本發(fā)明實(shí)施例涉及衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，尤其涉及一種可同時(shí)檢測和識(shí)別緩變故障和突變故障的完好性監(jiān)測方法和裝置。

背景技術(shù)：

接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM)是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，是保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的解算結(jié)果正確可用的前提。RAIM必須具有故障檢測和故障識(shí)別兩項(xiàng)功能，要能夠檢測到衛(wèi)星故障，并且在檢測到故障后，進(jìn)行故障識(shí)別，找出故障衛(wèi)星將其從導(dǎo)航定位解中排除。由于RAIM技術(shù)對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要作用，RAIM故障檢測和識(shí)別方法是近年來的研究熱點(diǎn)。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的只考慮單一衛(wèi)星發(fā)生較大的突變故障的假設(shè)對一些特殊場合已不再適用，衛(wèi)星發(fā)生微小緩變故障或多顆衛(wèi)星同時(shí)故障的概率將不可被忽略，現(xiàn)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于多星故障，也有累積歷元的奇偶矢量法可用于微小緩變故障。

多解分離法通過計(jì)算衛(wèi)星的全集和子集的保護(hù)水平，選擇產(chǎn)生最小的保護(hù)水平的衛(wèi)星組合來進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算；雙故障排除法通過遍歷剔除兩顆衛(wèi)星后的衛(wèi)星組合的監(jiān)測統(tǒng)計(jì)量與門限進(jìn)行對比識(shí)別故障衛(wèi)星，僅針對雙星故障；偽距一致性比較法通過計(jì)算全部四顆衛(wèi)星的子集與門限值進(jìn)行比較來判斷故障衛(wèi)星；累積歷元的奇偶矢量法通過構(gòu)造多歷元的奇偶矢量累積檢測量，放大非中心化參數(shù)倍數(shù)，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(shí)排除微小緩變故障、突變故障以及多星故障的需求，需要采用一種可同時(shí)檢測和識(shí)別這幾種故障的RAIM方法，從而能夠保證不管衛(wèi)星發(fā)生何種故障都可以保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位導(dǎo)航的可用性和可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種針對高精度用戶對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性和可靠性的需求，提供一種可檢測和識(shí)別微小緩變、突變和多星故障的RAIM新方法。本發(fā)明方法簡單，檢測識(shí)別率高，不僅可以檢測識(shí)別突變故障和多故障，對微小緩變故障也有很高的檢測識(shí)別率。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種可同時(shí)檢測識(shí)別多種故障的接收機(jī)自主完好性檢測方法，包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文獲取衛(wèi)星瞬時(shí)位置坐標(biāo)，在結(jié)合用戶觀測文件數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)可見衛(wèi)星的仰角。

步驟2，根據(jù)步驟1得到的可見衛(wèi)星的仰角以及導(dǎo)航系統(tǒng)的鐘差轉(zhuǎn)換因子和衛(wèi)星遮蔽角確定觀測矩陣。

步驟3，對觀測矩陣進(jìn)行奇偶分解，得到與故障矢量相關(guān)的奇偶矢量，并與前幾個(gè)時(shí)刻的奇偶矢量累加得到多歷元累加奇偶矢量。

步驟4，先根據(jù)衛(wèi)星幾何布局對RAIM的可用性進(jìn)行計(jì)算，若RAIM算法可用，則根據(jù)殘差變化率的大小對奇偶矢量和多歷元累加奇偶矢量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到加權(quán)后的新檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，并與誤警率相關(guān)的門限值進(jìn)行對比，得出故障檢測的結(jié)果。

步驟5，若檢測到故障，根據(jù)可見衛(wèi)星數(shù)對可能的故障個(gè)數(shù)進(jìn)行假設(shè)，得到可能的故障模式，采用極大似然準(zhǔn)則方法在每個(gè)故障模式中進(jìn)行故障識(shí)別并排除故障衛(wèi)星。

步驟6，利用剩下的健康衛(wèi)星進(jìn)行定位導(dǎo)航。

所述步驟1中計(jì)算每個(gè)可見衛(wèi)星的仰角的方法：首先根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文計(jì)算衛(wèi)星軌道運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)軌道參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星的瞬時(shí)位置坐標(biāo)，結(jié)合用戶觀測文件數(shù)據(jù)計(jì)算用戶的近似位置，則由用戶位置和衛(wèi)星位置可計(jì)算每個(gè)可見衛(wèi)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(jù)所給定的衛(wèi)星遮蔽角，排除仰角低于遮蔽角的衛(wèi)星，并根據(jù)導(dǎo)航電文中的各系統(tǒng)的時(shí)間轉(zhuǎn)換因子和接收機(jī)偽距測量值，計(jì)算出只包含一個(gè)接收機(jī)鐘差項(xiàng)的觀測矩陣。

所述步驟3中求得奇偶矢量和多歷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(jìn)行奇偶分解；

QR＝G

G表示觀測矩陣，Q表示觀測矩陣分解后的正交矩陣，R表示分解的上三角矩陣。

步驟32，分解后的正交矩陣Q取其后(n-4-m)行且令其為Q_p；

Q_p＝Q(n-4-m:n,:)

n表示G矩陣行數(shù)，m表示組合導(dǎo)航系統(tǒng)個(gè)數(shù)，雙系統(tǒng)為一，三系統(tǒng)為二。

步驟33，考慮偽距觀測誤差ε，則奇偶矢量p；

p＝Q_pε

步驟34，多歷元累加奇偶矢量：

其中，N為正交矩陣Q不發(fā)生變化時(shí)的累加歷元個(gè)數(shù)。

正交矩陣Q不發(fā)生變化時(shí)的累加歷元個(gè)數(shù)最大不超過10。

所述步驟4中得出故障檢測的結(jié)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δHDOP_i、非中心化參數(shù)λ和等效測距誤差決定；

HPL表示水平保護(hù)水平，δHDOP_i表示平面精度衰減因子的變化量，λ表示非中心化參數(shù)，σ₀表示等效測距誤差。

步驟42，若HPL<HAL，則表示RAIM可用，可繼續(xù)進(jìn)行下面的步驟，否則RAIM不可用；HAL表示水平保護(hù)限值，HPL表示水平保護(hù)水平。

步驟43，根據(jù)奇偶矢量p和多歷元累加奇偶矢量P分別得到奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_p和累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_N；

奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_p；

σ_p＝p^Tp

累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_N；

σ_N＝P^TP

步驟43，奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_p和累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_N均為相同的檢測門限T，其由誤警率P_fa確定：

σ₀表示等效測距誤差，n表示可見衛(wèi)星數(shù)；

且奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_p和累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_N的加權(quán)因子之和為1，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ可表示為式(11)：

σ＝λ₁σ_p+λ₂σ_N

步驟44，加權(quán)因子λ₁和λ₂由殘差變化率的大小決定，殘差變化率根據(jù)奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_p和累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_N的變化大小確定

σ_p表示奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，σ_N表示累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。

所述步驟5中進(jìn)行故障識(shí)別并排除故障衛(wèi)星的方法，包括以下步驟：

步驟51，若檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ超過門限值T，則說明存在故障衛(wèi)星，可用奇偶矢量的故障識(shí)別檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量r_i和累積奇偶矢量的故障識(shí)別檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量R_i與識(shí)別門限T_r對比來識(shí)別故障；

步驟52，排除r_i>T_r或R_i>T_r的第i顆衛(wèi)星后，若系統(tǒng)檢測無故障，則進(jìn)行步驟六，否則，繼續(xù)進(jìn)行多故障的識(shí)別。

步驟53，根據(jù)可見衛(wèi)星數(shù)n對可能的故障個(gè)數(shù)n_fault進(jìn)行假設(shè)；

n_fault＝round((n-8)/8)

n_fault表示故障個(gè)數(shù)，n表示可見衛(wèi)星數(shù)。

步驟54，由故障個(gè)數(shù)n_fault可得出雙星故障及以上的故障假設(shè)模式，共有K個(gè)故障模式；

步驟55，每個(gè)故障模式即為去除某兩顆星后的可見衛(wèi)星組合，計(jì)算第k個(gè)故障檢測的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_k進(jìn)行計(jì)算，采用極大似然準(zhǔn)則方法在每個(gè)故障模式中進(jìn)行故障識(shí)別，并將識(shí)別出的故障衛(wèi)星排除；若檢測出無故障，即：

σ_k<T_k時(shí)，獲取檢測出無故障的故障模式k即為隔離了故障衛(wèi)星的故障模式。

所述步驟6中利用剩下的健康衛(wèi)星進(jìn)行定位導(dǎo)航大方法：使用排除故障衛(wèi)星后的健康衛(wèi)星集合，采用最小二乘迭代迭代的方法實(shí)現(xiàn)用戶的三維位置坐標(biāo)及鐘差的求解。

有益效果：本發(fā)明提供的一種可同時(shí)檢測識(shí)別多種故障的接收機(jī)自主完好性檢測方法，其優(yōu)點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面：

1.通過多歷元累積奇偶矢量構(gòu)造了檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，可對微小緩變進(jìn)行檢測。

2.構(gòu)造了單歷元和多歷元累積的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的加權(quán)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，克服了多歷元時(shí)對突變故障不敏感的缺點(diǎn)，可以同時(shí)對緩變和突變故障進(jìn)行檢測。

3.在故障識(shí)別時(shí)，克服了極大似然方法無法識(shí)別多故障的缺點(diǎn)，采用了故障模式假設(shè)的方法，提高了對多故障的識(shí)別率

附圖說明

圖1是本發(fā)明用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(shí)別率。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

本發(fā)明提供一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)自主完好性監(jiān)測方法，是一種可檢測和識(shí)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(wèi)星瞬時(shí)位置坐標(biāo)。

在某一觀測歷元，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文計(jì)算衛(wèi)星軌道運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)軌道參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星的瞬時(shí)位置坐標(biāo)，結(jié)合用戶觀測文件數(shù)據(jù)計(jì)算用戶的近似位置，則由用戶位置和衛(wèi)星位置可計(jì)算每個(gè)可見衛(wèi)星的仰角和方位角。

步驟二：獲取觀測矩陣。

給定的衛(wèi)星遮蔽角為10°，排除仰角低于10°的衛(wèi)星，根據(jù)導(dǎo)航電文中的各系統(tǒng)的時(shí)間轉(zhuǎn)換因子和接收機(jī)偽距測量值，計(jì)算出只包含一個(gè)接收機(jī)鐘差項(xiàng)的觀測矩陣G。

步驟三：對觀測矩陣進(jìn)行奇偶分解，求得奇偶矢量和多歷元累加奇偶矢量。

對觀測矩陣G進(jìn)行奇偶分解：

QR＝G (3)

G表示觀測矩陣，Q表示觀測矩陣分解后的正交矩陣，R表示分解的上三角矩陣。

分解后的正交矩陣Q取其后(n-4-m)行令為Q_p：

Q_p＝Q(n-4-m:n,:) (4)

n表示G矩陣的行數(shù)，m表示組合導(dǎo)航系統(tǒng)個(gè)數(shù)，雙系統(tǒng)為一，三系統(tǒng)為二。

考慮偽距觀測誤差ε，則奇偶矢量p：

p＝Q_pε (5)

多歷元累加奇偶矢量：

其中N為Q不發(fā)生變化時(shí)的累加歷元個(gè)數(shù)，最大不超過10。

步驟四：若RAIM可用，根據(jù)殘差變化率的大小對檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行加權(quán)，得到加權(quán)累加奇偶矢量并對微小緩變故障和突變故障進(jìn)行故障檢測。

當(dāng)前歷元的HPL可由平面精度衰減因子的變化量δHDOP_i、非中心化參數(shù)λ和等效測距誤差決定。

而RAIM的可用性可由水平保護(hù)水平HPL與水平保護(hù)限值HAL比較得到。

若HPL<HAL，則表示RAIM可用，可繼續(xù)進(jìn)行下面的步驟，否則RAIM不可用。

奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_p：

σ_p＝p^Tp (8)

累積奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_N：

σ_N＝P^TP (9)

二者的檢測門限T相同，均由誤警率P_fa確定：

σ₀表示等效測距誤差，n表示可見衛(wèi)星數(shù)。

那么，其加權(quán)因子之和為1，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ可表示為式(11)：

σ＝λ₁σ_p+λ₂σ_N (11)

加權(quán)因子λ₁和λ₂由殘差變化率的大小決定，殘差變化率根據(jù)奇偶矢量與累加奇偶矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的變化大小確定。

步驟五：若檢測到故障，根據(jù)可見衛(wèi)星數(shù)對可能的故障個(gè)數(shù)進(jìn)行假設(shè)，得到可能的故障模式，進(jìn)行故障識(shí)別并排除故障衛(wèi)星。

1)，若檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ大于門限T，表示系統(tǒng)中存在故障衛(wèi)星，可用奇偶矢量的故障識(shí)別檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量r_i和累積奇偶矢量的故障識(shí)別檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量R_i與識(shí)別門限T_r對比來識(shí)別故障。

2)，排除r_i>T_r的第i顆衛(wèi)星后，若系統(tǒng)檢測無故障，則進(jìn)行步驟六，否則，繼續(xù)進(jìn)行多故障的識(shí)別。

3)，根據(jù)可見衛(wèi)星數(shù)n對可能的故障個(gè)數(shù)nf_ault進(jìn)行假設(shè)：

n_fault＝round((n-8)/8) (15)

4)，由n_fault可得出雙星故障及以上的故障假設(shè)模式，共有K個(gè)故障模式：

5)，每個(gè)故障模式即為去除某兩顆星后的可見衛(wèi)星組合，在每個(gè)故障模式中對第k個(gè)故障檢測的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量σ_k進(jìn)行計(jì)算，采用極大似然準(zhǔn)則方法在每個(gè)故障模式中進(jìn)行故障識(shí)別，并將識(shí)別出的故障衛(wèi)星排除；若檢測出無故障，即：

σ_k<T_k時(shí)，獲取檢測出無故障的故障模式k即為隔離了故障衛(wèi)星的故障模式。

步驟六：利用剩下的健康衛(wèi)星進(jìn)行定位導(dǎo)航。

經(jīng)過故障檢測與排除后，可以用最小二乘迭代如式(17)，進(jìn)行用戶三維位置和鐘差的解算。

為了驗(yàn)證發(fā)明所提出的RAIM方法的正確性和有效性，采用該方法進(jìn)行matlab仿真驗(yàn)證。圖2為算法在人為的給任意一顆衛(wèi)星偽距加入10m的突變故障時(shí)的檢測效果，圖3為人為的給任意一顆衛(wèi)星偽距加入4m的微小緩變故障時(shí)的檢測效果，圖4為雙故障時(shí)的故障識(shí)別率。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。