一種可同時檢測識別多種故障的接收機自主完好性檢測方法與流程
2024-01-22 20:10:15 2
本發明實施例涉及衛星導航領域，尤其涉及一種可同時檢測和識別緩變故障和突變故障的完好性監測方法和裝置。
背景技術：
接收機自主完好性監測(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM)是衛星導航接收機中的一項重要技術，是保證衛星導航系統的解算結果正確可用的前提。RAIM必須具有故障檢測和故障識別兩項功能，要能夠檢測到衛星故障，並且在檢測到故障後，進行故障識別，找出故障衛星將其從導航定位解中排除。由於RAIM技術對衛星導航系統的重要作用，RAIM故障檢測和識別方法是近年來的研究熱點。
隨著衛星導航系統的廣泛應用，傳統的只考慮單一衛星發生較大的突變故障的假設對一些特殊場合已不再適用，衛星發生微小緩變故障或多顆衛星同時故障的概率將不可被忽略，現目前，已有多解分離法、雙故障排除法和偽距一致性比較法可用於多星故障，也有累積曆元的奇偶矢量法可用於微小緩變故障。
多解分離法通過計算衛星的全集和子集的保護水平，選擇產生最小的保護水平的衛星組合來進行導航計算；雙故障排除法通過遍歷剔除兩顆衛星後的衛星組合的監測統計量與門限進行對比識別故障衛星，僅針對雙星故障；偽距一致性比較法通過計算全部四顆衛星的子集與門限值進行比較來判斷故障衛星；累積曆元的奇偶矢量法通過構造多曆元的奇偶矢量累積檢測量，放大非中心化參數倍數，以檢測微小緩變故障，但無法檢測突變故障。
針對高精度用戶對同時排除微小緩變故障、突變故障以及多星故障的需求，需要採用一種可同時檢測和識別這幾種故障的RAIM方法，從而能夠保證不管衛星發生何種故障都可以保證衛星導航系統的定位導航的可用性和可靠性。
技術實現要素：
發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種針對高精度用戶對衛星導航系統的可用性和可靠性的需求，提供一種可檢測和識別微小緩變、突變和多星故障的RAIM新方法。本發明方法簡單，檢測識別率高，不僅可以檢測識別突變故障和多故障，對微小緩變故障也有很高的檢測識別率。
技術方案：為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：
一種可同時檢測識別多種故障的接收機自主完好性檢測方法，包括以下步驟：
步驟1，根據衛星導航電文獲取衛星瞬時位置坐標，在結合用戶觀測文件數據計算每個可見衛星的仰角。
步驟2，根據步驟1得到的可見衛星的仰角以及導航系統的鐘差轉換因子和衛星遮蔽角確定觀測矩陣。
步驟3，對觀測矩陣進行奇偶分解，得到與故障矢量相關的奇偶矢量，並與前幾個時刻的奇偶矢量累加得到多曆元累加奇偶矢量。
步驟4，先根據衛星幾何布局對RAIM的可用性進行計算，若RAIM算法可用，則根據殘差變化率的大小對奇偶矢量和多曆元累加奇偶矢量進行加權計算，得到加權後的新檢驗統計量，並與誤警率相關的門限值進行對比，得出故障檢測的結果。
步驟5，若檢測到故障，根據可見衛星數對可能的故障個數進行假設，得到可能的故障模式，採用極大似然準則方法在每個故障模式中進行故障識別並排除故障衛星。
步驟6，利用剩下的健康衛星進行定位導航。
所述步驟1中計算每個可見衛星的仰角的方法：首先根據衛星導航電文計算衛星軌道運行參數，根據軌道參數計算衛星的瞬時位置坐標，結合用戶觀測文件數據計算用戶的近似位置，則由用戶位置和衛星位置可計算每個可見衛星的仰角和方位角。
所述步驟2中確定觀測矩陣的方法：根據所給定的衛星遮蔽角，排除仰角低於遮蔽角的衛星，並根據導航電文中的各系統的時間轉換因子和接收機偽距測量值，計算出只包含一個接收機鐘差項的觀測矩陣。
所述步驟3中求得奇偶矢量和多曆元累加奇偶矢量的方法包括以下步驟；
步驟31，對觀測矩陣G進行奇偶分解；
QR＝G
G表示觀測矩陣，Q表示觀測矩陣分解後的正交矩陣，R表示分解的上三角矩陣。
步驟32，分解後的正交矩陣Q取其後(n-4-m)行且令其為Qp；
Qp＝Q(n-4-m:n,:)
n表示G矩陣行數，m表示組合導航系統個數，雙系統為一，三系統為二。
步驟33，考慮偽距觀測誤差ε，則奇偶矢量p；
p＝Qpε
步驟34，多曆元累加奇偶矢量：
其中，N為正交矩陣Q不發生變化時的累加曆元個數。
正交矩陣Q不發生變化時的累加曆元個數最大不超過10。
所述步驟4中得出故障檢測的結果的方法，包括以下步驟：
步驟41，RAIM的可用性可由平面精度衰減因子的變化量δHDOPi、非中心化參數λ和等效測距誤差決定；
HPL表示水平保護水平，δHDOPi表示平面精度衰減因子的變化量，λ表示非中心化參數，σ0表示等效測距誤差。
步驟42，若HPLTr或Ri>Tr的第i顆衛星後，若系統檢測無故障，則進行步驟六，否則，繼續進行多故障的識別。
步驟53，根據可見衛星數n對可能的故障個數nfault進行假設；
nfault＝round((n-8)/8)
nfault表示故障個數，n表示可見衛星數。
步驟54，由故障個數nfault可得出雙星故障及以上的故障假設模式，共有K個故障模式；
步驟55，每個故障模式即為去除某兩顆星後的可見衛星組合，計算第k個故障檢測的檢驗統計量σk進行計算，採用極大似然準則方法在每個故障模式中進行故障識別，並將識別出的故障衛星排除；若檢測出無故障，即：
σk<Tk時，獲取檢測出無故障的故障模式k即為隔離了故障衛星的故障模式。
所述步驟6中利用剩下的健康衛星進行定位導航大方法：使用排除故障衛星後的健康衛星集合，採用最小二乘迭代迭代的方法實現用戶的三維位置坐標及鐘差的求解。
有益效果：本發明提供的一種可同時檢測識別多種故障的接收機自主完好性檢測方法，其優點在於以下幾個方面：
1.通過多曆元累積奇偶矢量構造了檢驗統計量，可對微小緩變進行檢測。
2.構造了單曆元和多曆元累積的檢驗統計量的加權檢驗統計量，克服了多曆元時對突變故障不敏感的缺點，可以同時對緩變和突變故障進行檢測。
3.在故障識別時，克服了極大似然方法無法識別多故障的缺點，採用了故障模式假設的方法，提高了對多故障的識別率
附圖說明
圖1是本發明用於衛星導航系統的RAIM方法流程圖；
圖2是突變故障檢測過程；
圖3是微小緩變故障檢測過程；
圖4是雙故障的故障識別率。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。
本發明提供一種用於衛星導航系統的接收機自主完好性監測方法，是一種可檢測和識別微小緩變、突變和多星故障的RAIM新方法，所屬方法流程圖如圖1所示，包括以下步驟：
步驟一：獲取衛星瞬時位置坐標。
在某一觀測曆元，根據衛星導航電文計算衛星軌道運行參數，根據軌道參數計算衛星的瞬時位置坐標，結合用戶觀測文件數據計算用戶的近似位置，則由用戶位置和衛星位置可計算每個可見衛星的仰角和方位角。
步驟二：獲取觀測矩陣。
給定的衛星遮蔽角為10°，排除仰角低於10°的衛星，根據導航電文中的各系統的時間轉換因子和接收機偽距測量值，計算出只包含一個接收機鐘差項的觀測矩陣G。
步驟三：對觀測矩陣進行奇偶分解，求得奇偶矢量和多曆元累加奇偶矢量。
對觀測矩陣G進行奇偶分解：
QR＝G (3)
G表示觀測矩陣，Q表示觀測矩陣分解後的正交矩陣，R表示分解的上三角矩陣。
分解後的正交矩陣Q取其後(n-4-m)行令為Qp：
Qp＝Q(n-4-m:n,:) (4)
n表示G矩陣的行數，m表示組合導航系統個數，雙系統為一，三系統為二。
考慮偽距觀測誤差ε，則奇偶矢量p：
p＝Qpε (5)
多曆元累加奇偶矢量：
其中N為Q不發生變化時的累加曆元個數，最大不超過10。
步驟四：若RAIM可用，根據殘差變化率的大小對檢驗統計量進行加權，得到加權累加奇偶矢量並對微小緩變故障和突變故障進行故障檢測。
當前曆元的HPL可由平面精度衰減因子的變化量δHDOPi、非中心化參數λ和等效測距誤差決定。
而RAIM的可用性可由水平保護水平HPL與水平保護限值HAL比較得到。
若HPLTr的第i顆衛星後，若系統檢測無故障，則進行步驟六，否則，繼續進行多故障的識別。
3)，根據可見衛星數n對可能的故障個數nfault進行假設：
nfault＝round((n-8)/8) (15)
4)，由nfault可得出雙星故障及以上的故障假設模式，共有K個故障模式：
5)，每個故障模式即為去除某兩顆星後的可見衛星組合，在每個故障模式中對第k個故障檢測的檢驗統計量σk進行計算，採用極大似然準則方法在每個故障模式中進行故障識別，並將識別出的故障衛星排除；若檢測出無故障，即：
σk<Tk時，獲取檢測出無故障的故障模式k即為隔離了故障衛星的故障模式。
步驟六：利用剩下的健康衛星進行定位導航。
經過故障檢測與排除後，可以用最小二乘迭代如式(17)，進行用戶三維位置和鐘差的解算。
為了驗證發明所提出的RAIM方法的正確性和有效性，採用該方法進行matlab仿真驗證。圖2為算法在人為的給任意一顆衛星偽距加入10m的突變故障時的檢測效果，圖3為人為的給任意一顆衛星偽距加入4m的微小緩變故障時的檢測效果，圖4為雙故障時的故障識別率。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。