专利名称：基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法
技术领域：
本发明属于地球观测与导航技术领域卫星导航系统完好性研究领域，特别是涉及 一种基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法。
背景技术：
全球卫星导航系统目前主要包括美国的GPS，俄罗斯的GL0NASS，还有正在建设中 的欧洲Galileo和中国的BD系统。而其相应的增强及完好性技术也在逐步的发展和完善 之中。迄今为止，针对单星座卫星导航系统已提出了多种完好性技术，从实现层次上主要分 为三类一是接收机自主完好性 RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring), ^ 终端层次的完好性。二是星基增强系统SBAS (Satellite Based Augmentation System)和 地基增强系统GBAS (Ground BasedAugmentation System)，属于卫星导航系统外的区域性 的完好性技术。三是针对Galileo卫星导航系统的全球完好性技术，内嵌在Galileo系统 中。RAIM技术是在广域增强系统出现之前过渡阶段提出来的，可分为三类伪距域比 较和定位域比较法，最小二乘残差法和奇偶空间矢量法。其主要特点是只利用当前观测量， 假设随机噪声的平稳性，统称为快照法(Snapshot)。RAIM技术依赖于冗余观测量，计算水 平保护限值和垂直保护限值。但不能有效估计空间信号误差。RAIM技术存在的不足之处主要有1)在卫星之间平均分配完好性风险 (Integrity Risk)。但实际上每批次的和每颗卫星的故障概率是不同的，因而不能平均分 配。2)其根据开方分布(Chi-Square)计算水平保护级限值HPL (Horizontal Protection Limit)的公式依据的假设非常保守，即将一些能正确检出的概率纳入到漏检概率中，从而 大大降低了可用性。3)在水平保护限值HPL和垂直保护限值VPL (Vertical Protection Level)之间按照1 %和99%的固定比例分配定位域的完好性风险。实际上，危险误导信息 HMI (Hazardous Misleading Information)的发生概率却并不遵照固定比例。SBAS采用进行差分改正后再估计空间信号残余误差的方法，在此基础上计算完 好性参数UDRE(User Differential Range Error)和格网点电离层垂直误差GIVE (Grid IonosphericVertical Error)，并实时验证UDRE和GIVE达到完好性要求。用户先根据差分信息改正广播卫星坐标和钟差，单频用户利用电离层延迟信息 改正电离层延迟影响。再利用完好性信息计算XPL(HPL&VPL)。最后将XPL与保护限值 XAL(HAL&VAL)比较，判断是否满足要求。SBAS完好性的不足之处主要有1)保护级假设改正后的空间信号误差是满足无 偏正态分布的。尽管SBAS实时/准实时播发差分改正数据。但SBAS的定轨和时钟改正的 精度不高，所以在实际数据经常不能满足假设条件的情况下，SBAS并没有提供保证用户完 好性风险的手段。2) SBAS存在与RAIM类似的保守设计问题，即按照固定比例在水平保护级 HPL和垂直保护级VPL之间分配完好性概率要求(WAAS按照2%和98% )。 在Galileo系统中，对空间信号的监测和超限告警是系统完好性技术的重要一步，系统利用分布于全球的监测站网络对空间信号SIS(Signal in Space)的状况实时 估计，并以一定的误报概率保证空间信号误差SISE(Signal in Space Error)超过限值 时，及时向用户报警。Galileo系统中的完好性处理子系统IPF(Integrity processing Facility)禾口轨道同步处理子系统OSPF(Orbitography an d Synchronisation Processing Facility)可以达到高度的数据共享，利用高精度的卫星定轨和原子钟数据，可以极大地提 高空间信号误差估计的精度。与SBAS系统相比，Galileo系统用户直接计算定位域的完好 性风险概率，不再将完好性风险概率按照固定比例分配到水平方向和垂直方向。这与保护 级的固定比例分配方式有了根本的区别。Galileo的用户完好性不仅考虑了无偏正态分布 的完好性风险，而且考虑了有偏时的完好性风险。GPS/GLONASS/Galileo/BD多星座卫星导航系统相对于单星座系统而言，主要有两 个优势一是卫星数目成倍增加，提高楼群等环境下导航信号的可用性，二是观测量冗余度 增加，更易进行完好性检测。综上，一方面由于已有的SBAS和RAIM等系统的完好性技术存在一定的保守性，不 能真实、客观的反映系统定位结果对用户的可用性，另一方面由于单星座系统定位精度有 限很大程度上限制了定位结果的可用性，而未来随着BD和Galileo系统的建成，用户可选 星座增加，多系统兼容接收机将成为未来的一个发展趋势，从而为用户提供高精度的定位 服务，而针对多系统用户定位解的完好性评估也将成为高精度高可靠性卫星应用领域的一 个新的需求。
发明内容
鉴于以上缺陷，本发明的主要目的在于提供一种基于Galileo系统完好性概念的 多模用户完好性评估方法，本发明利用目前为止较为科学、先进的Galileo完好性概念，实 现多系统用户的完好性评估问题，一方面解决以往SBAS、RAIM等系统的完好性概念的保守 性问题，另一方面将多个系统的系统级完好性信息通过转换和融合，变成Galileo用户完 好性概念中可用的信息，实现了多个系统的系统级完好性信息在用户端的融合计算，从而 解决了多系统用户定位解的完好性评估问题，并通过多个系统共同为用户提供服务，从而 提高了系统的可靠性，即提高了用户定位结果的完好性。本发明提供的该种基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法， 其是直接在两个系统上使用现在Galileo的用户完好性概念，对于非Galileo系统(如 EGN0S)需要对一些输入参数，比完好性数据UDRE及UIRE，做适当的预处理，将其转换为 Galileo用户完好性算法可用的信息，进行完好性分析时，监测完好性风险(IR)的数值变 化即可。IR被定义为用户应该收到报警信息，但却没有收到报警信息的概率，这种情况被称 为高危误导信息(HMI)。IR是估计点位偏差的绝对值大于预先给定的报警限值(AL)的概 率。如果计算结果超出了预置的阈值T (取决于某种特定的应用)，则认为导航信息被接收 时HMI的概率太高。该种基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法的具体步骤如下1)获取导航信息，首先根据由IGS网站下载的广播星历数据确定GPS星座的卫星 位置向量，另外一个星座的导航信息按照Galileo星座系统参数仿真得到；2)获取导航解，正常情况下，该值应该由接收机接收到的广播星历、观测数据、气象数据确定，本发明中采用已知精确位置坐标的mihn站做为用户站；
3)计算观测矩阵，根据可观测到的两个星座卫星的位置向量和接收机位置向量计 算用户站的观测矩阵G，公式如下Gi = [-CosEliSinAzi-CoSEliCoSAzi-SinEliI] = G 矩阵的第 i 行；式中Eli为第i颗卫星的仰角，Azi为第i颗卫星的方位角；4)获取完好性信息，根据IGS下载的星历数据、观测数据、气象数据及用户站信息 计算Galileo系统完好性参数SISMA、SISA，再根据已有规律仿真得到GPS星座完好性数据， 即EGNOS完好性数据UDRE、UIRE。根据两个系统的完好性信息及UERE表，计算每颗卫星“总 的伪距偏差σ u,KX[i] ”，其中参数SISMA、SISA及UDRE、UIRE这几个参数是由卫星向用户发 播的，用户可以通过接收机收到；“总的伪距偏差”是计算每个可见卫星的信号引起的总的伪距偏差的预测标准偏 差值。对于Galileo系统总的伪距偏差计算公式如下
权利要求
1.一种基于(Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法，其特征在于，直接 在两个系统上使用现在(Galileo的用户完好性概念，对于非(ialileo系统，对其完好性参数 做适当的预处理，将其转换为felileo用户完好性算法可用的信息，然后通过felileo系统 的计算方法融合计算得到完好性风险顶和/或保护级，进行完好性分析时，监测完好性风 险顶和/或保护级的数值变化即可。
2.根据权利要求1所述的基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法， 其特征在于，具体包括以下步骤1)获取导航信息，首先根据由IGS网站下载的广播星历数据确定GPS星座的卫星位置 向量，另外一个星座的导航信息按照Galileo星座系统参数仿真得到；2)获取导航解，该值由接收机接收到的广播星历、观测数据、气象数据确定；3)计算观测矩阵，根据可观测到的两个星座卫星的位置向量和接收机位置向量计算用 户站的观测矩阵G，观测矩阵G的计算公式为Gi = [-CosEliSinAzi-CoSEliCoSAzi-SinEliI] = G 矩阵的第 i 行；式中Eli为第i颗卫星的仰角，Azi为第i颗卫星的方位角；4)获取完好性信息，根据IGS下载的星历数据、观测数据、气象数据及用户站信息计 算foiliIeo系统完好性参数SISMA、SISA，再根据已有规律仿真GPS星座完好性数据UDRE、 UIRE，根据两个系统的完好性信息及UERE表，计算每颗卫星“总的伪距偏差σ u,KX[i]，，；5)计算加权矩阵，根据上述步骤所得的两个系统的每颗卫星的“总的伪距偏差 KX[i]”计算由两个星座系统组成的整个大系统的加权矩阵W;6)计算点位误差矩阵K，由观测矩阵G和加权矩阵W计算点位误差矩阵K；7)分别计算水平和垂直无故障和有故障情况下的误差限值；8)分别计算GPS和Galileo无故障情况下的水平和垂直完好性风险；9)分别计算Galileo有故障水平和垂直完好性风险；10)计算两个系统总的HMI概率，即完好性风险顶。
3.根据权利要求2所述的基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法， 其特征在于，所述步骤4)中的“总的伪距偏差ou,KX[i]”的计算方法分别是对于Galileo系统总的伪距偏差计算公式如下
4.根据权利要求2所述的基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法， 其特征在于，所述步骤5)的加权矩阵W的计算公式为
5.根据权利要求2所述的基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法， 其特征在于，所述步骤6)中误差矩阵K的计算公式为K= (GTWG)-1GTW,式中，K为求解的点 位解算矩阵，G为观测矩阵，公式如下Gi = [-CosEliSinAzi-CoSEliCoSAzi-SinEliI] = G 矩阵的第 i 行 W是加权矩阵，通过倒置协方差阵实现，其对角线元素为
6.根据权利要求2所述的基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法， 其特征在于，所述步骤7)中水平无故障点位偏差分布限值的方差为
7.根据权利要求2所述的基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法， 其特征在于，所述步骤8)中 无故障水平完好性风险为
8.根据权利要求2所述的基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法， 其特征在于，所述步骤9)中，有故障水平完好性风险为
9.根据权利要求2所述的基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法， 其特征在于，所述步骤10)中， 总的水平完好性风险为
10.根据权利要求2所述的基于(ialileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法， 其特征在于，还包括步骤11)单GPS系统情况下根据02)式计算用户保护级XPL，双系统 情况下，根据式计算用户保护级xPL : 无故障情况下的水平和垂直保护级如下
全文摘要
本发明属于地球观测与导航技术领域卫星导航系统完好性研究领域，提供一种基于Galileo系统完好性概念的多模用户完好性评估方法，其是直接在两个系统上使用现在Galileo的用户完好性概念，对于非Galileo系统(如EGNOS)需要对一些输入参数做适当的预处理，将其转换为Galileo用户完好性算法可用的信息，进行完好性分析时，监测完好性风险(IR)和/或保护级(xPL)的数值变化即可。本发明通过采用较为先进的Galileo系统完好性概念实现多系统用户完好性的评估，通过对单系统和多系统的完好性计算结果的比对分析，证明了在多系统情况下，用户的定位结果可用性大幅提高，用户完好性在很大程度上得到了改善。
文档编号G01S19/23GK102096075SQ201010603368
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者任晓松, 刘岩, 张雪辉, 於亮, 贝超, 陈雷 申请人:中国航天科工信息技术研究院