本发明涉及卫星导航监测，尤其涉及一种基于基带域辅助raim算法的导航系统故障检测装置及方法。
背景技术：
1、完好性监测是指当卫星定位误差大于设置的阈值时，系统可及时地给出告警的信息的能力。若系统没能给出这种告警信息，会导致定位可靠性的降低，发生完好性风险。接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring，raim)是利用自身冗余的观测数据对卫星故障进行监测和识别的技术。
2、随着卫星导航技术的应用越发广泛，人们对定位完好性服务等也越发重视。目前，raim算法可分为两大类，一类是基于滤波器的算法，另一类是基于伪距残差的快照算法，现有raim研究的基础都是立足于用户接收机的量测域和导航解算域的量测解算，并进行一致性判断，来完成完好性监测。但从用户接收机来说完好性监测与接收机对导航信号处理相关，就接收机处理卫星导航信号的整个过程而言，导航定位量测域参数获得之前需要进行导航基带信号跟踪处理，已有接收机完好性监测算法并未考虑接收机中频基带信号处理部分带来的影响。因此，针对导航信号在接收机基带域跟踪环路中产生的码相位误差导致的定位误差进行研究，并将基带域跟踪处理与完好性监测融合，提升导航系统定位的完好性监测性能。本发明通过接收机中频基带信号处理中获取的监测参数来辅助raim算法的故障检测，建立一种基带域辅助的raim算法监测模型并进行硬件实现，该方法能够提高故障检测的灵敏度，可靠地进行故障告警和识别，进而提高导航定位完好性性能。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于基带域辅助raim算法的导航系统故障检测装置及方法。
2、一种基于基带域辅助raim算法的导航系统故障检测方法，具体包括以下步骤：
3、步骤1：获取卫星导航接收机基带域第n通道的多路相关值，建立单通道多路相关的估计误差检测量模型，然后在单通道多路相关的估计误差检测量模型的基础上，建立n通道多路相关的估计误差检测量模型；
4、在卫星导航接收机设置n个通道，n≥6，每个通道处理一颗卫星的中频信号，为提高接收机每个通道的码跟踪环路的检测精度，采用多路相关器模块，该模块由n个相关器组成，n≥3，且n为奇数，其中检测区间设定为码片，即相关器间隔为码片，其中计算值有整数只保留整数，无整数只保留小数点后一位；通过相关器计算获得第n通道的多路相关值为由斜率计算公式得，该通道接收的导航基带信号与多路本地伪码的相关值构成的相关峰两侧斜率表达式为：
5、
6、其中，k-δ表示左侧斜率，kδ表示右侧斜率；i＝0，1，...，n-1表示相关器输出的索引编号，对应的多路相关值为即当δn/2＝0时，为即时支路相关值ip；当第n通道输入的导航中频信号为理想信号时，相关峰两侧斜率一致，故建立单通道单次估计检测误差为：
7、
8、若为正常的卫星导航中频信号，则若为异常的卫星导航中频信号则为上式；将该估计检测误差去除系数和后，单通道单次估计检测误差改写为：
9、
10、展开表示为：
11、
12、对上式的估计检测误差，建立待检测的卫星导航中频信号与理想的卫星导航中频信号之间的检测关系式为：
13、
14、其中，为待检测信号的第i个检测量，在此处定义为微小异常信号第i个检测量；为理想信号的第i个检测量，k为通过虚警概率pf和漏检概率pm计算得到的常数，σnor为理想信号下的标准差；β表示筛选出的最大估计检测误差量，当检测器β大于等于设定值时，认为该信号存在异常，并对该卫星进行标记；
15、考虑到基带域信号处理时间步长t1与raim算法监测历元时间步长t2存在不一致问题，但t2能被t1整除，即t2/t1＝λ，且多路相关估计误差检测量β为单颗卫星基带域监测结果，故第n通道多次估计检测的最大误差量，即单通道多路相关的估计误差检测量模型α如下式所示：
16、
17、其中，j＝0，1，......，λ，表示在完成单次raim检测时长下的基带信号处理次数；βj表示第j次的估计误差检测量值；α表示在t2检测时长下的多次估计误差中的最大值；
18、因此，推导出n个通道的估计误差检测矩阵，即n通道多路相关的估计误差检测量模型为：
19、
20、其中，αn表示第n个通道的最大估计误差检测量；
21、步骤2：结合n通道多路相关的估计误差检测量和raim算法的融合，建立基带域辅助的raim算法扩展观测方程；
22、接收机在基带域完成载波和伪码剥离后，解算数据码获得导航卫星的三维坐标信息(xn，yn，zn)、时钟误差δt以及伪距误差δρ，其中n为卫星数量索引编号，因为每个通道有且仅有一颗卫星的信号，所以在此处n既表示通道编号，也表示可见卫星数；假设可观测的卫星数为n，raim观测方程为：
23、y＝hx+ε
24、其中，y＝[δρ1δρ2...δρn]t，δρn表示第n颗卫星的伪距误差；hn×4为n行4列的状态观测矩阵；x＝[δx δy δz δt]t为接收机水平、垂直方向位置偏差和时钟误差；ε表示服从高斯分布的噪声矢量；
25、由步骤1基带域多路相关的估计误差检测量模型得，各颗卫星的测距码相位最大估计误差为cdev＝[α1α2...αn]t，设伪码速率为ccode_rate，则由伪距定义得，t2检测时间内每颗卫星所产生的伪距偏差的平均伪距偏差为：
26、
27、其中，δp表示n颗卫星测距码相位误差引起的平均伪距偏差量；c表示光速；i1×n表示1行n列的一维单位行向量，所示单位行向量是指其中元素均为1的向量，此处n表示可见卫星数；构造平均伪距偏差向量为p＝[δp1δp2...δpn]t且向量p中的值均为δp，所以重构离散线性化后的伪距误差量为z＝y-p；
28、重构扩展的状态观测矩阵为：
29、
30、其中，wn1＝(xn-xu)/rn，wn2＝(yn-yu)/rn，wn3＝(zn-zu)/rn，第n颗卫星的三维位置坐标为(xn，yn，zn)，用户接收机的三维位置坐标为(xu，yu，zu)，第n颗卫星到用户接收机的几何距离为钟差为δt＝1；偏差量为x＝[δx δyδz δt g]t，g＝c/ccode_rate为辅助观测常数；故而基带域辅助的raim算法扩展观测方程为：
31、z＝fx+ε
32、其中，ε表示服从高斯分布的噪声矢量。
33、步骤3：通过最小二乘法计算出接收机伪距观测值的残差量，进而建立基带域辅助的raim算法的联合检验统计量模型；
34、对步骤2中的基带域辅助的raim算法扩展观测方程进行最小二乘法计算的最小二乘解为：
35、
36、计算出用户接收机伪距残差为：
37、
38、其中，i为单位矩阵；
39、记u＝i-f(ftf)-1ft，则用户接收机伪距残差改写为：r＝uε；推导计算出伪距残差各分量平方和为：
40、fεε＝rtr＝εtuε
41、其中，fεε/σ2服从自由度为(n-4)的χ2分布；
42、所以基带域辅助的raim算法的联合检验统计量模型tjoin为：
43、
44、和联合检验统计量tjoin相应的检测门限tthr为：
45、
46、其中，σ为伪距噪声的标准差；t是通过恒定误警率pfa计算出的常数；
47、最后将联合检验统计量tjoin与检测门限tthr比较，若tjoin＜tthr，则此刻的卫星导航系统无故障，反之则存在故障，给出告警信息并进行故障隔离。
48、一种基于基带域辅助raim算法的导航系统故障检测装置，用于实现前述一种基于基带域辅助raim算法的导航系统故障检测方法，具体包括rom1，rom2、ram、fpga以及dsp；所述rom1与rom2连接fpga，其中rom1预写入卫星导航接收机本地伪码序列，rom2预写入正弦函数的离散序列；所述ram分别连接fpga和dsp，用于暂存fpga模块和dsp逻辑计算过程中产生的数据量，方便后续数据读取；所述fpga采用十二通道，每一通道的多路相关器模块采用9个相关器进行运算，每一通道包括：载波nco模块、去载波模块、快捕模块、c/a码产生模块以及多路相关器模块，fpga和dsp之间通过交互数据总线连接；所述dsp负责逻辑运算的任务，包含电文解码、基带域检测量计算、观测数据最小二乘计算、联合检测量函数计算、故障检测和故障判决计算。
49、所述载波nco模块调用rom2中的正弦函数信息，通过快捕模块提供的初始化载波相位产生可调节的单频复正弦信号，为去载波模块提供单频复正弦信号；
50、所述去载波模块接收的零中频导航信号与本地载波进行复位相乘运算，将中频信号搬移到零频，并把去载波信号送入多路相关器模块中；
51、所述快捕模块通过fft捕获算法将进入接收机的信号进行捕获和甄别，提供初始化载波nco产生模块和c/a码产生模块的粗略载波相位和粗略伪码相位；
52、所述c/a码产生模块通过初始化rom1中对应的伪码序列来获得伪码，然后通过快捕模块中的粗略码相位来产生本地粗略的即时c/a码，然后根据设置好的相关器间隔提供9路不同本地的时延c/a码给多路相关器模块；
53、所述多路相关器模块中，将接收的去载波信号与c/a码产生模块提供的9路本地时延c/a码进行相关累积运算，并计算出9路的相关值存入ram1中，并将剥离c/a码的信号发到dsp中进行下一步解码和判决计算。
54、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
55、本发明提供一种基于基带域辅助raim算法的导航系统故障检测装置及方法，具备以下
56、有益效果：
57、1.在导航卫星接收机完好性监测过程中，考虑了接收机中频基带信号处理部分带来的影响。通过使用中频基带信号处理中的监测参数来辅助raim算法的故障检测，该方法可提高故障检测的灵敏度，能够有效的给出告警信息和故障识别。
58、2.本发明不再是仅限于理论仿真，而是在提供该方法理论模型的同时，本发明能够用fpga和dsp来硬件实现，本方案具有实际参考价值。