一种接收机自主完好性监视的预测方法及预测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及民用航空飞行运行签派放行技术支持领域，特别是一种接收机自主完 好性监视的预测方法及系统。
【背景技术】
[0002] 接收机自主完好性监视（RAM)是一种仅利用GNSS伪距测量信息进行完好性监视 的技术。RA頂算法内嵌在接收机内部，接收机在接收GNSS测量信号进行定位解算的同时执 行RA頂算法。RA頂算法的完好性监视基本原理为检测各个卫星测量值之间的一致性，因 此需要有冗余观测信息。通常只有当接收机能获取五个以上卫星测量值时，RAIM算法才能 有效执行，实现故障检测（FD)，即判断接收到的卫星测量值是否存在异常。当获取六个以 上卫星测量值时，RA頂算法能够进行故障识别（FDE)，判断哪个测量值存在异常。RA頂不 需要借助外界其他设备和信息，检测速度快，方便易行，对于高动态运行的民航飞行运行而 言，能够满足其实时监视的需求。另外，RA頂技术应用成本低，易实现，在全球范围内均可 使用，成为目前使用最为广泛的一种完好性监视手段。
[0003] GNSS卫星信号属于视距信号，对于非透明障碍物穿透能力很弱。飞机在运行中， 特别是在地形复杂的机场终端区域运行时，飞行高度低，部分GNSS信号会受到附近山体或 者障碍物的遮挡，导致信号丢失。传统RA頂预测系统大都未考虑地形遮蔽的影响，通常以 机载接收机规定的仰角门限预测观测到的可见卫星情况。我国地貌起伏不平，截止2014年 底拥有着全世界42个高高原机场（海拔超过2438米）中的15个，并且今后还会有更多的 西部山区高高原机场建设开通。这些特殊机场地形复杂，飞机通常沿着河谷实施离场和进 近，地形遮蔽情况严重，有些机场的地形遮蔽角甚至达到20度以上，严重影响机载GNSS接 收机有效地接收GNSS卫星信号。如果RA頂预测算法不对地形遮蔽加以考虑，仅仅以接收 机门限仰角作为可见卫星的仰角门限，其预测结果不能准确直观的反映实际飞行中的RA頂 可用性情况，存在安全隐患。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种接收机自主完好性监视的预测方法及系统，以解决上述预测结果 不能准确直观的反映实际飞行中的RA頂可用性情况，存在安全隐患的技术问题。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种接收机自主完好性监视的预测方法，包 括以下步骤：
[0006] 步骤S1，采集三维集地形数据、飞行计划数据、GPS卫星历书数据；
[0007] 步骤S2,根据所述三维地形数据、所述飞行计划数据和所述GPS卫星历书数据计 算出所述飞行计划数据中某个时刻的GPS卫星位置坐标、飞机位置坐标和航段地形遮蔽 角；
[0008] 根据所述GPS卫星位置坐标、所述飞机位置坐标和所述航段地形遮蔽角计算卫星 相对飞机几何分布；
[0009] 步骤S3,根据所述地形遮蔽角、所述卫星相对飞机几何分布和接收机门限仰角筛 选出可见卫星；
[0010] 步骤S4,根据卫星相对飞机几何分布分析卫星伪距离测量误差，并根据所述伪距 离测量误差构建权系数矩阵；
[0011] 步骤S5,将所述观测矩阵和权系数矩阵代入加权HPL算法，计算出水平保护值；
[0012] 步骤S6,将所述水平保护值和水平告警门限值比较，获取所述接收机自主完好性 监视结果。
[0013] 本发明的有益效果是：通过在筛选可见卫星的步骤中，增加地形遮蔽角的筛选步 骤，提高了接收机自主完好性监视预测的准确性，特别是在地形复杂的机场终端区域运行 时，飞行高度低，部分GNSS信号会受到附近山体或者障碍物的遮挡，这样增加地形遮蔽角 的筛选步骤，去除山体或者障碍物的遮挡的影响，使得接收机自主完好性监视预测的准确 性和可信度更高。
[0014] 进一步，所述步骤S2中计算飞机位置坐标步骤包括，构建基于性能的导航航线模 型，所述基于性能的导航航线模型是基于WGS-84基准椭球体的大椭圆航线；
[0015] 根据所述大椭圆航线模型以及距离计算算法计算某个时刻的飞机的位置坐标（X、 y、z);
[0016] 其中，所述大椭圆航线的模型为：
[0018] 其中，坐标原点为大椭圆航线模型中心，XY平面为赤道平面，其中X轴指向0°经 度，Y轴指向东经90°，Z轴指向地理北极极点；A和B为所述大椭圆航线模型中的两点，A 点的空间直角坐标记为（xA，yA，zA)，B点的空间直角坐标记为（x B，yB，zB) ;a为基准椭球的 长半轴，b为基准椭球的短半轴；p、q和ζ满足如下公式：
[0020] 采用上述进一步方案的有益效果是：通过建立基于WGS-84基准椭球体的大椭圆 航线，基于性能的导航（PBN)摒弃了传统的台到台飞行模式，采用点到点飞行，即从一个航 路点飞往另一个航路点，航路点严格基于WGS-84坐标系定义。而是基于WGS-84基准椭球 体的大椭圆航线，这样飞机的位置预测更为准确。
[0021] 进一步，所述步骤S2中地形遮蔽角的计算包括：在所述三维集地形数据设置高程 提取点的经炜度坐标，根据所述经炜度坐标提取相应的高程信息；根据所述高程信息和所 述飞机位置坐标计算出某个时刻的地形遮蔽角。
[0022] 采用上述进一步方案的有益效果是：通过提取三维集地形数据中高程点的经炜度 坐标，计算出飞机位置坐标计算出某个时刻的地形遮蔽角，提高了地形遮蔽角的准确性。
[0023] 进一步，所述步骤S2中计算卫星相对飞机几何分布具体包括：以观测步长对某个 时刻上所述飞机位置为中心，建立站心坐标系，计算某个时刻所述卫星相对于所述飞机的 卫星观测仰角、卫星观测方位角和卫星观测距离。
[0024] 采用上述进一步方案的有益效果是：通过建立站心坐标系，能够准确计算出某个 时刻所述卫星相对于所述飞机的卫星观测仰角、卫星观测方位角和卫星观测距离。
[0025] 进一步，所述步骤S3中筛选可见卫星包括：根据所述卫星观测仰角、所述地形遮 蔽角和接收机门限仰角，筛选除所述卫星观测仰角小于所述接收机门限仰角的卫星和所述 卫星观测仰角小于所述地形遮蔽角的卫星。
[0026] 采用上述进一步方案的有益效果是：将卫星观测仰角小于地形遮蔽角的卫星筛 除，确保预测到的卫星在任意状态下都是可见的，提高了系统预测的准确性。
[0027] 进一步，根据所述卫星相对飞机几何分布构建观测矩阵G，所述观测矩阵G为：
[0028] 其中，α (N)和Θ~分别表示N个可见卫星相对于飞机的卫星观测方位角和卫星观 测仰角。
[0029] 采用上述进一步方案的有益效果是：通过建立观测矩阵G，便于准确计算系统的 水平保护值。
[0030] 进一步，所述步骤S4中卫星伪距离测量误差σ i满足如下公式：
[0032] 其中，σ i URA为卫星时钟和星历误差，σ i icin。为电离层延时误差，σ i trop。为对流层 延时误差，Q1,为接收机多路径误差，σ 接收机热噪声误差，i为1至N ;
[0033] 所述权系数矩阵为：
[0035] 采用上述进一步方案的有益效果是：通过建立权系数矩阵，便于准确计算系统的 水平保护值。
[0036] 进一步，所述步骤S5中所述水平保护值的计算公式为：
[0038] 其中，Aw, JP Aw,21分别代表矩阵1行第i列和第2行第i列数值；所述矩阵 Aw为：
[0039] Aw= (GtCG) 1GtC
[0040] Swai是矩阵Sw的第i行第i列数值，矩阵S ￥为：
[0041] Sw=In-G(GtCG)1GtC
[0042] C11为矩阵C的第i行第i列元素，λ是满足漏检概率要求的非中心分布X 2 (N-4， λ )中的非中心参量，N为可见卫星的数量，^为N阶单位矩阵，矩阵C表示权系数矩阵W的 协方差，矩阵C为：
[0043] C = WtW0
[0044] 采用上述进一步方案的有益效果是：通过水平保护值（HPL)的计算公式，准确计 算出水平保护值（HPL)，便于将计算出的水平保护值和水平告警门限值比较，准确获取接收 机自主完好性监视结果。
[0045] 本发明还提供一种接收机自主完好性监视的预测系统，其特征在于，包括数据采 集模块、第一计算模块、可见卫星筛选模块、权系数矩阵构建模块、水平保护值计算模块和 检测结果获取模块；
[0046] 所述数据采集模块，用于采集三维集地形数据、飞行计划数据、GPS卫星历书数 据；
[0047] 所述第一计算模块，用于根据所述三维地形数据、所述飞行计划数据和所述GPS 卫星历书数据计算出所述飞行计划数据中某个时刻的GPS卫星位置坐标、飞机位置坐标和 航段地形遮蔽角；根据所述GPS卫星位置坐标、所述飞机位置坐标和所述航段地形遮蔽角 计算卫星相对飞机几何分布；
[0048] 所述可见卫星筛选模块，用于根据所述地形遮蔽角、所述卫星相对飞机几何分布 和接收机门限仰角筛选出可见卫星；
[0049] 所述权系数矩阵构建模块，用于根据卫星相对飞机几何分布分析卫星伪距离测量 误差，并根据所述伪距离测量误差构建权系数矩阵；
[0050] 所