一种利用低轨卫星增强多基准一致性检测的方法与流程

本发明是一种用于卫星导航定位系统的完好性检测方法，特别涉及一种基于低轨卫星(lowearthorbitsatellite)理论来增强多基准一致性检测(multiplereferenceconsistencycheck)方法。

背景技术

为了能够有效保证民航在精密进近和着陆过程中的安全，就要确保卫星导航的精度、连续性、可靠性和完好性。因此就要对卫星导航的各项性能进行实时检测。其中完好性监测主要是通过计算伪距差分校正量来获得位置结果，再通过特定的参数来检测所获得结果的可靠性。完好性信息在民航进近和着陆过程中起着至关重要的作用，用户通过完好性信息来确定所获得的导航数据是否可用，以此来判断能否完成进近和着陆。

完好性检测主要包括信号质量检测、数据质量检测、测量质量检测、多基准一致性检测、标准差和均值检测和信息域范围测试六个检测模块。其中多基准一致性检测是完好性检测的核心模块，其核心思想是计算伪距校正量与其均值的差异，即为b值，并与设定的阈值进行比较，一旦所计算的b值超过阈值，就说明地面参考接收机出现故障，所接受到的伪距校正量不能播发给民航，通过多基准一致性检测可以确定地面接参考站接收机的结构。为了保证整个系统的完好性以及民航的安全性，在地面系统向民航播发伪距校正信息之前，必须要去除使b值超过告警阈值的伪距校正量测量值。但是，当部分卫星星座几何分布不良或信号受到干扰时，传统的多基准一致性检测的结果会受到很大的影响，误警率和漏检率都会大大提高，在这种情况下，飞机必然无法完成精密进近和着陆。现有的方案是通过在机场附近建造伪卫星来解决这类问题。然而，使用伪卫星的方法解决该问题，就需要在每个机场都建造伪卫星，这样性价比过低。

技术实现要素：

针对卫星星座几何分布不良或信号出现干扰时传统多基准一致性检测方法无法有效工作的需求。本发明设计了一种利用低轨卫星(leo)增强多基准一致性检测的方法，这种基于低轨卫星系统的多基准一致性检测方案，漏检率和误警率低，对中轨(meo)卫星几何分布要求低，能有效增强多基准一致性检测。本发明主要包括低轨卫星b值计算和低轨卫星b值阈值计算两个部分。低轨卫星b值计算过程主要完成所有地面接收机对接收到的低轨卫星伪距校正量的处理计算，得到低轨卫星对应各地面接收机的b值。低轨卫星b值阈值计算过程主要用于计算低轨卫星对应各接收机的b值阈值，并与之前计算的b值进行对比分析，为飞机精密进近和着陆提供可靠的完好性信息。

本发明的技术方案为：

所述一种利用低轨卫星增强多基准一致性检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：处理从地面基准站接收机处获得的低轨卫星leo星历数据，得到leo卫星对应接收机的伪距校正量prc：

prci,j(t)＝ρs,i,j(t)-ri,j(t)-τi,j(t)-sisure(orb)

其中prci,j(t)表示历元t时刻，接收机i到可见leo卫星j的伪距校正量，ρs,i,j(t)表示历元t时刻，接收机i到可见leo卫星j的载波相位平滑伪距测量值，ri,j(t)表示在历元t时刻，接收机i与leo卫星j之间的真实距离，τi,j(t)表示历元t时刻，接收机i对应leo卫星j星历中广播的卫星钟差，sisure(orb)为由卫星轨道造成的空间信号用户测距误差：

其中wr表示leo卫星径向加权因子，ri,j(t)表示接收机i在历元t时刻，对leo卫星j的轨道径向视线范围误差均方根，wa,c表示leo卫星沿轨道方向和跨轨道方向加权因子，ai,j(t)表示接收机i在历元t时刻，对leo卫星j沿轨道方向视线范围误差均方根，ci,j(t)表示接收机i在历元t时刻，对leo卫星j跨轨道方向视线范围误差均方根；

步骤2：利用leo卫星对应接收机的伪距校正量计算出各接收机对应leo卫星的b值，其中接收机i对应leo卫星j的b值为：

prcj表示leo卫星j对应m个接收机的伪距校正量平均值，m为地面基准站子系统中接收机的数目；

步骤3：利用接收机获得的leo卫星仰角数据及相关参数计算leo卫星对应的b值阈值：

其中

式中a0、a1、a2、b0、c0和θ0的取值为：

a类接收机表示接收机带有标准相关器，同时卫星信号接收天线使用的是单孔径天线，b类接收机表示接收机带有窄相关器，同时卫星信号接收天线使用的是单孔径天线，c类接收机表示接收机带有相关器同时卫星信号接收天线使用的是多径抑制天线；

步骤4：将leo卫星b值与其阈值进行比较，完成对系统多基准一致性的检测。

有益效果

本发明通过地面基准站接收机与leo卫星间prc计算模型，并利用leo卫星的空间信号用户测距误差sisure(orb)模型进行融合，通过最大似然方法得到最优化的b值计算公式，从而实现多基准一致性检测中误警率的降低。

本发明所设计的基于低轨卫星的b值阈值计算方法，利用数据拟合得到leo卫星b值阈值计算公式中所需参数，让多基准一致性检测中的漏检率大大降低，可以有效的避免卫星几何分布不佳、信号不强等造成的影响。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的leo卫星多基准一致性检测系统结构图。

序号1表示正常状态下地面基准站接收meo卫星星历数据。

序号2表示当本发明发现卫星集合失效时，地面基准站接收leo卫星星历数据，利用leo卫星完成多基准一致性检测的相关步骤。

序号3表示地面基准站将处理好的数据发送给机载子系统，保证飞机精密进近和着陆过程的安全。

图2是本发明的leo卫星多基准一致性检测流程图。其中虚线框内即为本发明的数据处理流程图。

图3是leo卫星与gps的b值阈值对比图。其中，中间两条线代表本发明所提出方法中的b值阈值，外侧两条线代表传统gps多基准一致性检测中b值阈值。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的利用低轨卫星增强多基准一致性检测方法结合了低轨卫星接收信号功率大、不易被干扰、运动速度快等优点。本发明建立低轨卫星b值及其阈值计算模块，解决了现有多基准一致性检测方法依赖卫星几何分布的问题。

本发明的基本原理是利用leo卫星星历数据和sisure模型，计算得到接收机对应leo卫星的prc。其次，利用最大似然估计计算接收机对应leo卫星的b值。再通过leo卫星仰角与数据拟合得到的接收机精度参数模型，计算接收机对应leo卫星的b值阈值。最后，将leo卫星b值与其阈值做对比分析，完成多基准一致性检测，有效降低了漏检率和误警率。

本发明主要包括如下步骤：

步骤1：处理从地面基准站接收机处获得的低轨卫星leo星历数据，得到leo卫星对应接收机的伪距校正量prc。

由于leo卫星几何分布优于meo卫星(现存的iridium系统共有66颗leo卫星)，且信号功率更强，因此leo卫星接收机可以获得更为明显的由卫星轨道造成的空间信号用户测距误差(sisure(orb))。sisure(orb)表达式如下：

其中wr表示leo卫星径向加权因子，ri,j(t)表示接收机i在历元t时刻，对leo卫星j的轨道径向视线范围误差均方根，wa,c表示leo卫星沿轨道方向和跨轨道方向加权因子，ai,j(t)表示接收机i在历元t时刻，对leo卫星j沿轨道方向视线范围误差均方根，ci,j(t)表示接收机i在历元t时刻，对leo卫星j跨轨道方向视线范围误差均方根；

利用sisure(orb)可以构建出更为精确的接收机对应leo卫星的伪距校正量prc。其表达式如下：

prci,j(t)＝ρs,i,j(t)-ri,j(t)-τi,j(t)-sisure(orb)

其中prci,j(t)表示历元t时刻，接收机i到可见leo卫星j的伪距校正量，ρs,i,j(t)表示历元t时刻，接收机i到可见leo卫星j的载波相位平滑伪距测量值，ri,j(t)表示在历元t时刻，接收机i与leo卫星j之间的真实距离，τi,j(t)表示历元t时刻，接收机i对应leo卫星j星历中广播的卫星钟差。

步骤2：利用leo卫星对应接收机的伪距校正量计算出各接收机对应leo卫星的b值，其中接收机i对应leo卫星j的b值为：

prcj表示leo卫星j对应m个接收机的伪距校正量平均值，m为地面基准站子系统中接收机的数目。

步骤3：利用接收机获得的leo卫星仰角数据及相关参数计算leo卫星对应的b值阈值。

由于leo卫星轨道半径低，现在存在的iridium系统轨道半径为780km，且运行周期短，绕地球一周仅需要100min左右。leo低轨道高速运行的特点，决定了传统的多参考一致性检测b值阈值公式无法适用。因此需要找到适用于leo卫星的b值计算公式。在faa相关文献中，可以得到gps系统以及sbas系统的多基准一致性检测中b值阈值的计算公式如下：

gps系统：

sbas系统：

式中：bth,i,j为接收机i对应可见卫星j的b值阈值，m为地面基准站子系统中接收机的数目，σpr_lgf由卫星仰角和与接收机相关的参数求得：

式中a0、a1、a2、b0、c0和θ0等参数的取值情况将由下表1给出。

表1现有b值阈值计算中相关系数取值

上表中，a类接收机表示接收机带有标准相关器，同时卫星信号接收天线使用的是单孔径天线，b类接收机表示接收机带有窄相关器，同时卫星信号接收天线使用的是单孔径天线，c类接收机表示接收机带有相关器同时卫星信号接收天线使用的是多径抑制天线。

gps卫星轨道半径20200km，运行周期约720分钟，sbsa卫星轨道半径约为36000km，运行周期约为1436分钟。通过以上数据并结合表1中数据拟合发现sbas中b0具有如下关系式：

sbas中c0具有如下关系式：

式中，rs表示sbas系统卫星轨道半径，rg表示gps卫星轨道半径，ts表示sbas系统卫星运行周期，tg表示gps卫星运行周期。

因此，基于上述拟合公式，计算出了适用于leo卫星的b0、c0：

最终，本发明得到了适用于leo卫星的b值阈值计算公式：

其中

式中a0、a1、a2、b0、c0和θ0的取值情况将由下表(2)给出：

表2leo卫星b值阈值计算中相关系数取值

步骤4：将leo卫星b值与其阈值进行比较，完成对系统多基准一致性的检测。性能分析

1、检测误警率分析

传统的多参考一致性检测方法，由于卫星几何分布不良，或信号强度不足等原因，存在误警率较高的情况。而现存的iridium系统有66颗leo卫星，卫星几何分布远优于gps/bds卫星，且信号强度大，接收机能够接收到效果优良的信号。此外，本发明得到的适用于leo卫星的b值计算公式中，加入了leo卫星空间信号用户测距误差，这样使得用故障接收机的数据计算出的b值会远大于正常接收机所计算的b值，这样就使得利用leo卫星的多参考一致性检测方法的误警率大大降低，提高了系统的可用性。

2、检测漏检率分析

在传统多基准一致性检测中，不仅会出现误警情况，有时还会出现漏检。通过对传统多基准一致性检测的仿真可以发现，其b值在正常状态下是十分小的，大约在±0.1范围内，而由图2可知，传统的多参考一致性检测的b值阈值在±0.5～1.5之间。这样如果接收机出现微小故障，传统的多基准一致性检测可能无法检测到该故障，参考站就会将接收到的错误数据产送给飞机，然而任何微小的错误都有可能造成飞机精密进近和着陆失败。本发明得到的适用于leo卫星的b值阈值计算公式，合理降低了b值阈值阈值，即使接收机出现微小故障，也能被迅速检测到，从能降低了系统的漏检率，使得整个系统更加安全可靠。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。