多测站广播星历确定用户测距精度上界值的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星导航系统性能监测与评估，更具体涉及合成GPS广播星历时，确定 用户测距精度(User Range Accuracy-URA)参数统一表达形式以及上界值的方法，该方法 适用于GPS卫星导航系统完好性监测与评估的广播星历合成。
【背景技术】
[0002] 精度、完好性、连续性与可用性是卫星导航系统四个重要性能指标，其中完好性对 民航等涉及生命安全的应用领域至关重要，其性能监测与评估备受关注。而GPS空间信号 (Signal in Space-SIS)完好性的监测与评估是GPS系统完好性保障中的重要组成部分，它 和广播星历中的用户测距精度(URA)指标以及卫星健康标记密切相关:GPS现代化之前，当 卫星健康标记为〇时，用户测距误差（User Range Error-URE)超过4.42XURA_UB(URA上界 值），但未及时报警的概率小于l〇_5/h(称之为完好性风险）；GPS现代化以后，当完好性状态 标记（Integrity Status Flag-ISF)为0时，完好性风险与现代化前的相同，当完好性标记 (ISF)为1(即为"增强"模式）时，用户测距误差（URE)超过5.73倍的用户测距精度上界值 (URA Upper Bound value_URA_UB)，但未及时报警的概率小于10-8/h。由此可见，用户测距 精度上界值(URA_UB)在卫星导航系统的完好性保障、完好性监测与评估中具有关键作用。
[0003] 然而，现在合成的广播星历中还没有一种统一的用户测距精度上界值可用于GPS 空间信号完好性监测与评估。广播电文中的用户测距精度是四位二进制数表示的指数形式 (URA Index-URA_IX)，除此外，还有用户测距精度上界值(URA_UB)，用户测距精度下界(URA Lower Bound value_URA_LB)、用户测距精度名义值（URA Normal Value_URA_NV)两种形 式。四种表示形式对应的值如下表所示(GPS Navstar Joint Program Office，Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces,IS-GPS-200,Revision H,GPS Navstar Joint Program Office,El Segundo,CA,Sep.7,2013)：
[0004] 表2用户测距精度的四种不同表示形式
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[0007] 表2中，当用户测距精度指数等于15时，表示无可用的预测准确度，用户使用该卫 星定位时，风险自担。
[0008] 各接收机厂家采用的处理方式不同，导致其输出的URA值含义不尽相同，例如国际 GNSS服务组织（IGS)有些测站获取的广播星历中的用户测距精度采用名义值形式，如测站 dgar的接收机(类型:ASHTECH UZ-12)、测站dgav的接收机(类型:JAVAD TRE_G3TH)，而有些 采用指数形式，如测站nist的接收机（类型：N0V 0EM4-G2)、测站matl的接收机（类型： TMMBLE 4000SSI)，此外还有些接收机采用下界值、上界值作为用户测距精度的表示形式。 而国际GNSS服务组织（IGS)提供的合成广播星历(brdc)中的用户测距精度(URA)参数表达 形式也不统一，比如2015年9月17日（年积日260天)至2015年10月16日（年积日289天）间，国 际GNSS服务组织（IGS)提供的GPS合成广播星历（brdc)中的用户测距精度值主要是{0,2， 2.8，2.9，4,5.7，8,4096}中的元素，比如2015年9月20日（年积日263天）的用户测距精度值 有:0,2,2.8,2.9,4,5.7，由这些值很难判断是哪种用户测距精度的表达形式，2015年9月16 日（年积日262天）中的用户测距精度值甚至有负值，即使卫星健康标记为不健康，这也是不 合理的。由此可见，国际GNSS服务组织（IGS)提供的GPS合成广播星历是不能用于该系统的 完好性监测与评估的。
[0009] 此外，GPS卫星可能受到周围环境、星上载荷工作状态影响，导致播发的数据与所 注入数据不同，即使GPS运行控制系统的地面监测站能够监测到异常，一般需要45分钟，甚 至更长的时间作出反应。因此地面运控端的注入星历也不能作为GPS系统完好性评估的基 础数据。
[0010] 在解决这类难题的方法中，有学者（HengL·，GaoG·X·，WalterT·，etal· (2010).GPS Ephemeris Error Screening and Results for 2006-2009[C]. ION 2010 International Technical Meeting January 25-27，2010，San Diego,CA.；Heng L.,Gao G.X.,Walter T.,et al.(2011).Digging into GPS Integrity-Charting the Evolution of Signal-in-Space Performance by Data Mining 400,000,000 Navigation Messages [J].GPS World,22(11):44-49.；Heng L.,Gao G.X.,Walter T.,et al.(2012).GPS Signal-in-Space Integrity Performance Evolution in the Last Decade[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,48(4) :2932-2946)提出米用基于 模式识别的方法分五步判定导航星历文件中提取的用户测距精度(URA)数据属于哪种表示 形式，并对2004年至2010年的广播星历数据进行了合成。虽对同一台接收机来说，其解码得 到的所有卫星URA值表示形式是统一的，这也易于采用模式识别方法判定，但是仍有少数国 际GNSS服务组织（International GNSS Service-IGS)跟踪站的导航星历文件中的用户测 距精度(URA)值并不是上述四种表示形式中的任一个值。而上述文献所提出的模式识别法 将这类数值认为是除用户测距精度指数(URA_IX)表达形式外的其它形式，并将其归入差值 绝对值最近的用户测距精度(URA)表示形式。这种处理方法忽略了导航文件中用户测距精 度(URA)不同数值出现的频次，实际上异类用户测距精度(URA)值出现的次数很少。因此，前 述文献提出的用户测距精度(URA)表示形式判定的模式识别法在实际应用中存在不足。
【发明内容】
[0011 ]本发明的目的是:提供一种多测站广播星历确定用户测距精度上界值(URA_UB)的 方法，该方法采用频次加权模式识别确定单个测站用户测距精度(URA)表示形式，再根据多 个测站广播星历中的用户测距精度(URA)值确定对应时刻、对应卫星的用户测距精度上界 值(URA_UB)。该方法合成的用户测距精度上界值可用于全球卫星导航系统空间信号的完好 性监测与评估，为提升卫星导航系统性能提供更科学的参考依据。
[0012]为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
[0013] 1、多测站广播星历确定用户测距精度上界值的方法，该方法是在有N个可以提供 广播星历数据的GNSS测站的条件下，确定用户测距精度的上界值，具体步骤如下：
[0014] a、给每个测站一个序号，第m个测站是指序号为m的测站，m=l，2,…，N;
[0015] al、令 m=l;
[0016] b、如果m>N，执行步骤m，否则读取第m个测站的广播星历数据，存入集合 = 极1，射2:，:…中，其中Mi表示该测站第i组广播星历数据，i = 1，2，…，n，n表示第m个 测站的广播星历组数；
[0017] c、将第m个测站广播星历中的用户测距精度存入向量^中，Sm=[ si，s2，…，Sn]，其 中81为第i组广播星历吣中的用户测距精度，i = l，2,…，η;
[0018] d、构造向量S'，向量S'的第一个元素为=
[0019] dl、令 i = 2，l = l;
[0020] d2、读取S中的第i个元素 Sl，令j = l;
[0021] d3、读取S'中的第j个元素 s'J;
[0022] d4、当Si = s'j，令i = i+l，如果i>n执行步骤e，否则执行步骤d2,当Si关s'j，令j = j +1，如果j>l，执行步骤d5，否则执行步骤d3;
[0023] d5、令 1 = 1+1，5'的第1个元素8/1 = &;
[0024] 6、统计5'的元素8/：1在5111中出现的次数，记为;^，其中1 = 1，2，-_，1，组成向量€ = [fi,f2,··· ,fi];
[0025] f、对f进行归一化处理，得到f'
[0026]
[0027] g、令1^ = URA_IX = [0，1，…，15]，称URA_IX为用户测距精度指数向量，
[0028] L2 = URA_LB= [0.00,2.40,3.40,4.85,6.85,9.65,13.65,24.00,48.00,96.00, 192 · 00,384· 00,768 · 00,1536 · 00,3072 · 00,6144· 00]，称URA_LB为用户测距精度下界向量，
[0029] L3 = URA_NV=[2.00,2.83,4.00,5.66,8.00,11.31,16.00,32.00,64.00,128.00, 256 · 00,512 · 00,1024· 00,2048 · 00,4096 · 00]，称URA_NV为用户测距精度名义向量，
[0030] L4 = URA_UB= [2.40,3.40,4.85,6.85,9.65,13.65,24.00,48.00,96.00,192.00, 384· 00,768 · 00,1536 · 00,3072 · 00,6144· 00]，称URAJJB为用户测距精度上界向量；
[0031]