一种星基增强系统完好性数据的统计检验方法与流程

本发明涉及星基增强技术领域，具体是一种星基增强系统完好性数据的统计检验方法。

背景技术：

由于卫星导航系统的定位精度并不能满足其在某些应用领域的需求，因此各航天大国争相发展各自的星基增强系统(sbas)。星基增强系统是高精度卫星导航系统的重要组成部分，它通过观测站计算有关gnss的完好性和修正数据，并借助地球静止轨道(geo)卫星上的透明转发器向用户播发完好性信息和修正信息(包括星历误差、卫星钟差、电离层延迟等)给sbas用户，同时提供测距信号增强卫星信号，从而来提高原有导航系统的定位精度及各项性能。完好性参数包括用户差分伪距误差(udre)和电离层格网点垂直改正误差(give)，其中give与电离层延迟有关，更新周期为120s；udre与卫星星历与钟差改正有关，更新周期为6s。从数据更新周期来看，udre对定位误差的影响更敏感，所以sbas的完好性主要通过udre的检验结果来反应。完好性反应了通过观测值解算出定位结果的可靠性，在用户安全性方面，有着比精度更重要的地位。目前，sbas用户的完好性主要通过计算用户端位置域定位误差，通过完好性阈值与告警限值作比较来判定，但是位置域检验方法存在计算量大、多卫星故障检测能力差等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术通过计算用户端位置域定位误差，通过完好性阈值与告警限值作比较来判定，但是位置域检验方法存在计算量大、多卫星故障检测能力差等缺点的不足，提供了一种星基增强系统完好性数据的统计检验方法，基于假设检验统计思想，从卫星端的角度出发对sbas完好性参数进行统计检验，通过单颗卫星的伪距域udre参数检验结果，判定sbas完好性数据是否可信，系统工作状态是否正常，能直接检测出故障卫星，相比基于位置域的完好性数据检验方法，其对多故障情况的检测能力较快。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

一种星基增强系统完好性数据的统计检验方法，包括以下步骤：s1、通过监测站观测数据获取卫星导航电文信息和sbas差分修正信息；s2、通过卫星导航电文信息和sbas差分修正信息，经伪距误差修正得到实测udre数据；s3、从监测站观测数据中获取卫星广播udre′数据；s4、对实测udre数据与卫星广播udre′数据进行方差齐性检验；s5、若实测udre数据与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性，则对实测udre数据与卫星广播udre′数据的均值差进行t检验，并判断实测udre数据和卫星广播udre′数据的误差是否在卫星广播误差估计值限值内，若是则判定星基增强系统伪距域的完好性数据可信，反之，则认为完好性数据不可信，系统工作出现异常；若实测udre数据与卫星广播udre′数据方差检验结果非齐性，则使用校正t检验对实测udre数据与卫星广播udre′数据的均值差进行检验，并判断实测udre数据和卫星广播udre′数据的误差是否在卫星广播误差估计值限值内，若是则判定星基增强系统伪距域的完好性数据可信，反之，则认为完好性数据不可信，系统工作出现异常。

现有技术中星基增强系统用户的完好性主要通过计算用户端位置域定位误差，通过完好性阈值与告警限值作比较来判定，但是位置域检验方法存在计算量大、多卫星故障检测能力差等缺点。针对现有技术从通过计算用户端位置域定位误差的不足之处，本技术方案首先通过监测站观测数据获取gps电文与sbas差分校正信息，再经伪距误差修正计算得到实测udre，同时直接解析sbas广播udre′参数，其次基于统计检验方法，先对监测站实测udre与卫星广播udre′数据进行方差齐性检验，在方差检验结果齐性时再进行t检验，方差检验结果非齐性时进行校正t检验，最后在既定显著性水平及置信区间内判定星基增强系统伪距域的完好性，通过t检验联合方差齐性检验，使数据更加满足t检验需求，提高检验结果的可靠性；本技术方案通过监测站观测数据获取gps电文与sbas差分校正信息，通过差分校正的方法可以降低甚至消除某些误差，从而提高导航性能，通过导航电文信息对伪距观测值进行伪距误差修正得到实测udre数据，能够使得到的实测udre与卫星广播udre′为两组相互独立的观察值，通过将实测udre与卫星广播udre′进行方差齐性检验确定实测udre与卫星广播udre′数据总体平均数的差异，以判断实测udre与卫星广播udre′的差异，再通过t检验对实测udre与卫星广播udre′进行分析，判断实测udre与卫星广播udre′的符合性，得到伪距误差的可信度，以判定星基增强系统伪距域的完好性数据是否可信，从而判断卫星完好性，相比于位置域的完好性检验，对多故障情况有快速的检测能力，本技术方案中的星基增强系统完好性数据指星基增强系统伪距域的完好性数据。本技术方案基于假设检验统计思想，从卫星端的角度出发对sbas完好性参数进行统计检验，通过单颗卫星的伪距域udre参数检验结果，判定sbas完好性数据是否可信，系统工作状态是否正常，能直接检测出故障卫星，相比基于位置域的完好性数据检验方法，能对所有可见卫星逐颗进行检验，其对多故障情况的检测能力较快。本技术方案中的卫星导航电文信息包括卫星星历、钟差修正、电离层延迟修正等信息，sbas差分修正信息包括快钟修正、完好性信息及长期钟差修正等。

进一步的，s2包括如下步骤：s2.1、通过卫星导航电文信息对伪距观测值进行伪距误差修正，得到修正后的伪距观测量；s2.2、对修正后的伪距观测量进行sbas差分修正，得到修正后的伪距值；s2.3、用修正后的伪距值与真距值做差计算得到实测udre的值。

本技术方案提供了通过导航电文信息对伪距观测值进行伪距误差修正，得到实测udre数据的具体方法，通过对修正后的伪距观测量进行sbas差分修正得到修正后的伪距值，通过差分校正的方法可以降低甚至消除某些误差，从而提高导航性能，通过导航电文信息对伪距观测值进行伪距误差修正得到实测udre数据，能够使得到的实测udre与卫星广播udre′为两组相互独立的观察值，提高检验结果的可靠性。需要说明的是，本技术方案采用的sbas差分修正采用现有技术。

进一步的，s2.1中采用的伪距误差修正公式为：p＝ρ-δt^(s)+δtu-dr+dion+dtrop+εp，其中，p为修正后的伪距观测值，ρ为卫星与用户接收机的几何距离，δt^(s)为广播星历引起的伪距修正值，δtu为监测站接收机钟差引起的伪距修正值，dr为相对论效应伪距修正值，dion为电离层误差修正值，dtrop为对流层误差修正值，εp为gps误差修正后的残差。

本技术方案提供了伪距误差修正的具体方法，其中伪距误差修正公式中的参数δt(s)、dr、dion、dtrop可通过导航电文解析获取，参数ρ通过确定用户接收机的三维坐标信息直接获得，δtu的值可通过用户接收机获取，伪距误差修正的计算过程采用现有的方法。

进一步的，s4中方差齐性检验包括如下步骤：s4.1、设x1,x2,…,xn是来自实测udre数据x的一个样本，y1,y2,…,yn是来自广播uder′数据y的一个样本，x与y相互独立，且两个样本的均值分别为与样本方差分别为与参数μ1,μ2,均未知；s4.2、方差齐性检验假设：即认为实测udre与卫星广播udre′方差无显著性差异；即认为实测udre与卫星广播udre′方差存在显著性差异；s4.3、当假设h0成立时，检验统计量为：n1和n2为给定的样本容量；s4.4、在给定显著性水平α、样本容量n1与n2时，根据样本值计算s1²,s2²的值，与检验统计量的观测值f作以下判断：若f≥fα/2(n1-1,n2-1)或f≤f1-α/2(n1-1,n2-1)，则拒绝h0；若f1-α/2(n1-1,n2-1)＜f＜fα/2(n1-1,n2-1)，则接受h0。

本技术方案提供了对实测udre与卫星广播udre′数据进行方差齐性检验的具体方法，通过方差齐性检验假设，并对假设进行检验，来确定实测udre和广播uder′的值是否满足方差齐性，通过t检验联合方差齐性检验，使数据更加满足t检验需求，提高检验结果的可靠性。

进一步的，当实测udre与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性时，对实测udre与卫星广播udre′数据的均值差进行t检验的方法如下：s5.1、设x1,x2,…,xn是来自实测udre数据x的一个样本，y1,y2,…,yn是来自广播uder′数据y的一个样本，x与y相互独立，且两个样本的均值分别为与样本方差分别为与参数μ1,μ2,均未知；s5.2、检验假设：h3：μ1-μ2＝δ≤0，即认为实测udre的值比卫星广播udre′的值要低，即真实误差在卫星广播误差估计值限值内，卫星播发的校正参数可信；h4：μ1-μ2＝δ＞0，即认为实测udre的值比卫星广播udre′的值高，卫星播发的修正参数不可信；s5.3、在h3为真时，t统计量为：其中，n1和n2为给定的样本容量；s5.4、在给定显著性水平α、样本容量n1与n2时，根据样本值计算sw的值，对检验统计量的观测值作以下判断：若t≥ta(n1+n2-2)，则拒绝h3，即星基增强系统伪距域的完好性数据不可信；若t＜tα(n1+n2-2)，则接受h3，即星基增强系统伪距域的完好性数据可信。

本技术方案提供了当实测udre与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性时，对实测udre与卫星广播udre′数据的均值差进行t检验方法，通过检验统计量的观测值进行判断，确定星基增强系统伪距域的完好性数据是否可信，相比于位置域的完好性检验，对多故障情况有快速的检测能力。需要说明的是，本技术方案中的参数μ1,是实测udre数据x服从正态分布的均值和方差，μ2,是卫星广播udre′数据y服从正态分布的均值和方差，为总体指标，统计思想用样本数据指标检验总体指标。

进一步的，当实测udre数据与卫星广播udre′数据的方差检验结果非齐性时，使用校正t检验对实测udre数据与卫星广播udre′数据的均值差进行检验的方法为：对实测udre数据与卫星广播udre′数据进行校正，对校正后的实测udre与卫星广播udre′数据进行方差齐性检验，若校正后的实测udre与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性，则进行t检验；若校正后实测udre与卫星广播udre′数据的方差检验结果非齐性，则调整给定显著性水平α，再进行t检验。

本技术方案中当实测udre与卫星广播udre′数据方差检验结果非齐性时，使用校正t检验对实测udre与卫星广播udre′数据的均值差进行检验，通过对实测udre与卫星广播udre′的数据进行校正，若校正后的数据方差检验结果仍为非齐性，则调整给定显著性水平α，再进行t检验。本技术方案中通过调整给定显著性水平α，通常设定显著性水平α取值为0.05，置信度为95％，可通过调整显著性水平α，使置信度提高，以使获得的星基增强系统伪距域的完好性数据判定结果可靠。优选的，在调整给定显著性水平α后，对校正后的实测udre与卫星广播udre′数据进行方差齐性检验，若校正后的实测udre与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性，则进行t检验，若检验结果为非齐性，则继续调整给定显著性水平α直至校正后的实测udre与卫星广播udre′方差检验结果齐性或近似于齐性。

进一步的，采用处理数据缺失值和剔除数据的异常值对实测udre与卫星广播udre′数据进行校正。

本技术方案通过处理数据缺失值和剔除数据的异常值校正数据，处理数据缺失值包括删除存在缺失值的个案和缺失值插补，可以采用现有的简单删除法和权重法删除含有缺失值的个案，采用现有的均值插补、利用同类均值插补、极大似然估计或多重插补，通过处理数据缺失值能够有效减少由于缺失数据造成的估计量偏倚，以使校正后的实测udre与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性；通过剔除数据的异常值，将数据中存在错误或重复的数据进行剔除，可以采用现有的图形法，如箱线图、正态分布图，和建模法，如线性回归、聚类算法、k近邻算法，以使校正后的实测udre与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性或近似于齐性。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过监测站观测数据获取gps电文与sbas差分校正信息，通过差分校正的方法可以降低甚至消除某些误差，从而提高导航性能，通过导航电文信息对伪距观测值进行伪距误差修正得到实测udre数据，能够使得到的实测udre与卫星广播udre′为两组相互独立的观察值，通过将实测udre与卫星广播udre′进行方差检验结果齐性检验确定实测udre与卫星广播udre′的总体平均数的差异，以判断实测udre与卫星广播udre′的差异，再通过t检验对实测udre与卫星广播udre′进行分析，判断实测udre与卫星广播udre′的符合性，得到伪距误差的可信度，以判定星基增强系统伪距域的完好性数据是否可信，从而判断卫星完好性，相比于位置域的完好性检验，对多故障情况有快速的检测能力。本发明基于假设检验统计思想，从卫星端的角度出发对sbas完好性参数进行统计检验，通过单颗卫星的伪距域udre参数检验结果，判定sbas完好性数据是否可信，系统工作状态是否正常，能直接检测出故障卫星，相比基于位置域的完好性数据检验方法，能对所有可见卫星逐颗进行检验，其对多故障情况的检测能力较快。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为一种星基增强系统完好性数据的统计检验方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

s1、通过监测站观测数据获取卫星导航电文信息和sbas差分修正信息；s2、通过卫星导航电文信息和sbas差分修正信息，通过伪距误差修正得到实测udre数据；

s3、从监测站观测数据中获取卫星广播udre′数据；

s4、对实测udre数据与卫星广播udre′数据进行方差齐性检验；

s5、若实测udre数据与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性，则对实测udre数据与卫星广播udre′数据的均值差进行t检验，并判断实测udre数据和卫星广播udre′数据的误差是否在卫星广播误差估计值限值内，若是则判定星基增强系统伪距域的完好性数据可信，反之，则认为完好性数据不可信，系统工作出现异常；若实测udre数据与卫星广播udre′数据方差检验结果非齐性，则使用校正t检验对实测udre数据与卫星广播udre′数据的均值差进行检验，并判断实测udre数据和卫星广播udre′数据的误差是否在卫星广播误差估计值限值内，若是则判定星基增强系统伪距域的完好性数据可信，反之，则认为完好性数据不可信，系统工作出现异常。

优选的，s2包括如下步骤：

s2.1、通过卫星导航电文信息对伪距观测值进行伪距误差修正，得到修正后的伪距观测量；

s2.2、对修正后的伪距观测量进行sbas差分修正，得到修正后的伪距值；

s2.3、用修正后的伪距值与真距值做差计算得到实测udre的值。

优选的，s2.1中采用的伪距误差修正公式为：p＝ρ-δt^(s)+δtu-dr+dion+dtrop+εp，其中，p为修正后的伪距观测值，ρ为卫星与用户接收机的几何距离，δt^(s)为广播星历引起的伪距修正值，δtu为监测站接收机钟差引起的伪距修正值，dr为相对论效应伪距修正值，dion为电离层误差修正值，dtrop为对流层误差修正值，εp为gps误差修正后的残差。

优选的，s4中方差齐性检验包括如下步骤：

s4.1、设x1,x2,…,xn是来自实测udre数据x的一个样本，y1,y2,…,yn是来自广播uder′数据y的一个样本，x与y相互独立，且两个样本的均值分别为与样本方差分别为与参数μ1,μ2,均未知；

s4.2、方差齐性检验假设：即认为实测udre与卫星广播udre′方差无显著性差异；即认为实测udre与卫星广播udre′方差存在显著性差异；

s4.3、当假设h0成立时，检验统计量为：n1和n2为给定的样本容量；

s4.4、在给定显著性水平α、样本容量n1与n2时，根据样本值计算的值，与检验统计量的观测值f作以下判断：若f≥fα/2(n1-1,n2-1)或f≤f1-α/2(n1-1,n2-1)，则拒绝h0；若f1-α/2(n1-1，n2-1)＜f＜fα/2(n1-1，n2-1)，则接受h0。

优选的，当实测udre与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性时，对实测udre与卫星广播udre′数据的均值差进行t检验的方法如下：

s5.1、设x1,x2,…,xn是来自实测udre数据x的一个样本，y1,y2,…,yn是来自广播uder′数据y的一个样本，x与y相互独立，且两个样本的均值分别为与样本方差分别为与参数均未知；

s5.2、检验假设：h3：μ1-μ2＝δ≤0，即认为实测udre的值比卫星广播udre′的值要低，即真实误差在卫星广播误差估计值限值内，卫星播发的校正参数可信；h4：μ1-μ2＝δ＞0，即认为实测udre的值比卫星广播udre′的值高，卫星播发的校正参数不可信；

s5.3、在h3为真时，t统计量为：其中，n1和n2为给定的样本容量；

s5.4、在给定显著性水平α、样本容量n1与n2时，根据样本值计算的值，对检验统计量的观测值作以下判断：若t≥tα(n1+n2-2)，则拒绝h3，即星基增强系统伪距域的完好性数据不可信；若t＜tα(n1+n2-2)，则接受h3，即星基增强系统伪距域的完好性数据可信。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，还包括：当实测udre与卫星广播udre′方差检验结果非齐性时，使用校正t检验对实测udre与卫星广播udre′数据的均值差进行检验的方法为：对实测udre与卫星广播udre′的数据进行校正，对校正后的实测udre与卫星广播udre′数据进行方差齐性检验，若校正后的实测udre与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性，则进行t检验；若校正后实测udre的与卫星广播udre′数据方差检验结果非齐性，则调整给定显著性水平α，再进行t检验。优选的，在调整给定显著性水平α后，对校正后的实测udre与卫星广播udre′进行方差齐性检验，若校正后的实测udre与卫星广播udre′数据方差检验结果齐性，则进行t检验，若方差检验结果为非齐性，则继续调整给定显著性水平α的值直至校正后的实测udre与卫星广播udre′方差检验结果齐性或近似于齐性。所述t检验与实施例1中当实测udre与卫星广播udre′方差齐性时采用的t检验方法相同。

优选的，采用处理数据缺失值和剔除数据的异常值对实测udre与卫星广播udre′的数据进行校正。

优选的，对校正后的实测udre与卫星广播udre′进行方差齐性检验包括如下步骤：

(1)设x1,x2,…,xn是来自实测udre数据x的一个样本，y1,y2,…,yn是来自广播uder′数据y的一个样本，x与y相互独立，且两个样本的均值分别为与样本方差分别为与参数μ1,μ2,均未知；

(2)方差齐性检验假设：即认为实测udre与卫星广播udre′方差无显著性差异；即认为实测udre与卫星广播udre′方差存在显著性差异；

(3)当假设h0成立时，检验统计量为：n1和n2为给定的样本容量；

(4)在给定显著性水平α、样本容量n1与n2时，根据样本值计算的值，与检验统计量的观测值f作以下判断：若f≥fα/2(n1-1,n2-1)或f≤f1-α/2(n1-1,n2-1)，则拒绝h0；若f1-α/2(n1-1，n2-1)＜f＜fα/2(n1-1，n2-1)，则接受h0。

本实施例基于假设检验统计思想，从卫星端的角度出发对sbas完好性参数进行统计检验，通过单颗卫星的伪距域udre参数检验结果，判定sbas完好性数据是否可信，系统工作状态是否正常，能直接检测出故障卫星，相比基于位置域的完好性数据检验方法，能对所有可见卫星逐颗进行检验，其对多故障情况的检测能力较快。本实施例通过监测站观测数据获取gps电文与sbas差分校正信息，通过差分校正的方法可以降低甚至消除某些误差，从而提高导航性能，通过导航电文信息对伪距观测值进行伪距误差修正得到实测udre数据，能够使得到的实测udre与卫星广播udre′为两组相互独立的观察值，通过将实测udre与卫星广播udre′进行方差齐性检验确定实测udre与卫星广播udre′的总体平均数的差异，以判断实测udre与卫星广播udre′的差异，再通过t检验对实测udre与卫星广播udre′进行分析，判断实测udre与卫星广播udre′的符合性，得到伪距误差的可信度，以判定星基增强系统伪距域的完好性数据是否可信，从而判断卫星完好性，相比于位置域的完好性检验，对多故障情况有快速的检测能力。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。