一种基于最小二乘残差边缘检验的完好性处理方法

摘要

本发明公开了一种基于最小二乘残差边缘检验的完好性处理方法，包括如下步骤：1）计算各个卫星对应的最小二乘残差；2）对各个卫星对应的最小二乘残差进行排序处理，选择排序前N1个及后N2个的残差边缘值作为预选故障星检验对象；3）依次剔除一颗步骤2确定的预选故障星，进行用户状态最小二乘方程解算并依据解算的残差计算对应的验后单位权中误差；4）对经过步骤3计算的N1+N2个验后单位权中误差进行排序处理，以最小二乘残差均方根最小值对应的那颗卫星为故障星。本发明无需进行要求严格的RAIM完善性保证，通过试验表明本发明基于最小二乘残差边缘检验的RAIM算法可以正确地识别出故障卫星，是一种用户端的简便、快速、有效的故障卫星识别方法。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航系统应用技术领域，具体涉及一种基于最小二乘残差边缘检验的完好性处理方法。

背景技术

卫星导航完好性最初起源于民用航空用户对系统的高可靠性的需求。卫星的某些错误将会引起测距错误，从而降低用户的安全性与完好性。尤其对于某些系统故障，地面监测站要经过半小时甚至几个小时才能发现，其结果是导致许多航空用户会接收和使用一颗或数颗失效卫星的错误信息，从而使这些用户的定位偏离当前其所在的位置达数十公里，对航行安全性危害极大，对于民用航空应用是不允许的，必须予以重视。而随着全球卫星导航系统的快速发展，对航空安全提出了挑战，完好性监测问题愈发凸显。

目前导航卫星完好性监测方法通常有3种，即广域增强系统、地面增强完好性监测和接收机自主完好性监测(RAIM)。接收机自主完好性监视是利用接收机自身的冗余观测值进行卫星故障的检测识别。它无需外部设备的辅助，花费较低，容易实现，是目前应用较为广泛的一种完好性监视算法，该方法较其它2种监测方法日益凸显其优越性。

通常基于最小二乘残差和法的完好性算法首先设定故障星检验判别的虚警率及漏警率，然后以观测卫星数量及几何结构判断是否满足完好性的完善性保证条件，再以最小二乘残差均方根是否大于计算的门限来判断是否存在故障卫星，最后判断最小二乘残差最大值所对应的卫星是否为故障星。

但在工程应用中，特别是卫星接收机工作环境恶劣的情况下，可用卫星数量少且因为多路径等各种原因很容易导致故障卫星的出现，而在此情况下常规的基于最小二乘残差和法的完好性算法往往不满足完好性的完善性保证条件且误判的可能性较大，从而无法进行故障卫星剔除而导致接收机PNT(定位、导航及授时)解算失败或性能劣变。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于最小二乘残差边缘检验的完好性处理方法，本发明解决了传统的RAIM最小二乘残差和法对地理环境和观测卫星结构要求严格，不能应用于地理环境不好和卫星空间结构差的情况，且故障卫星识别只依据卫星伪距残差，很容易出现误剔的技术问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于最小二乘残差边缘检验的完好性处理方法，包括如下步骤：

步骤1、接收机天线捕获并跟踪来自卫星的信号，根据导航电文剔除异常卫星；

步骤2、根据接收卫星数量，进行载噪比和仰角融合剔星，剔除异常卫星；

步骤3、根据不同的观测卫星数量，设置最多可剔除的卫星数NT，残差最大门限值Td，定位精度要求下的误差门限值бT；

步骤4、检测当前故障星总数是否小于等于NT，若是，转到步骤5，若否，转到步骤10；

步骤5、选取当前全部可用卫星计算基于伪距残差向量的验后单位权中误差б及残差绝对值最大值Vmax，检测验后单位权中误差б是否满足小于等于误差门限值бT及残差绝对值最大值Vmax是否满足小于等于残差最大门限值Td，如果都满足要求则转到步骤9；否则转到步骤6；

步骤6、对各个卫星对应的最小二乘残差按大小带正负符号排序，选取前N1个和后N2个的残差边缘值作为预选故障星检验对象，即“拟故障卫星”；

步骤7、依次剔除一颗“拟故障卫星”，进行最小二乘定位解算并根据残差计算定位误差；

步骤8、对经过步骤7计算的N1+N2个定位误差进行排序，认为最小验后单位权中误差对应的那颗“拟故障卫星”为故障星，转到步骤4；

步骤9、故障卫星已剔除，输出结果；

步骤10、无法判断是否存在故障卫星，输出结果。

步骤1具体包括如下步骤：

步骤101、接收机天线捕获并跟踪来自卫星的信号，解调出卫星的导航电文，得到卫星位置、钟差、大气改正、载噪比和仰角修正参数；

步骤102、根据导航电文的内容和格式来判断校验是否存在误码，剔除掉含有误码的导航电文对应的故障卫星；

步骤103、对跟踪到的可用的卫星的位置和运动轨迹的连续性进行判断卫星导航电文的正确性，剔除掉存在跳变异常的故障卫星。

步骤2具体包括如下步骤：

步骤201、根据接收卫星数量，设置最大前端载噪比门限和仰角门限；

步骤202、对于卫星数小于等于7颗的，优先剔除载噪比和仰角都不满足门限值要求的卫星；

步骤203、对于卫星数大于7颗的，剔除载噪比或者仰角不满足门限值要求的卫星。

本发明适用于接收单模/双模/多模的卫星导航定位系统。

步骤201中，接收卫星数量≥5（4+NUM，NUM为接收卫星导航定位系统的数量，单模时为1，双模时为2，三模时为3，依次类推）。

本发明的优点在于从整体和系统出发剔除掉故障卫星，在理论上，对传统的RAIM最小二乘残差和法进行改善，优化算法，考虑到残差不仅受到粗差影响，而且还受系统结构（如观测方程系数阵，观测权阵等）的制约，特别是存在“杠杆观测”时，常有“保差”及“粗差转移”的现象，造成粗差难于定位，针对上述缺陷本专利除了考虑单个残差因素外还考虑到剔除某卫星后重新定位时的中误差，二者结合起来剔除故障卫星，循环剔星。基于载噪比和仰角融合的故障卫星剔除，提高卫星可用率，减小误剔率。去除计算复杂要求严格的RAIM完善性保证条件，用简便的定位精度和剔星数量门限共同的约束进而提高低可见卫星下和观测卫星结构差时的RAIM算法可用性。

本发明无需进行要求严格的RAIM完善性保证，通过试验表明本发明基于最小二乘残差边缘检验的RAIM算法可以正确地识别出故障卫星，对利用BD+GPS双模进行定位、导航和授时提供了卫星的可靠性保障，是一种用户端的简便、快速、有效的故障卫星识别方法。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图。

具体实施方式

本发明重点针对以BD+GPS双模为例子介绍基于最小二乘残差边缘检验的故障星剔除方法，各卫星伪距观测视为等权观测。

如图1所示，一种基于最小二乘残差边缘检验的完好性处理方法，包括如下步骤：

步骤1、接收机天线捕获并跟踪来自卫星的信号，根据导航电文剔除异常卫星；

步骤2、根据接收卫星数量，进行载噪比和仰角融合剔星，剔除异常卫星；

步骤3、根据不同的观测卫星数量，设置最多可剔除的卫星数NT，残差最大门限值Td，定位精度要求下的误差门限值бT；

步骤4、检测当前故障星总数是否小于等于NT，若是，转到步骤5，若否，转到步骤10；

步骤5、选取当前全部可用卫星计算基于伪距残差向量的验后单位权中误差б及残差绝对值最大值Vmax，检测验后单位权中误差б是否满足小于等于误差门限值бT及残差绝对值最大值Vmax是否满足小于等于残差最大门限值Td，如果都满足要求则转到步骤9；否则转到步骤6；

步骤6、对各个卫星对应的最小二乘残差按大小带正负符号排序，选取前N1个和后N2个的残差边缘值作为预选故障星检验对象，即“拟故障卫星”；

步骤7、依次剔除一颗“拟故障卫星”，进行用户状态最小二乘解算并根据残差计算验后单位权中误差；

步骤8、对经过步骤7计算的N1+N2个验后单位权中误差进行排序处理，认为最小定位误差对应的那颗“拟故障卫星”为故障星，转到步骤4；

步骤9、故障卫星已剔除，输出结果；

步骤10、无法判断是否存在故障卫星，输出结果。

上述步骤1中具体包括如下步骤：

步骤101、接收机天线捕获并跟踪来自卫星的信号，解调出卫星的导航电文，得到卫星位置、钟差、大气改正、载噪比和仰角修正参数；

步骤102、根据导航电文的内容和格式来判断校验是否存在误码，剔除掉含有误码的导航电文对应的故障卫星；

步骤103、对跟踪到的可用的卫星的位置和运动轨迹的连续性进行判断卫星导航电文的正确性，剔除掉存在跳变异常的故障卫星。

上述步骤2中具体包括如下步骤：

步骤201、根据接收卫星数量，设置最大前端载噪比门限和仰角门限，当观测卫星数大于14颗时设置高门限，当观测卫星数小于等于14颗大于7颗时设置适中门限，当观测卫星数小于等于7颗时设置低门限；

步骤202、对于卫星数小于等于7颗的，优先剔除载噪比和仰角都不满足门限值要求的卫星；

步骤203、对于卫星数大于7颗的，剔除载噪比或者仰角不满足门限值要求的卫星。

本发明适用于接收单模/双模/多模的卫星导航定位系统。

步骤201中，接收卫星数量≥5（4+NUM，NUM为接收卫星导航定位系统的数量，单模时为1，双模时为2，三模时为3，依次类推）。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。