电离层异常检测方法
【专利摘要】本发明提供一种电离层异常检测方法，首先根据第一双频载波相位测量值进行时间梯度的异常检测，得到基于时间梯度的检测结果，判断基于时间梯度的检测结果是否为异常，若是，则确定电离层存在异常，若否，则再根据第一双频载波相位测量值、第一双频码伪距测量值、第二双频载波相位测量值和第二双频码伪距测量值进行空间梯度的异常检测，得到基于空间梯度的检测结果，并对该结果进行滑动滤波，判断滤波后的基于空间梯度的检测结果是否存在异常，若是，则确定电离层存在异常，若否，则确定电离层不存在异常。本发明实施例提供的电离层异常检测方法，可以实现ARAIM场景下的电离层异常检测。
【专利说明】电离层异常检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星导航【技术领域】，尤其涉及一种电离层异常检测方法。
【背景技术】
[0002] 卫星导航技术采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位，卫星导 航系统通常包括导航卫星、地面参考站和用户定位设备三个部分。目前，全球卫星导航系统 (Global Navigation Satellite System,简称GNSS)已经得到了广泛的应用，飞机的精密 进近和着陆引导就是其中之一。对于带有垂直引导的航向道性能（Localizer Precision with Vertical Guidance-200,简称LPV-200)精密进近而言，由于其更严格的完好性 需求，导航领域研究者提出了先进的接收机自主完好性监测技术（Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitor，简称 ARAIM)，以满足 LPV-200 精密进近的需求。
[0003] ARAIM应用中，机载用户接收机接收卫星信号，地面参考站向机载用户广播导航数 据。因为存在星历误差、电离层延迟、对流层延迟等因素，会对机载用户接收到的卫星信号 和地面参考站广播的导航数据造成误差。对于星历误差和对流层延迟，机载用户接收机和 地面参考站始终保持着高度的相关性。然而，电离层受太阳活动的影响，会产生不规则运动 体，甚至引起电离层风暴，此时，其空间相关性将受到严重影响。根据已观测到的数据，正常 情况时，电离层在垂直方向上延迟的梯度为4mm/km，但是当产生电离层风暴时，电离层在垂 直方向上延迟的梯度可以高达412mm/km，将可能造成20m甚至更大的垂直定位误差。因此， 若不及时检测消除电离层异常，将严重影响ARAIM的性能。
[0004] 电离层异常有两个基本属性：时间梯度和空间梯度。图1为LPV-200精密进近过 程中的电离层异常模型示意图，如图1所示，LPV-200精密进近过程中的电离层异常模型被 建模为可移动的楔形模型，主要参数为梯度、宽度以及移动速度。其中，梯度和宽度体现了 空间梯度属性，移动速度体现了时间梯度属性。时间梯度是指移动用户在穿透点方向上的 电离层延迟随着时间的变化而发生较快、较大的变化。空间梯度是指电离层误差在空间上 的不相关性。
[0005] 现有技术中存在如下缺陷：在ARAIM应用场景下，缺少有效的电离层异常检测方 法。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种电离层异常检测方法，用以实现ARAIM场景下的电离层异常检 测。
[0007] 本发明实施例提供的电离层异常检测方法，包括：
[0008] 接收导航卫星发送的第一导航信号，所述第一导航信号包括卫星双频载波相位测 量值和卫星双频码伪距测量值；
[0009] 接收地面参考站发送的第二导航信号，所述第二导航信号包括地面双频载波相位 测量值和地面双频码伪距测量值；
[0010] 从可见导航卫星中选择定位卫星；
[0011] 从所述第一导航信号中提取所述定位卫星对应的第一双频载波相位测量值和第 一双频码伪距测量值；从所述第二导航信号中提取所述定位卫星对应的第二双频载波相位 测量值和第二双频码伪距测量值；
[0012] 探测并修复所述第一双频载波相位测量值和所述第二双频载波相位测量值中的 周跳；
[0013] 根据所述第一双频载波相位测量值进行时间梯度异常检测，得到基于时间梯度的 检测结果；
[0014] 判断所述基于时间梯度的检测结果是否存在异常；
[0015] 若是，则确定电离层存在异常；若否，则根据所述第一双频载波相位测量值、所述 第一双频码伪距测量值、所述第二双频载波相位测量值和所述第二双频码伪距测量值进行 空间梯度异常检测，得到基于空间梯度的检测结果；
[0016] 对所述基于空间梯度的检测结果进行滑动滤波处理，得到滤波后的基于空间梯度 的检测结果；
[0017] 判断所述滤波后的基于空间梯度的检测结果是否存在异常；
[0018] 若是，则确定电离层存在异常；若否，则确定电离层不存在异常。
[0019] 可选的，所述从可见导航卫星中选择定位卫星，包括：
[0020] 根据定位需求选择卫星遮蔽角；
[0021] 根据所述卫星遮蔽角，从可见导航卫星中选择定位卫星。
[0022] 可选的，本发明实施例还包括：
[0023] 若电离层不存在异常，则对所述第一双频载波相位测量值和所述第一双频码伪距 测量值进行码载分离消除DFree滤波处理，得到电离层误差消除结果；
[0024] 若电离层存在异常，则对所述第一双频载波相位测量值和所述第一双频码伪距测 量值进行电离层消除IFree滤波处理，得到电离层误差消除结果。
[0025] 可选的，所述对所述第一双频载波相位测量值和所述第一双频码伪距测量值进行 DFree滤波处理，得到电离层误差消除结果，包括：
[0026] 使用公式（1)和公式（2)对所述第一双频码伪距测量值和所述第一双频载波相位 测量值进行第一预处理，得到第一预处理后的第一双频码伪距测量值和第一预处理后的第 一双频载波相位测量值；
【权利要求】
1. 一种电离层异常检测方法，其特征在于，包括： 接收导航卫星发送的第一导航信号，所述第一导航信号包括卫星双频载波相位测量值 和卫星双频码伪距测量值； 接收地面参考站发送的第二导航信号，所述第二导航信号包括地面双频载波相位测量 值和地面双频码伪距测量值； 从可见导航卫星中选择定位卫星； 从所述第一导航信号中提取所述定位卫星对应的第一双频载波相位测量值和第一双 频码伪距测量值；从所述第二导航信号中提取所述定位卫星对应的第二双频载波相位测量 值和第二双频码伪距测量值； 探测并修复所述第一双频载波相位测量值和所述第二双频载波相位测量值中的周 跳； 根据所述第一双频载波相位测量值进行时间梯度异常检测，得到基于时间梯度的检测 结果； 判断所述基于时间梯度的检测结果是否存在异常； 若是，则确定电离层存在异常；若否，则根据所述第一双频载波相位测量值、所述第一 双频码伪距测量值、所述第二双频载波相位测量值和所述第二双频码伪距测量值进行空间 梯度异常检测，得到基于空间梯度的检测结果； 对所述基于空间梯度的检测结果进行滑动滤波处理，得到滤波后的基于空间梯度的检 测结果； 判断所述滤波后的基于空间梯度的检测结果是否存在异常； 若是，则确定电离层存在异常；若否，则确定电离层不存在异常。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从可见导航卫星中选择定位卫星，包 括： 根据定位需求选择卫星遮蔽角； 根据所述卫星遮蔽角，从可见导航卫星中选择定位卫星。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括： 若电离层不存在异常，则对所述第一双频载波相位测量值和所述第一双频码伪距测量 值进行码载分离消除DFree滤波处理，得到电离层误差消除结果； 若电离层存在异常，则对所述第一双频载波相位测量值和所述第一双频码伪距测量值 进行电离层消除IFree滤波处理，得到电离层误差消除结果。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述第一双频载波相位测量值和 所述第一双频码伪距测量值进行DFree滤波处理，得到电离层误差消除结果，包括： 使用公式（1)和公式（2)对所述第一双频码伪距测量值和所述第一双频载波相位测量 值进行第一预处理，得到第一预处理后的第一双频码伪距测量值和第一预处理后的第一双 频载波相位测量值；
其中，ful、fu2分别为所述第一双频载波的两个载频的中心频率；p U1为所述第一双频载 波的载频的中心频率为ful的码伪距测量值；、小m分别为所述第一双频载波的两个载 频的载波相位测量值；为所述第一预处理后的第一双频码伪距测量值；〇D为所述第一 预处理后的第一双频载波相位测量值； 使用公式（3)对所述第一预处理后的第一双频载波相位测量值和所述第一预处理后 的第一双频码伪距测量值进行低通滤波处理，得到所述电离层误差消除结果；
其中，t为第t个计时时刻；t为滤波时间；⑴为所述电离层误差消除结果。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述第一双频载波相位测量值和 所述第一双频码伪距测量值进行IFree滤波处理，得到电离层误差消除结果，包括： 使用公式（4)和公式（5)对所述第一双频码伪距测量值和所述第一双频载波相位测量 值进行第二预处理，得到第二预处理后的第一双频码伪距测量值和第二预处理后的第一双 频载波相位测量值；
其中，ful、fu2分别为所述第一双频载波的两个载频的中心频率；P ul、P u2分别为所述 第一双频载波的两个载频的码伪距测量值；^U1、小u2分别为所述第一双频载波的两个载频 的载波相位测量值为所述第二预处理后的第一双频码伪距测量值；为所述第二预 处理后的第二双频载波相位测量值； 使用公式（6)对所述第二预处理后的第一双频载波相位测量值和所述第二预处理后 的第一双频码伪距测量值进行低通滤波处理，得到所述电离层误差消除结果；
其中，t为第t个计时时刻；T为滤波时间；平,(/_)为所述电离层误差消除结果。
6. 根据权利要求1?5任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一双频载波相 位测量值进行时间梯度异常检测，得到基于时间梯度的检测结果，包括： 使用公式（7)和公式（8)对所述第一双频载波相位测量值进行第三预处理，得到电离 层误差变化值：
其中，ful、fu2分别为所述第一双频载波的两个载频的中心频率；$ul、$ u2分别为所述 第一双频载波的两个载频的载波相位测量值；k为第k个计时时刻；/[A]为估算的电离层误 差值；Tid为所述第一双频载波相位测量值的采样间隔；q为整数；为所述电离层误差 变化值； 使用公式（9)对所述电离层误差变化值进行滤波处理，得到电离层误差变化率；
其中，t id为滤波时间；幻为所述电离层误差变化率； 确定基于时间梯度的检测阈值
其中，< 为编号为i的定位卫星的载波相位测量值的噪声标准差；Kffd^为根据第一误 警概率Pff，确定的第一放大因子； 其中，
所述判断所述基于时间梯度的检测结果是否存在异常，包括： 若所述电离层误差变化率超过所述基于时间梯度的检测阈值，则确定所述基于时间梯 度的检测结果存在异常，否则确定所述基于时间梯度的检测结果不存在异常。
7.根据权利要求1?5任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一双频载波相 位测量值、所述第一双频码伪距测量值、所述第二双频载波相位测量值和所述第二双频码 伪距测量值进行空间梯度异常检测，得到基于空间梯度的检测结果，包括： 使用公式（10)至公式（13)对所述第一双频载波相位测量值、所述第一双频码伪距测 量值、所述第二双频载波相位测量值和所述第二双频码伪距测量值进行第四预处理，得到 第四预处理后的第一双频载波相位测量值、第四预处理后的第一双频码伪距测量值、第四 预处理后的第二双频载波相位测量值和第四预处理后的第二双频码伪距测量值；
其中，ful、fu2分别为所述第一双频载波的两个载频的中心频率；fgl、f g2分别为所述第 二双频载波的两个载频的中心频率；^U1、小u2分别为所述第一双频载波的两个载频的载波 相位测量值；Pul、Pu2分别为所述第一双频载波的两个载频的码伪距测量值；小81、小 82分 别为所述第二双频载波的两个载频的载波相位测量值；P gl、P g2分别为所述第二双频载波 的两个载频的码伪距测量值；〇u为所述第四预处理后的第一双频载波相位测量值；为 所述第四预处理后的第一双频码伪距测量值；〇g为第四预处理后的第二双频载波相位测 量值；为第四预处理后的第二双频码伪距测量值； 使用公式（14)对所述第四预处理后的第一双频载波相位测量值和所述第四预处理后 的第一双频码伪距测量值进行低通滤波处理，得到第一滤波后的第四预处理结果；
其中，t为第t个计时时刻；T为滤波时间；为所述第一滤波后的第四预处理结 果； 使用公式（15)对所述第四预处理后的第二双频载波相位测量值和所述第四预处理后 的第二双频码伪距测量值进行低通滤波处理，得到第二滤波后的第四预处理结果；
其中，为所述第二滤波后的第四预处理结果； 使用公式（16)得到定位卫星i的滤波结果差值；
其中，i为定位卫星编号；平:,为所述定位卫星i的所述第一滤波后的第四预处理结果； 为所述定位卫星i的所述第二滤波后的第四预处理结果；为所述定位卫星i的滤波 结果差值； 使用公式（17)对所述定位卫星i的滤波结果差值进行处理，得到所述定位卫星i的基 于空间梯度的检测结果；
其中，N为仰角最大的定位卫星编号；A/二为所述仰角最大的定位卫星的电离层空间 梯度的估计值为噪声；VA/^为所述定位卫星i的基于空间梯度的检测结果。
8.根据权利要求1?5任一项所述的方法，其特征在于，所述对所述基于空间梯度的检 测结果进行滑动滤波处理，得到滤波后的基于空间梯度的检测结果，包括： 使用公式（18)对所述基于空间梯度的检测结果进行滑动滤波处理，得到滤波后的基 于宇间梯庠的拾涮结里：
其中，n为滤波时间；i为定位卫星编号；为定位卫星i的基于空间梯度的检测结 果；为所述滤波后的基于空间梯度的检测结果； 确定基于空间梯度的检测阈值
其中，为编号为i的定位卫星的噪声标准差；Kffd AI为根据第一误警概率Pffd确定 的第二放大因子； 其中，
所述判断所述滤波后的基于空间梯度的检测结果是否存在异常，包括： 若所述滤波后的基于空间梯度的检测结果超过所述基于空间梯度的检测阈值，则确定 所述基于空间梯度的检测结果存在异常，否则确定所述基于空间梯度的检测结果不存在异 堂 巾。
【文档编号】G01S19/07GK104280741SQ201410513453
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】王志鹏, 朱衍波, 赵鹏, 张军 申请人:北京航空航天大学