[发明专利]一种用于卫星导航系统的接收机自主完好性监测方法

说明书

技术领域

本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种用于卫星导航系统的基于多星故障检测与排除 的接收机自主完好性监测方法。

背景技术

完好性是指当系统不能用于正常导航、定位，或系统误差超限时，向用户提供及时告警 的能力。在采用卫星导航定位系统时，完好性对很多应用来说很重要，而对航空航天来说是 关系重大的，因为用户正在以高速航行，而且可能会很快偏离航路。由于通过卫星导航系统 自身的操作控制部分进行卫星故障监测时，告警时间比较长，通常在15分钟到几小时之内， 不能满足航空导航需求，因此就需要在用户端对卫星故障进行快速监测，即接收机自主完好 性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，简称为RAIM)。RAIM是一种用来 提供系统信息测量可信度的技术，当系统性能超出指定的容差级时，它还能实时有效的给用 户提供告警信息。目前关于RAIM的研究大多集中在单星故障的假设上，然而，在一些对完 好性要求特别苛刻的领域，如民用航空领域，这种单故障假设并不能满足要求。特别是在全 球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，简称为GNSS)蓬勃发展的今天， 采用多星座组合方式进行导航定位已成为一种必然的趋势，此时，多颗卫星同时发生故障的 概率将会增大，尤其是两颗卫星同时发生故障的概率将不能再被忽略，在进行RAIM方法研 究中应予以考虑。这里，对任意一种卫星导航系统，如美国的导航星测时与测距全球定位系 统(Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System，简称为 GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLObal NAvigation Satellite System，简称为 GLONASS)、欧盟的伽利略(GALILEO)系统、中国的北斗二代卫星导航定位系统 (BeiDou-2，简称为BD2)等，简称为单系统；对任意两种卫星导航系统的组合系统，简 称为双系统；对任意三种卫星导航系统的组合系统，简称为三系统；对任意四种卫星导航系 统的组合系统，简称为四系统；对双系统及其以上系统统称为多星座卫星导航系统或组合星 座卫星导航系统，简称为多系统。

显然，在应用中，仅仅检测出故障是不够的，还必须能够快速进行故障排除，以使得操 作可以在不间断的情况下继续进行，这就要求接收机必须具有故障检测与排除(Fault Detection and Exclusion，简称为FDE)功能，这也就是RAIM的两个基本功能，即故障 检测(Fault Detection)与故障排除(Fault Exclusion)。在卫星导航定位系统中，为了 满足故障检测功能，则至少需要有一个多余观测量，即要在满足定位解算所需最少观测卫星 数的基础上再增加一颗观测卫星；而为了实现故障排除功能，则至少需要有两个多余观测量， 即要在满足定位解算所需最少观测卫星数的基础上再增加两颗观测卫星。

故障检测，就是计算出观测卫星组合的定位误差，并根据计算结果进行分析判断，如果 计算出的位置误差满足规定要求，就认为所用卫星组合工作状态正常无故障，而如果计算结 果超出规定的要求，就认为所用卫星组合中存在故障卫星。

故障排除，就是在故障检测的基础上，进一步对所用的观测卫星组合进行分析判断，排 除故障卫星以获得无故障卫星的卫星组合。

在RAIM技术中，目前广泛采用最小二乘残差法和奇偶空间法。

最小二乘残差法：在卫星导航定位系统中，线性化测量方程如下

y＝Hx+ε                            (1)

式中，y表示实测伪距与伪距估计值之差，y∈Rⁿ，n为定位解算中的卫星个数，n为正 整数，其中R表示实数域；H表示用户至导航卫星的方向余弦矩阵，也称为设计矩阵， H∈R^n×m；m表示采用最小二乘法进行定位解算时的状态量个数，有m＝3+sys，sys表示组合 星座卫星系统个数，在单系统中sys＝1、在双系统中sys＝2、在三系统中sys＝3、在四系统 中sys＝4，根据目前星座建设发展状况，暂时不会出现五系统及其以上的组合星座系统；x是 对先前位置和接收机钟差的修正向量，x∈R^m，ε是伪距测量误差矢量，ε∈Rⁿ。

其最小二乘解为：