一种伪卫星辅助GNSS定位的接收机自主完好性监测方法

本发明涉及卫星导航，尤其是涉及一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法。

背景技术：

1、全球卫星导航系统(global navigation satellite system，gnss)能够为全球用户提供实时、高精度和全天候的定位服务。随着多频多星座技术的发展，用户接收机的可见卫星数量增加，进一步提高了定位精度，但在一定程度上会使卫星和星座的潜在故障概率增加。gnss完好性监测技术通过测量导航系统提供的定位结果的置信度，在定位精度不能满足特定飞行阶段的导航性能要求时及时向用户发出告警信息。

2、在民用航空领域，完好性监测技术至关重要，是保障航空运行安全的重要手段。接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitor，raim)是一种机载增强系统技术(aircraft-based augmentation system，abas)，通过利用冗余卫星观测量进行观测量的一致性检验实现故障的快速检测。然而，raim的性能与可见卫星数量有关，当卫星测量不足时，raim的可用性和故障检测性能将急剧下降。在进近和着陆阶段，由于障碍物的遮挡通常会导致gnss卫星的低能见度，导致可见卫星的不足以及较差的几何构型。此时，传统的raim方法将无法满足进近和着陆阶段严格的导航性能要求。

3、伪卫星作为导航卫星的重要补充，是一种能够发射类似导航信号的定位信号发生器。伪卫星系统可以在遮挡物较为严重的区域，如城市、峡谷以及室内等无法接收gnss卫星导航信号的区域实现导航定位。伪卫星的布局是影响定位精度的影响因素之一，在相同的伪距测量误差下，良好的伪卫星位置分布可以大大降低定位误差，改善定位精度。在进近或着陆等导航卫星信号质量比较差的阶段，经过增加伪卫星的方式可以提高导航定位的精度。同时，将组合系统用于raim中，可以提高故障检测的性能，提升raim在复杂环境下的可用性。

4、基于此问题本发明提出了一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测算法，在可见卫星数不足时，利用地面布设的伪卫星基站提供冗余信息以丰富导航测量，改善进近和着陆阶段的完好性监测性能，扩大了raim的应用范围。同时，采用麻雀搜索算法对伪卫星的位置分布进行优化，可以提高伪卫星独立定位系统的定位精度，为航空生命安全应用提供更加安全可靠的导航定位服务。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，可以改善进近和着陆阶段下的卫星几何构型，提升raim的故障检测性能和可用性。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，包括以下步骤：

3、根据观测量和伪卫星的位置构建伪卫星系统的观测矩阵；

4、通过观测矩阵构建权系数矩阵，根据权系数矩阵的分量并计算空间位置精度因子pdop；

5、确定辅助导航定位的伪卫星的布局的范围，并基于麻雀搜索算法实现伪卫星位置的优化；

6、根据用户接收机的观测量和gnss可见卫星的位置构建gnss卫星的伪距观测方程；

7、将gnss卫星和伪卫星系统进行组合，完成组合系统的定位解算；

8、构造组合系统的raim故障检测的检验统计量；

9、根据系统的误警率计算故障检测阈值并进行一致性检验，判断是否存在故障；

10、在系统不存在故障的前提下进行组合系统保护级计算；

11、根据保护级与告警限的关系判断raim系统的可用性。

12、优选的，根据观测量和伪卫星的位置构建伪卫星系统的观测矩阵，包括

13、用户接收机的位置为(xu,yu,zu)，第i颗伪卫星的位置为(xi,yi,zi)，n为伪卫星数目，系统内所有伪卫星之间的时钟是同步的，则观测方程表示为：

14、y1＝g1x+ε1 (1)

15、式中，y1为伪卫星的伪距测量值与估计值之差；g1为伪卫星的观测矩阵；x表示待估参数矢量，由三个坐标参数和伪卫星系统对应的接收机钟差参数组成；ε1为伪距误差向量；

16、伪卫星系统的观测矩阵如下：

17、

18、式中，(axi,ayi,azi)为从用户接收机指向第i颗卫星的单位矢量，单位矢量的计算式如下：

19、

20、优选的，根据观测矩阵构建权系数矩阵，根据权系数矩阵的分量计算空间位置精度因子pdop，包括

21、利用观测矩阵g，得到权系数矩阵h如下：

22、

23、利用pdop值的大小对伪卫星几何布局的优劣进行评估，pdop的计算公式如下所示：

24、

25、优选的，确定辅助导航定位的伪卫星的布局的范围，并基于麻雀搜索算法实现伪卫星位置的优化，包括

26、选取适应度函数，建立优化问题模型

27、根据实际用户环境在合适的范围内划定伪卫星的布局区域，选取以用户着陆点为中心的二维区域或者三维区域；

28、选取pdop为优化问题的适应度函数，将n颗伪卫星布局站点的三维位置坐标作为优化变量，通过寻找最优伪卫星的布局策略以获得最优的定位精度

29、

30、式中，(xi,yi,zi)为第i颗伪卫星的三维位置坐标，i＝1,2,...n；(x1,y1,z1)为伪卫星布局范围的下界，(x2,y2,z2)为伪卫星布局范围的上界；

31、种群初始化：设置种群规模为n，个体的维度为3×n，最大迭代次数itermax，安全阈值st，设置发现者，跟随者和预警侦察者的比例及数量，将种群内部的麻雀分组为f,g,h；初始化xf为发现者，xg为跟随者，xh为侦察预警者，确定伪卫星三维位置的变化步长，根据预先设置的伪卫星的布局范围边界，在范围的上下边界内根据步长大小随机生成伪卫星的三维位置坐标，并将全部伪卫星的位置组合形成麻雀的位置；

32、计算适应度函数值，即计算不同伪卫星布局下的pdop值

33、根据公式(6)构造适应度函数，将种群中的每只麻雀位置对应的伪卫星位置代入精度因子计算公式(5)中，得到每只麻雀的对应的pdop值；

34、记录种群中关键麻雀的位置及其对应的适应度函数值

35、记录当前迭代次数下，麻雀走过的最优位置xbest及对应的最优适应度值fg，麻雀走过的最差位置xworst及对应的最差适应度值fw，并更新所有迭代次数下的历史最优位置、最差位置、最优适应度值和最差适应度值；

36、迭代更新：根据适应度值的优劣，重新选择当前麻雀种群中的发现者、跟随者和预警侦察者，根据麻雀位置的更新公式依次更新发现者、跟随者和预警侦察者的位置，并计算对应的适应度函数值，在麻雀位置更新之后增加全局搜索策略，通过设定一个全局搜索概率，在每次迭代过程中以一定的概率进行全局搜索；

37、判断算法是否满足终止条件，满足则结束迭代得到伪卫星布局的优化位置以及优化的pdop值，否则，重复执行计算不同伪卫星布局下的pdop值、种群中关键麻雀的位置及其对应的适应度函数值、迭代更新。

38、优选的，根据用户接收机的观测量和gnss可见卫星的位置构建gnss卫星的伪距观测方程，包括

39、根据gnss卫星的卫星观测量和星历等信息，利用星历计算得到gnss卫星的位置，在gnss测量中，线性化后的伪距观测方程为：

40、y2＝g2x+ε2 (7)

41、式中，y2为gnss卫星的伪距测量值与估计值之差；g2为gnss卫星的观测矩阵；x为待估参数矢量，由三个坐标参数和gnss卫星系统对应的接收机钟差参数组成；ε2为伪距误差向量。

42、优选的，将gnss卫星和伪卫星系统进行组合，完成组合系统的定位解算，包括

43、gnss卫星系统与伪卫星系统时间同步，将gnss卫星的观测方程和伪卫星的观测方程相结合，得到组合系统的线性化测量方程：

44、yi＝gix+εi (8)

45、式中，x由三个坐标参数和卫星系统对应的接收机钟差参数组成；

46、根据最小二乘迭代的原理，则得最小二乘解为：

47、

48、将式(8)代入式(9)中，得到近似计算的伪距为：

49、

50、由式(8)与式(10)的差值得到伪距残差向量为：

51、

52、在上式中，i为单位矩阵，设s＝i-gi(gitgi)-1git，则有：

53、ω＝sεi (12)。

54、优选的，构造组合系统的raim故障检测的检验统计量，包括

55、残差向量包含了伪距观测量中的误差信息，利用残差向量构造出快照raim故障检测的检验统计量：

56、

57、观测噪声εi中的各个分量是相互独立的，并且全部卫星的则sse/σ02服从自由度为(n-4)的χ2分布，若伪距误差分量中包含有故障，则sse/σ02服从自由度为(n-4)的非中心化χ2分布。

58、优选的，根据系统的误警率计算故障检测阈值并进行一致性检验，判断是否存在故障，包括

59、根据系统给定的误警率可以计算sse/σ02的检测门限t：

60、

61、其中，σ02表示伪距观测误差的方差，sse表示伪距残差的平方和，p(sse/σ02＜t2)表示sse/σ02＜t2的概率，表示自由度为(n-4)的χ2分布的概率密度函数，pfa为系统规定的误警率；

62、然后，根据计算的检测门限，可以得到单位权重误差的检测门限为：

63、

64、将检验统计量与检测门限σt相比较，若检验统计量大于检测门限，则认为检测到了故障，反之则认为无故障；当检测到故障时，需要构建每颗卫星的检验统计量pi：

65、

66、式中，ωi为第i颗卫星的伪距残差，sii表示s中的第i行i列元素，根据误警率计算单颗卫星的检测门限td：

67、

68、将检测门限td和对应第i颗卫星的检验统计量pi进行比较，若pi＞td，则表示第i颗卫星发生了故障。

69、优选的，在系统不存在故障的前提下进行组合系统保护级计算，包括

70、计算出每颗卫星的斜率slope，slope定义为定位误差和检验统计量之间线性关系的斜率：

71、

72、式中，c＝(gitgi)-1git，s＝i-gi(gitgi)-1git，cij表示矩阵c的第i行第j列，sii为矩阵s的第i行第i列；

73、求出slopei的最大值slopemax：

74、

75、求满足漏警率要求的检验统计量的最小值：

76、

77、式中，λmin为满足漏警率要求的χ2分布的非中心参数的最小值。

78、水平保护级hpl可以由下式确定：

79、hpl＝slopemax×tmin (21)

80、优选的，根据保护级与告警限的关系判断raim系统的可用性，包括

81、将计算得到的水平保护级hpl与系统性能指标要求的告警限hal对比，若保护级小于告警限，即

82、hpl＜hal (22)

83、则认为raim可用，若计算出的保护级大于告警限，则认为raim不可用。

84、因此，本发明采用上述一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其技术效果如下所述：

85、(1)本发明提出了一种基于麻雀搜索算法的伪卫星布局方法，改善伪卫星的几何结构，提高了导航定位精度，具有一定的工程应用价值；

86、(2)本发明提出了一种伪卫星和gnss卫星组合系统的定位方法，可以在gnss卫星数量不足时使用伪卫星与gnss卫星的组合系统进行高精度的定位，提升定位质量；

87、(3)本发明提出了一种全局搜索策略的麻雀搜索算法，提升了算法全局最优解的搜索能力，避免陷入局部最优解；

88、(4)本发明提出了一种伪卫星和gnss卫星组合系统的接收机自主完好性监测方法，可以在遮挡较严重的环境或区域提供完好性监测，保证航空生命安全应用；

89、(5)本发明为伪卫星和gnss卫星组合系统的raim保护级提供一种新的计算方法，可以减小冗余保护级，提高raim可用性。

90、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，根据观测量和伪卫星的位置构建伪卫星系统的观测矩阵，包括：

3.根据权利要求1所述的一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，根据观测矩阵构建权系数矩阵，根据权系数矩阵的分量计算空间位置精度因子pdop，包括：

4.根据权利要求1所述的一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，确定辅助导航定位的伪卫星的布局的范围，并基于麻雀搜索算法实现伪卫星位置的优化，包括：

5.根据权利要求1所述的一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，根据用户接收机的观测量和gnss可见卫星的位置构建gnss卫星的伪距观测方程，包括：

6.根据权利要求1所述的一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，将gnss卫星和伪卫星系统进行组合，完成组合系统的定位解算，包括：

7.根据权利要求1所述的一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，构造组合系统的raim故障检测的检验统计量，包括：

8.根据权利要求1所述的一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，根据系统的误警率计算故障检测阈值并进行一致性检验，判断是否存在故障，包括：

9.根据权利要求1所述的一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，在系统不存在故障的前提下进行组合系统保护级计算，包括：

10.根据权利要求1所述的一种伪卫星辅助gnss定位的接收机自主完好性监测方法，其特征在于，根据保护级与告警限的关系判断raim系统的可用性，包括

技术总结
本发明公开了一种伪卫星辅助GNSS定位的接收机自主完好性监测方法，构建伪卫星观测方程；通过观测矩阵构建权系数矩阵，并计算空间位置精度因子；确定辅助导航定位的伪卫星的布局的范围，并基于麻雀搜索算法实现伪卫星位置的优化；构建GNSS卫星的观测方程；将GNSS卫星和伪卫星系统进行组合，完成组合系统的定位解算；构造检验统计量；根据系统的误警率计算故障检测阈值并进行一致性检验，判断是否存在故障；在系统不存在故障的前提下进行组合系统保护级计算；根据保护级与告警限的关系判断RAIM系统的可用性。本发明采用上述的一种伪卫星辅助GNSS定位的接收机自主完好性监测方法，可以改善进近和着陆阶段下的卫星几何构型，提升RAIM的故障检测性能和可用性。

技术研发人员：王志鹏,王虹霞,穆明,方堃
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5