别，又呈互补特性。码伪距可以真实的反应卫星与接收机之间的距离，但由于码片长度限制，测量精度较差，通常精度只能到米级；载波相位由于载波波长很短，因此测量精度很高，平滑性较好，但载波相位测量值里含有未知的周整模糊度，不能直接反应接收机与卫星的距离，且在复杂信号环境下容易出现失周现象导致测量值出现异常。
49.由于码伪距和载波相位有以上特性，因此可以考虑使用码伪距\载波相互校验的方式来将两者的优势相结合。
50.gnss接收机码伪距观测量可以表示为方程：
51.ρk＝rk+c(δt
u，k-δt
s，k
)+ik+tk+ε
ρ，k
52.载波相位观测量可以表示为方程：
[0053][0054]
其中，λ为卫星信号载波波长，rk为卫星与用户的真距，ρk为码伪距观测量，为载波相位观测量，c为光速，δt
u，k
为接收机钟差，δt
s，k
为卫星钟差，ik为电离层延迟，tk为对流层延迟，n为卫星信号载波整周长度，ε
ρ，k
为接收机噪声引起的码伪距误差，为接收机噪声引起的载波相位误差。
[0055]
同一颗星相邻历元的伪距与载波相位分别相减，可得：
[0056]
δρk＝δrk+c(δδt
u，k-δδt
s，k
)+δik+δtk+δε
ρ，k
[0057][0058]
其中，为接收机本地时钟频率偏差导致的载波相位差，该值在观测方程中并未体现，差分量δρk与分别定义为：
[0059]
δρk＝ρ
k-ρ
k-1
[0060]
相位
[0061][0062]
对该卫星的δρk与相减，可得：
[0063][0064]
理论上来说，如果不考虑相邻历元的电离层延时变化量δik很小，接收机噪声对码伪距和载波相位的影响忽略不计的情况下，可以认为趋近于0，此值可以用来检测接收机的码载一致性。但受限于上述不确定因素的存在，检测门限不能做得很窄。
[0065]
因此本发明提出对于在进行不同卫星sn、sm相减，可得：
[0066][0067]
其中，项由于本地时钟频偏对该频点所有卫星载波相位影响一致，可以消
除，和项由于不同卫星信号接收环境高度相关，可以极大的消除其对结果的影响，项由于接收机所处位置一定，不同卫星信号的电离层延迟变化量有一定程度的相关性，影响再次被削弱。
[0068]
因此的值可以极大程度的反应真实的码伪距与载波相位误差，且所含不确定因素较少，相比于单星码载一致性检测，检测门限可以极大的收窄。
[0069]
此外，对于检测门限t
ε
的选择，由于不同的接收机硬件环境、跟踪环路带宽以及外部信号环境不同，可以根据接收机具体的应用指标来确定相应的门限。同时，也可以通过对码伪距进行相应的平滑处理，来降低正常工作情况下的噪声抖动对检测结果的影响。
[0070]
综上所述，本发明通过对gnss接收机同一频点上多颗星相邻历元的伪距\载波变化量作差，降低了接收机本地噪声及晶振频偏对卫星信号测量的影响，通过动态设置合理的门限，达到对卫星伪距\载波相位异常变化的检测。当接收机接收到卫星数大于等于2时，即可进入本算法进行故障检测，当卫星数大于等于3时，可以进行故障星剔除。
[0071]
以下参照图1和图2，对本发明的第一具体实施方式进行进一步详细说明。
[0072]
s1：有效跟踪卫星数量检测的步骤，在该步骤中，检测有效跟踪的卫星数量m是否大于等于两颗，如果是，则进入选取基准卫星的步骤，如果不是，则继续跟踪并检测；
[0073]
s2：选取基准卫星的步骤，在该步骤中，在所有有效跟踪的卫星中，选取一颗作为基准卫星sn，余下的为普通卫星sm，1≤m≤m-1；本发明第一具体实施方式中基准卫星sn选取的是所有有效跟踪的卫星中仰角最高的一颗。
[0074]
s3：获取基准卫星参数的步骤，在该步骤中，获取基准卫星sn相邻历元的码伪距变化量载波伪距变化量k表示第k个星历历元；
[0075]
s4：双差值计算的步骤，在该步骤中，获取普通卫星sm相邻历元的码伪距变化量载波伪距变化量根据基准卫星sn相邻历元的码伪距变化里载波伪距变化量普通卫星sm的码伪距变化量载波伪距变化量计算基准卫星sn与普通卫星sm两颗星相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的双差值
[0076]
所述基准卫星参数获取模块和双差值计算模块，卫星i相邻历元的码伪距变化量所述基准卫星参数获取模块和双差值计算模块，卫星i相邻历元的码伪距变化量是卫星i在第k个星历历元的码伪距观测量，是卫星i在第k-1个星历历元的码伪距观测量；卫星i相邻历元的载波伪距变化量个星历历元的码伪距观测量；卫星i相邻历元的载波伪距变化量为卫星i在第k个星历历元的载波相位观测量，为卫星i在第k-1个星历历元的载波相位观测量，其中，i表示基准卫星sn或普通卫星sm。
[0077]
所述双差值计算模块中，基准卫星sn与普通卫星sm两颗星相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的双差值其中，为基准卫星sn相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的差值，码伪距变化量和载波伪距变化量的差值，为普通卫星sm相邻
历元码伪距变化量和载波伪距变化量的差值，
[0078]
s5：双差值门限检测的步骤，在该步骤中，对所述双差值进行检测，超过检测门限t
ε
则标记计算所用的两颗卫星；
[0079]
s6：观测量异常判断的步骤，在该步骤中，通过卫星被标记的次数，检测是否有卫星的观测量异常，如果基准卫星sn被标记次数则认为基准卫星sn观测量异常，为当前有效跟踪的卫星数量m乘以0.5后直接取整得到的阈值；如果基准卫星被标记次数并且存在普通卫星sm被标记，则认为该普通卫星sm观测量异常，为预设的单次检出异常星的最大星数，如单次想检出最多2颗异常星，则设置为2；想检出最多3颗异常星，则设置为3，其他情况不认为观测量异常；
[0080]
s7：故障星剔除的步骤，该步骤中，判断有效跟踪卫星数小于等于两颗，如果是则不进行卫星剔除，只标记卫星存在异常；如果有效跟踪卫星数大于等于三颗时，则观测量异常的卫星进行剔除。
[0081]
如图3所示，本发明第二实施方式涉及一种gnss系统故障星检测和剔除的装置，包括有效跟踪卫星数量检测模块1、基准卫星选定模块2、基准卫星参数获取模块3、双差值计算模块4、双差值门限检测模块5、观测量异常判断模块6和故障星剔除模块7。
[0082]
有效跟踪卫星数量检测模块，用于判断有效跟踪的卫星数量m是否大于等于两颗，如果是，命令基准卫星选定模块选定基准卫星，如果不是，则继续跟踪并判断；
[0083]
基准卫星选定模块，用于在所有有效跟踪的卫星中，选取一颗作为基准卫星sn，余下的为普通卫星sm，1≤m≤m-1；并命令基准卫星参数计算模块、普通卫星参数计算模块、检测模块和计算控制模块工作，基准卫星sn选取的是所有有效跟踪的卫星中仰角最高的一颗；
[0084]
基准卫星参数获取模块，用于获取基准卫星sn相邻历元的码伪距变化量和载波伪距变化量k表示第k个星历历元；
[0085]
双差值计算模块，用于获取普通卫星sm相邻历元的码伪距变化量载波伪距变化量根据基准卫星sn相邻历元的码伪距变化量载波伪距变化量普通卫星sm的码伪距变化量载波伪距变化量计算基准卫星sn与普通卫星sm两颗星相邻历元码伪距变化量和载波伪距变化量的双差值
[0086]
双差值门限检测模块，用于对双差值计算模块计算得到的差值进行检测，当差值超过检测门限t
ε
则标记计算所用的两颗卫星；
[0087]
观测量异常判断模块，用于通过卫星被标记的次数判断是否有卫星的观测量异常；如果基准卫星sn被标记次数则认为基准卫星sn观测量异常，为当前有效跟踪的卫星数量m乘以0.5后直接取整得到的阈值；如果基准卫星被标记次数
并且存在普通卫星sm被标记，则认为该普通卫星sm观测量异常，为预设的单次检出异常星的最大星数，其他情况不认为观测量异常；
[0088]
故障星剔除模块，用于根据有效跟踪卫星数是否小于等于两颗的判断结构，如果是则不进行卫星剔除，只标记卫星存在异常；如果有效跟踪卫星数大于两颗时，则观测量异常的卫星进行剔除。
[0089]
如图4所示，本发明第三实施方式涉及一种gnss系统故障星检测和剔除的平台，包括至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述gnss系统故障星检测和剔除方法。
[0090]
其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。
[0091]
处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。
[0092]
本发明第四实施方式涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例。
[0093]
即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0094]
本发明的gnss系统故障星检测剔除方法具有以下优点：
[0095]
1)多历元伪距、载波双差取值的方法
[0096]
本发明最少经过3个星历历元即可开始检测，并因其采用卫星间相互做差的检测方式，可以对所有卫星进行检测，既包括基准星也包括目标星。
[0097]
2)判决故障星的方法
[0098]
卫星运动引起的伪距、载波变化具有一致性，因此可以通过卫星伪距、载波在一定时间间隔内的变化率进行相互比较，既避免了载波整周模糊度未知的影响，同时也可以减少伪距抖动、接收机钟差带来的影响。
[0099]
3)基准卫星选取的简易性
[0100]
本发明采用包括基准星、目标星在内的所有卫星进行逐一比对，既可以检测目标星也可以检测基准星，因此在基准星选择逻辑上相对较简单。
[0101]
以上仅为发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想原则
内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。