用于验证卫星定位的方法和系统与流程

本发明涉及一种安装在机载移动载体上的无线电导航装置的验证方法和系统，其包括能够接收复合无线电信号的卫星地理定位装置，该复合无线电信号包括均由发送卫星发送的多个无线电导航信号并且包括时间同步和位置参考信息，无线电导航装置对所接收到的无线电导航信号执行处理以计算第一导航信息。

背景技术：

本发明的领域涉及尤其在使用地理定位设备进行移动载体导航的背景下通过卫星来固定、加强和增强地理定位。

这可适用于多种领域，例如，航空学、海运、道路引导、车辆和机器人引导。

一种有利的应用领域是基于使用gnss(全球导航卫星系统)导航系统在航空学的精确方法。例如，已知的美国gps(全球定位系统)和欧洲galileo系统。

gnss接收器是能够接收多个卫星所发射的无线电信号，并且在计算之后，提供地理参考中的载体的时间同步和位置参考信息。

每个gnss接收器提取各个卫星所传送的无线电信号中发送的接收时间和载波相位信息，并且对于所观察到的每个卫星，根据所接收到的信息，计算定位测量，即地理定位装置本身和所观察到的卫星之间的距离的估计值，该估计值也被称为伪范围。由于对传输延迟的估计误差，例如，由于对流层中、电离层中的大气状况和地理定位接收器中的内部时钟的同步误差，导致伪范围不同于所考虑的卫星和地理定位装置之间的实际距离。然而，可以使用多个单独卫星所发送的信息来消除共有误差(包括接收器的时间偏置)。

在许多导航应用中，对于载体的安全而言，位置和时间偏置的计算的精度、可用性和完好性尤为重要。

存在许多会影响计算出的地理定位位置的完好性的成因，例如，卫星的任何故障或失灵、地理定位装置的接收链路、各种中断和干涉和/或蓄意和恶意的干扰。

改进地理定位的已知方法使得可以提高精度并且提供具有更大完好性和稳定性的解决方案，例如，raim(接收器自主完好性监测)、sbas(基于卫星的增强系统)、gbas(基于地面的增强系统)系统。

然而，这些方法具有局限性。

对于机载系统，改进处理精度和稳定性可涉及极高的算法复杂度并且需要大量处理资源。

此外，公认的机载系统的设计受现行条例和标准化处理架构约束。

因此，在遵照以上提到的约束的同时，需要验证并且提高机载无线电导航装置所提供的地理定位精度。

技术实现要素：

为此目的，安装在移动载体的无线电导航装置的验证方法包括能够接收复合无线电信号的卫星地理定位装置，该复合无线电信号包括均由发送卫星发送的多个无线电导航信号并且包括时间同步和位置参考信息，无线电导航装置能够对所接收到的无线电导航信号进行处理以计算第一导航信息，第一导航信息包括关于载体的地理位置、速度和时间的信息。

该方法包括以下步骤：

-通过所述无线电导航装置，将所接收到的无线电导航信号的基带数字化信号发送到参考处理站；

-通过所述参考处理站，对所述基带数字化信号实施与所述无线电导航装置进行的处理类似的处理，以计算第二导航信息；

-基于所述参考处理站计算出的所述第二导航信息来验证所述第一导航信息。

有利地，本发明使得可以重复并增强参考处理站(例如，位于地面上)进行的处理操作，因此可以消除施加在机载设备的约束。

特别地，本发明的目的之一是允许检测机载无线电导航装置的硬件失灵，通过参考处理站进行的处理被冗余地并且以完全独立于机载进行的处理的隔离方式进行。

根据本发明的方法还可具有以下的特征中的一个或多个：

-还使用由与所述无线电导航装置相关联的惯性定位模块提供的惯性定位信息来计算所述第一导航信息，并且发送步骤还包括将与所述无线电导航装置相关联的所述惯性定位信息发送到所述参考处理站；

-由所述参考处理站对所接收到的所述基带数字化信号执行无线电导航装置没有实施的至少一个补充处理操作从而得到具有增强精度的第二导航信息的步骤；

-所述参考处理站能够用多个卫星星座所发送的无线电导航信号来计算第二导航信息，每个卫星星座根据给定的地理定位系统进行发送；

-补充处理操作由对从地面参考站接收到的本地差分校正信息进行处理的实现空间精度增强的步骤组成；

-至少一个补充处理操作由利用所接收到的所述基带数字化信号的所述载体的频率计算所述地理位置的步骤组成；

-至少一个补充处理操作由执行监测所接收到的基带数字化信号的完好性的步骤组成；

-至少一个补充处理操作由执行监测所接收到的基带数字化信号的干扰和假目标的步骤组成。

根据第二方面，本发明涉及一种用卫星验证地理定位的系统，所述系统包括安装在移动载体的无线电导航装置，所述系统包括能够接收复合无线电信号的卫星地理定位装置，所述复合无线电信号包括均由发送卫星发送的多个无线电导航信号并且包括时间同步和位置参考信息，所述无线电导航装置能够对所接收到的无线电导航信进行处理以计算第一导航信息，所述第一导航信息包括关于所述载体和参考处理站的地理位置、速度和时间的信息。

根据本发明的用于用卫星验证地理定位的系统使得：

-所述无线电导航装置能够将所接收到的所述无线电导航信号的基带数字化信号发送到所述参考处理站；

-所述参考处理站能够对数字化信号实施与所述无线电导航装置进行的处理类似的处理，以计算第二导航信息；

-所述系统包括用于基于所述参考处理站计算出的所述第二导航信息来验证第一导航信息的装置。

根据本发明的系统还可具有以下的特征中的一个或多个：

-所述参考处理站包括能够对所接收到的所述基带数字化信号执行所述无线电导航装置没有实施的至少一个补充处理操作，从而得到具有增强精度的第二导航信息的至少一个模块；

-所述参考处理站包括计算模块，所述计算模块能够用多个卫星星座所发送的无线电导航信号来计算第二导航信息，每个卫星星座根据给定的地理定位系统进行发送；

-所述参考处理站包括对从地面参考站接收的本地差分校正信息进行处理的用于增强空间精度的增强步骤的模块；

-所述参考处理站包括用于计算实施所接收到的所述基带数字化信号的载波的频率的地理位置的模块；

-所述参考处理站包括用于监测所接收到的所述基带数字化信号的完好性的模块；

-所述参考处理站包括用于监测所述基带数字化信号的干扰和假目标的模块；

-所述参考处理站包括验证模块，所述验证模块能够验证与本地安全条例的兼容性并且对所述无线电导航装置的接收质量进行监控，包括检测干涉、干扰和假目标的来源以及增强的精度信息；

-用于基于所述参考处理站计算出的第二导航信息来验证第一导航信息的装置由所述无线电导航装置的验证模块实现，除了所述第二导航信息外，所述验证模块能够从所述参考处理站的所述验证模块接收由所述参考处理站形成的控制信息，所述控制信息包括所述增强的精度信息与接收质量有关的信息。

附图说明

本发明的其他特征和优点将来自以下参照随附附图提供的、供参考且非限制性的描述，在附图中：

图1是实现本发明的地理定位系统的概略图解；

图2是根据本发明的一个实施例的用于验证地理定位的方法中的主要步骤的概述。

具体实施方式

图1例示在辅助移动载体2的导航的背景下适于执行本发明的地理定位系统，在图1的示例中，移动载体2是飞行器。

如之前提到的，本发明不限于该实施例，更一般地，适于任何移动载体的地理定位。

移动载体2包括能够接收多个预定频带中的无线电信号的接收器(未示出)，这些无线电信号包含地理定位卫星的多个星座的时间同步和位置参考信息，这些星座是例如gps系统的卫星的第一星座4和另一个系统(例如，galileo)的卫星的第二星座6。

总体上，移动载体2能够接收来自一个或多个gnss地理定位系统的无线电信号，这些系统能够在预定频带中进行发送。

此外，移动载体2能够根据基于卫星的增强系统(sbas)的类型，接收地球同步卫星的星座8的校正和完好性数据，这些数据也是在所述预定频带上发送的这些无线电信号中发送的。

按已知方式，sbas系统使用使得可以增强gnss卫星(诸如，gps系统)的一个或多个星座的地球同步卫星，这些地球同步卫星能够向地理定位接收器发送校正消息，包括相对于每个卫星的定位测量校正信息和完好性校正信息。

sbas系统可能引起源自不同方面的误差：电离层误差、卫星时钟校正、系统偏置校正。它包括针对gnss卫星的轨道校正和针对卫星(组延迟、杠杆臂等)所发送的信号的特定校正。sbas系统还提供完好性信息，例如计算保护半径(保护半径与计算出的位置相关联)，以对与发送的校正信息关联的置信度进行量化。

技术标准rtcado-229d“《全球定位系统/广域增强系统机载设备的最低运行性能标准(minimumoperationalperformancestandardsforglobalpositioningsystem/wideareaaugmentationsystemairborneequipment)》”定义了相对于gps系统的sbas空间增强系统。

本发明涉及通过地面上的非机载参考处理链路来提高机载地理定位设备提供的导航信息的安全性，从而使得在该架构内可以非机载地连续确保位置计算的安全和增强。

本发明尤其致力于对高完好性导航应用(被称为“生命安全”)的机载安全性(不仅安全度)进行提高，并且涉及可通过非机载导航计算原理实现的针对导航安全性的全局改进服务。

移动载体2包括无线电导航装置10，无线电导航装置10包括联合地提供移动载体2的第一导航信息的惯性定位模块11和地理定位装置12，第一导航信息包括地理定位信息和相对于其轨迹的信息，用于辅助飞行员进行导航以及用仪器进行自动导航。

机载设备的集合被称为“飞机系统”。

惯性定位模块11是已知的导航仪器，能够估计移动载体2的加速度和方向，并且由此推导其姿态、速度和位置。

惯性定位模块11提供惯性位置信息14，惯性位置信息14用于导航，还由无线通信装置(未示出)发送到参考处理站16，参考处理站16位于地面上，也被称为“地面系统”，随后将对此进行更详细描述。

这些无线通信装置例如是无线电或gsm收发器。

因此，第一导航信息包括载体的位置、时间、速度信息(pts数据)和(可选地)姿态信息。

在一个实施例中，由惯性定位模块10提供载体的速度和姿态信息。

在一个替代实施例中，通过结合惯性定位信息和地理定位位置来计算载体的速度和姿态信息。

移动载体2上所载有的地址定位装置12包括用于接收并且数字化接收到的无线电信号的rf链路18、机载处理模块20(也被称为com)和用于验证导航信息(pts)的模块22。

用于接收并数字化空间内信号(sis)的rf链路18使得可以接收在gnss频带(例如，在gps的情况下，频带l1、l2和l5)中发送的无线电信号。

大体上，rf链路18能够接收n个频带中的信号rf1、...、rfn，过滤它们，并对它们进行频率转置和数字化，以得到相同中间频率的信号if1、...、ifn，被称为基带数字化信号。

因此，在rf链路18的输出端，中间频率信号if1、...、ifn一方面被发送到固定参考处理站16，另一方面被发送到机载处理模块20，以实施数字处理。

机载处理模块20能够处理从其所认证的卫星星座接收的信号(例如，在一个实施例中，gps和sbas信号)，以实时并及时计算该移动载体2在每个时刻的位置。

由此，无线电导航装置10将数字化信号if1、...、ifn发送到参考处理站16，包括由卫星的星座4、6所发送的时间同步和位置参考信息和地球同步卫星的星座8所发送的校正和完好性数据。

数字化信号if1、...、ifn被具有足够带宽的射频通信模块(未示出)连续地或按脉冲14'发送到参考处理站16的接收模块。

因此，有利地，参考处理站16接收与机载处理模块20相同的数字化数字数据if1、...、ifn。

机载处理模块20包括硬件和软件元件，这些元件能够根据ecef参考坐标系中的三个空间定位分量x、y和z以及将gps系统时间和地理定位装置的本地时间相联系的时间分量来计算其地理定位位置。

此外，机载处理模块20能够使用接收到的sbas信号，并且计算与已完成的位置计算相关联的完好性半径。

机载处理模块20尤其包括能够执行计算的可编程装置，该可编程装置，尤其包括一个或多个处理器以及一个或多个存储器。

处理模块20使得可以在每个以世界时间为参考的所考虑的时刻ti处得到位置矢量p(ti)作为输出，位置矢量p(ti)代表移动载体的地理定位位置、其速度和本地时间(pts数据)，与关联完好性半径被一起组合在第一导航信息x1(ti)中。

或者，也可以通过使用位置矢量p(ti)和惯性定位模块11所提供的取向、速度和位置/姿态数据进行混合计算来得到pts数据。

第一导航信息x1(ti)被发送到验证模块22，验证模块22能够使用来自固定参考处理单元16的第二导航信息x2(ti)或验证信息来验证机载无线电导航装置的精度，并且如果适用，执行校正动作(诸如，如果机载计算的第一导航信息不被认为是有效的，则发出警报)。

验证模块22在能够执行计算的可编程装置中实现，，尤其包括一个或多个处理器以及一个或多个存储器。

参考处理站16包括能够接收信息14、14'并且将其发布给参考处理站16的模块的射频接收模块24或接收器。

尤其，数字化信号if1、...、ifn被发送到gnss处理模块26。

gnss处理模块26包括第一固定处理模块(mon)28、29，mon28、29能够实现至少与机载处理模块(com)20的处理类似的处理，以通过使用完全独立于机载硬件和软件元件的参考处理站16的硬件和软件元件来计算载体的导航信息。

固定处理模块28能够使用信号if1、...、ifn来执行与机载处理模块20进行的地理位置计算类似的移动载体2的地理位置计算，其中，信号if1、...、ifn包含卫星的时间同步和位置参考信息以及校正和完好性数据。

有利地，固定处理模块28因此可以以隔离方式对移动载体2进行的处理操作实现功能上的复制，从而尤其用于验证机载处理模块20的硬件和软件元件的正确操作。

在机载设备进行标称操作的情况下，处理模块28提供与机载上计算出的第一导航信息几乎相同的第二导航信息，使误差不超过任何仪器噪声。

处理模块28重复由机载处理模块20进行的接收到的无线电导航信号的处理，出于复杂性和成本原因，该处理限于利用卫星的单个星座(即gps星座)的无线电导航信号。

多星座处理模块29能够使用从卫星的多个星座接收的无线电导航信号。因此，多星座处理模块29能够以提高的精度与处理模块28并行地计算第二导航信息。该多星座处理模块29监测gps导航并且实现国家当局会施加的区域星座的使用。

因此，在一个实施例中，固定处理模块28能够像机载处理模块20进行的机载处理一样，利用gps无线电导航信号和sbas校正消息。多星座处理模块29利用卫星的其他星座(例如，galileo和/或glonass)所发送的无线电导航信号。

处理模块28和29基于共享的输入信号if1、...、ifn来执行与多星座关联的位置、速度和时间(pts)计算。在世界时间参考(例如，utc)中进行时间测定，并且在共享测地参考(wgs84)中计算位置。

因此，由参考处理站16计算出的第一导航信息被加强。

在例示实施例中，gnss处理模块26还包括空间精度增强模块30，空间精度增强模块30能够在本地从地面参考站32接收差分校正信息31。因此，在受控制的射频环境中，空间精度增强模块30基于地面参考站32的已知位置来进行位置校正计算。

gnss处理模块26还包括计算模块34，计算模块34能够执行附加计算，从而使得可以得到更好的地理定位精度。

优选地，处理模块34使用信号if1、...、ifn的载波相位来实施rtk(实时运动学)处理，从而使得计算出的位置矢量p’(ti)可实现厘米波定位性能。

另外，参考处理站16包括用于监测信号的质量的模块36。

用于监测信号的质量的该模块36使用地面参考站32所接收的信号。它还使用信号if1、...、ifn来执行已知处理操作来监测完好性，例如，频谱分析、相关性形成分析或与多个路径相关联的其他已知误差检测技术。

有利地，参考处理站16具有强大的处理资源，从而允许更扩展性地监测中断域(诸如，用频谱分析装置描述信号或谱域和覆盖分辨率的相关函数的相关点的数量)，该监测是由一个或多个频谱分析计算模块实现的。

另选和可选地，参考处理站16包括用于监测干扰和假目标的模块38，该模块38使用用于验证接收到的信号的算法，从而使得可以检测任何不一致性并且在检测到的情况下发出警报。

对不同星座上进行的测量和同一频带中接收的不同导航服务的联合观察构成分析的第一阶段。第二阶段由当授权参考处理站处理受保护信号(p(y)gps或prsgalileo)时，将同时从开放信号传递的导航信息与从受保护信号传递的导航信息进行比较组成。第三阶段由估计接收到的信号整体的码相位和载波测量的一致性组成。

此外，参考处理站16包括使用由惯性定位模块11提供的信息14来计算复合地理定位的模块40。

该复合地理定位的模块40实现接收到的gnss信号if1、...、ifn和惯性增量信息14之间的混合化处理，从而以更好的精度来计算所考虑的每个时刻的移动载体的位置和速度。

与机载处理类似，地面混合化处理还使得可以使用单个卫星故障的前提来控制最大分离型混合化的完好性，此外由于地面计算资源的保留这可扩展到多个卫星故障的情况。

相应模块26(包括模块28、29、30和34)、36、38和40的输出被提供到计算第二导航信息x2(ti)的参考处理站16的固定验证模块42，第二导航信息x2(ti)包括校正后的pts信息和关联的保护半径的集合。

该验证模块42在本地导航授权的控制下允许地面系统：

●验证飞机系统正确遵守本地国家当局所要求的安全条例；

●提供接收环境的质量的监测，尤其，检测干涉、干扰或假目标以及估计它们对机载估计的导航的影响；

●通过得自地面上的增强处理操作的合并估计(多星座、增强、辅助和rtk)来增强机载导航的质量。

根据第一实施例，该第二导航信息x2(ti)被发送到机载验证模块22，机载验证模块22验证由这两个处理方法所提供的定位和速度信息之间的一致性。

机载验证模块22和机载安装的与地面上进行的处理相关联的机载验证模块23对位置和速度执行交叉比较，以发出命令进行校正动作，例如，如果观察到偏差，则中止将导航信息发送到导航系统的剩余部分。用于验证地面上形成的信息的机载验证模块23允许飞机系统在机载授权(飞行员)的控制下负责并且验证提交到本地国家当局的来自地面上的验证模块42的信息，之后将地面导航信息与来自模块20的机载导航信息进行比较。

飞机系统借助模块42从地面接收以下状态：

-对机载导航的地面估计：由重复机载模块20进行的处理操作的处理模块28所估计的第二导航信息，

-干涉、干扰和假目标环境的状态以及对机载导航的影响，

-增强的机载导航的地面估计：

■国家当局强制执行的用星座进行估计：由多星座处理模块29所估计的第二导航信息；

■用模块30、34实现的所有本地增强系统(gbas、rtk、辅助gnss)进行估计；

■用所有改进的处理资源(尤其，模块40(惯性混合化等))进行估计。

根据本实施例，验证模块22以在地面上计算出的更好精度来计算第一导航信息x1(ti)和第二导航信息x2(ti)之间的偏差，并且确定当偏差超过预定阈值时的不一致警报。

根据第二实施例，警报被发送到机载验证模块22，从而在移动载体上进行校正动作。

在本实施例中，机载验证模块22发出的警报可根据现行的本地条例引起：

●放弃在进行中的飞行过程并且切换成条例所安排的补充导航装置，

●或切换成模块42所验证的地面参考站发送的导航估计。

图2是根据本发明的一个实施例的用于验证机载移动载体的无线电导航装置的方法中的主要步骤的框图，其中的步骤50由移动载体上的无线电导航装置10执行并且其中的步骤60由参考处理站16执行。

第一步骤52是从卫星接收无线电信号、过滤并且数字化该无线电信号以得到基带信号if1、...、ifn的步骤。这些信号包含含有卫星的时间同步和位置参考信息的卫星星座的无线电导航信号以及校正和完好性数据。

基本上并行地执行以下步骤54和56。

在步骤54中，无线电导航装置10执行计算，从而使得可以得到载体在给定时刻ti的第一导航信息x1(ti)。

另选地，在步骤54中的计算对从卫星的无线电导航信号所接收的时间同步和位置参考信息与惯性定位模块11提供的惯性或惯性增量时间同步和位置参考信息执行混合化。

发送步骤56实现将数字化信号if1、...、ifn中包含的时间同步和位置参考信息发送到参考处理站16。

可选地，还发送机载惯性定位模块所提供的惯性或惯性增量定位信息。

参考处理站16实现数字化信号if1、...、ifn的接收62，并且如果适用，所发送的惯性定位信息的接收62。

接下来，参考处理站16实现计算64，从而使得可以计算第二导航信息x2(ti)。在该步骤64期间实施的算法类似于计算步骤54所实施的算法，例如，根据gps/sbas系统进行的pts地理位置计算算法。

如果在步骤54中没有发生机载硬件的硬件失灵或计算误差，则在步骤64中所计算的第二导航信息x2(ti)基本上等同于步骤54中所计算的相同时刻的第一导航信息x1(ti)(误差不超过任何仪器噪声)。

在步骤64中所计算的第二导航信息x2(ti)和在步骤54中所计算的第一导航信息x1(ti)之间的差异指示地理定位装置12处的硬件的失灵。

应该注意，还可考虑参考处理站16处的硬件失灵。然而，在本发明的优选实施例中，考虑维护参考处理站16的硬件，以避免硬件故障。

为了提高第二导航信息x2(ti)的精度和完好性，优选地，参考处理站16还实施多个补充处理操作。

在图2的实施例中，执行第一补充处理操作66和第二补充处理操作68。

第一补充处理操作66实现多星座型的第二导航信息x2(ti)的计算，利用从多个卫星星座接收的根据多个gnss系统进行发送的无线电导航信号。例如，还将galileo无线电导航信号与计算步骤54中的gps无线电导航信号联合地利用。因此，针对第二导航信息x2(ti)的计算，得到更好的完好性和可用性。

第二补充处理操作68是：

-在rtk模式下计算能够实现地理定位的接收到的基带数字化信号的载波的频率，从而以厘米波精度来提供差分定位；

-执行处理从地面参考站接收的本地差分校正信息的增强空间精度增强步骤；

-对接收到的基带数字化信号的完好性执行监测；

-对接收到的基带数字化信号(if1、...、ifn)的干扰和假目标执行监测；

-对接收到的gnss信号if1、...、ifn和惯性增量信息之间的混合化处理，从而以更好精度来计算所考虑的每个时刻的移动载体的位置和速度。

清楚的是，本发明的实现方式不只限于这些补充处理操作，还可应用大量补充处理操作，这些补充处理操作可促成更大的精度并且通过实现更复杂的计算算法或使用丰富的外部补充信息来巩固参考处理站计算的定位解决方案的完好性和连续性。

有利地，参考处理站16具有适宜的计算装置(例如，多个处理器或计算机)，从而使得可以实时执行大量计算。因此，参考站实现了上述的所有的处理模块。

各种位置计算和完好性测量被发送到完好性模块70，完好性模块70用所执行的处理操作64、66、68的集合和关联的保护半径来计算更精确的第二导航信息x2(ti)。

在发送步骤72中，将该第二导航信息x2(ti)发送到地理定位装置12。

地理定位装置12使用第一导航信息x1(ti)和第二导航信息x2(ti)的比较来执行验证步骤58。

验证步骤58将航空学领域已知的验证或交叉检查算法实现为“自动防故障装置”。所谓的自动防故障装置系统意味着系统的设计减轻了故障的危险性，因此它保持至少像它正在工作时一样安全。

倘若在给定时刻的第一导航信息和第二导航信息之间的差异超过预定阈值，在步骤74中发出警报。

因此，两个计算方式com和mon并行形成了导航信息。通过两种方式中的每种来比较这些计算的结果。如果这两种方式中的一个观察到较大计算差异，则它启动“关闭”开关，以允许物理中断将计算出的数据发送到用户子组件，从而防止未报告的错误数据向导航飞机系统扩散。

有利地，本发明提出的解决方案实现了不相似的com(机载命令)和mon(地面监测)链路，从而使得可以确保故障的独立性，以防止单个故障造成监测不到的故障并且提高导航的整体完好性。为了保证高安全度，mon_和com_模块优选地具有不同的硬件(hw)和软件(sw)架构，以避免因两个处理链路中的每个带来检测不到的同时联合故障。

所提出的解决方案的一个主要优点是能够对与机载处理系统所使用的信号相同的信号执行这些检查，而没有通过没有完全反映机载接收信号的行为的非机载观察，尤其，该行为是机载环境中的本地干扰(多个过失、干涉、跳周期等)的行为。