基于最小二乘殘差的導(dǎo)航接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)方法

李超,朱陵鳳,楊青,楊勇

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京100094)

?

基于最小二乘殘差的導(dǎo)航接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)方法

李超,朱陵鳳,楊青,楊勇

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京100094)

摘要：隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在生命安全服務(wù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,用戶對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)導(dǎo)航定位結(jié)果的可用性和可靠性要求越來(lái)越高。目前,基于用戶端的較為有效的方法就是利用接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文對(duì)利用最小二乘殘差法實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)算法進(jìn)行了研究,并分析了可視衛(wèi)星數(shù)對(duì)完好性監(jiān)測(cè)的影響。對(duì)北斗系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理也得到比較滿意的結(jié)果,驗(yàn)證了該方法的正確性和可用性,可為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)際應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：接收機(jī)自主完好性;故障檢測(cè);故障隔離;最小二乘殘差法

0引言

接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)(RAIM)技術(shù)是接收機(jī)軟件中的一種算法,它利用衛(wèi)星的冗余觀測(cè)信息,對(duì)多個(gè)導(dǎo)航解進(jìn)行一致性檢驗(yàn),可以針對(duì)單個(gè)衛(wèi)星故障達(dá)到完好性監(jiān)測(cè)的目的[1-3]。RAIM技術(shù)包括故障檢測(cè)(FD)和故障隔離(FI)兩項(xiàng)功能,當(dāng)接收機(jī)能夠同時(shí)觀測(cè)5顆導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí),可以進(jìn)行故障檢測(cè),利用RAIM可迅速判定有無(wú)衛(wèi)星信號(hào)異常;當(dāng)有6顆可見(jiàn)衛(wèi)星時(shí),可以進(jìn)行故障隔離,利用RAIM技術(shù)就可以判斷出哪一顆衛(wèi)星信號(hào)異常,從而提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性監(jiān)測(cè)的能力。該技術(shù)不依靠外加監(jiān)測(cè)設(shè)備,而僅由用戶接收機(jī)本身提取系統(tǒng)的完好性信息,因此不需要配備外部支持設(shè)備,花費(fèi)較低,且容易實(shí)現(xiàn)。目前,比較成熟的接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)算法有最小二乘殘差法、奇偶空間矢量法、偽距法等。這里主要介紹基于最小二乘殘差的接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)算法,最后根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析RAIM算法的靈敏度及其對(duì)定位結(jié)果的影響[1-3]。

1基于最小二乘殘差的監(jiān)測(cè)方法

利用最小二乘原理進(jìn)行定位解算的同時(shí),可對(duì)最小二乘殘差進(jìn)行粗差探測(cè)。根據(jù)這一原理,介紹基于殘差平方和的開(kāi)方檢驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的故障檢測(cè)和基于殘差元素的高斯檢驗(yàn)進(jìn)行單元素的故障隔離方法。

1.1基本模型

基于偽距測(cè)量的導(dǎo)航接收機(jī)觀測(cè)方程可以表示如下:

ρ=R+c×Δt

c×Δt+ε,

(1)

式中: ρ為偽距觀測(cè)量; R為接收機(jī)到衛(wèi)星的真實(shí)距離;Δt為接收機(jī)鐘差;(X,Y,Z)為待求用戶位置坐標(biāo); (Xs,Ys,Zs)為已知衛(wèi)星位置坐標(biāo); ε為觀測(cè)噪聲; c為光速。

當(dāng)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)不少于4時(shí),通過(guò)解方程組得到用戶位置坐標(biāo)。在進(jìn)行位置解算時(shí)首先將式(1)進(jìn)行線性化轉(zhuǎn)換。則任意時(shí)刻t第j顆衛(wèi)星的偽距觀測(cè)方程線性化為

c·δt(t)+εi,

(2)

當(dāng)某時(shí)刻同時(shí)觀測(cè)到n(n不小于4)顆衛(wèi)星,由式(2)則線性化方程組為

(3)

P為觀測(cè)值權(quán)陣,可得用戶狀態(tài)的最小二乘解為

(4)

則偽距殘差向量可表示為

=(I-A(ATPA)-1ATP)ε,

(5)

偽距殘差向量的協(xié)因數(shù)陣可表示為

Qv=P-1-A(ATPA)-1AT,

(6)

驗(yàn)后單位權(quán)中誤差可表示

(7)

1.2基于殘差的故障檢測(cè)

故障檢測(cè)是接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)的首要功能。當(dāng)用戶視界內(nèi)存在偽距超限的導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí),可能造成用戶水平定位徑向誤差超限。故障檢測(cè)主要依據(jù)統(tǒng)計(jì)原理對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),判斷是否存在故障衛(wèi)星,以及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航中的異常情況,采取應(yīng)對(duì)措施避免災(zāi)難發(fā)生[4-6]。

表1　故障檢測(cè)門(mén)限值表

由表1可以看出,在一定的誤警概率條件下,當(dāng)可視衛(wèi)星個(gè)數(shù)越多,檢測(cè)門(mén)限值越小,對(duì)故障靈敏度越高,更加有利于故障檢測(cè)。

1.3基于殘差的故障隔離

在生命安全服務(wù)領(lǐng)域,當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用作唯一導(dǎo)航手段時(shí),RAIM不僅要能夠檢測(cè)故障,還需識(shí)別故障并排除故障星,以保證繼續(xù)安全使用[7-8]。

(8)

n顆可視衛(wèi)星可得到n個(gè)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,給定總體誤警概率為PFA,則每個(gè)統(tǒng)計(jì)量的誤警概率為PFA/n.這樣,有下面的概率等式成立。

(9)

通過(guò)式(9)可計(jì)算得到檢測(cè)限值Td.對(duì)于每個(gè)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量di,分別與Td比較,若di>Td,則表明第i顆衛(wèi)星有故障,應(yīng)將之排除,不再參與解算。

2算例分析

利用參考站監(jiān)測(cè)接收機(jī)數(shù)據(jù),驗(yàn)證衛(wèi)星觀測(cè)值發(fā)生突變和緩變情況時(shí)RAIM性能。取11 000個(gè)連續(xù)觀測(cè)歷元,采樣間隔1s,監(jiān)測(cè)接收機(jī)采樣期間可視衛(wèi)星數(shù)與PDOP值變化，如圖1,圖2所示。

圖1　接收機(jī)采樣期間可視衛(wèi)星數(shù)變化

圖2　接收機(jī)采樣期間PDOP值變化

1) 觀測(cè)值突變故障時(shí)RAIM性能驗(yàn)證。分別在4 000、6 000、8 000、10 000歷元的觀測(cè)量加上40m、50m、60m、80m粗差,比較利用最小二乘和RAIM解算用戶三維位置誤差變化,如圖3、圖4所示。

圖3　最小二乘法解算用戶位置誤差變化

圖4　RAIM解算用戶位置誤差變化

圖5　不含粗差時(shí)最小二乘法解算用戶位置誤差變化

由圖3、圖4看出,利用最小二乘解算的用戶位置在加入粗差的歷元發(fā)生跳越性變化,誤差值由原來(lái)最大不足2m變到最大達(dá)37m左右;比較圖4和5,用RAIM解算的用戶位置誤差和不含粗差時(shí)最小二乘法解算用戶位置誤差基本一致。在足夠可視衛(wèi)星條件下,RAIM算法能夠有效剔除單顆故障衛(wèi)星,保證用戶定位精度。

2) 觀測(cè)值緩變故障時(shí)RAIM性能驗(yàn)證。選取一個(gè)歷元的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為故障仿真起始態(tài),持續(xù)3000s,在第500s后,對(duì)1號(hào)衛(wèi)星(GEO01)觀測(cè)量每秒增加0.02m粗差,模擬故障漸變對(duì)定位精度的影響和在一定測(cè)距誤差、誤警率和漏警率下RAIM的靈敏度。以正常條件誤差影響下的觀測(cè)值為參考,圖6示出了含粗差的觀測(cè)量和參考觀測(cè)量的差值隨歷元的變化,圖7示出了觀測(cè)值在不斷加入粗差時(shí),解算出的用戶位置和已知位置差的變化。

由圖6、7看出,在第500個(gè)歷元后,隨著GE001觀測(cè)量不斷加入粗差,用戶的位置差,開(kāi)始有短暫的減小然后隨著觀測(cè)值差的增加而變大;在第1 515歷元后GE001觀測(cè)量被剔除,這時(shí)所得到的用戶位置差又回到正常狀態(tài)。

圖6　GE001衛(wèi)星觀測(cè)值差值的變化

圖7　用戶位置誤差變化

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)RAIM算法原理推導(dǎo)和算例結(jié)果的分析可以得到如下結(jié)論:

1) 在定誤警率和漏警率條件下,當(dāng)可視衛(wèi)星個(gè)數(shù)越多,檢測(cè)門(mén)限值越小,對(duì)檢測(cè)故障靈敏度越高,有利于故障檢測(cè)。

2)RAIM算法可以很好解決衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用

戶端定位完好性問(wèn)題,對(duì)于故障衛(wèi)星,能利用多余觀測(cè)量進(jìn)行有效檢測(cè),及時(shí)向用戶告警,并能正確剔除單顆故障星,提高單歷元用戶定位精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 許其鳳.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航與精密定位[M]. 北京:解放軍出版社,1994.

[2] 譚樹(shù)森. 衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程[M].2版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[3] 謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[4]HEWITSONS,LEEHK,WANGJ.LocalizabilityanalysisforGPS/Galileoreceiverautonomousintegritymonitoring[J].TheJournalofNavigation,2004,57(2): 245-259.

[5] 王爾申,張淑芳,胡青.GNSS接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)算法研究[J].通信技術(shù),2010,43(1):213-216.

[6] 胡瑩瑩,趙艷杰,王大鳴.關(guān)于GPS單星定時(shí)提高定時(shí)精度的研究[J].通信技術(shù),2009,42(1):16-18.

[7] 梁書(shū)忠,唐斌,李騰.衛(wèi)星導(dǎo)航模擬測(cè)試系統(tǒng)原來(lái)與實(shí)現(xiàn)[J].全球定位系統(tǒng),2015,40(1):52-56.

[8] 王丹,馬航帥,孫曉敏,等.衛(wèi)星自主完好性監(jiān)視算法研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究,2013(S2):4-9.

李超(1981-),男,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端算法及終端測(cè)試技術(shù)研究。

朱陵鳳(1983-),女,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步及定軌技術(shù)研究。

楊青(1979-),女,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端測(cè)試與管理技術(shù)研究。

楊勇(1984-),男,博士,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端測(cè)試與標(biāo)定技術(shù)研究。

Research on Receiver Autonomous Integrity Monitoring by Least Squares Residuals

LI Chao, ZHU Lingfeng, YANG Qing, YANG Yong

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

Abstract:With the wide application of the satellite navigation system in the field of life safety service, users pay more attention to the reliability and availability of the navigation results. Receiver autonomous integrity monitoring(RAIM) can achieve better performance in the position domain than others at present. Based on real data the proposed RAIM algorithm is tested. Experimental results demonstrate the RAIM algorithm can effectively detect and isolate a false satellite. This can provide important reference for application of BDS.

Keywords:Receiver autonomous integrity monitoring; fault detection; fault isolation; Least Square Methods and Remnant Error

作者簡(jiǎn)介

中圖分類(lèi)號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2016)01-0069-04

收稿日期：2015-09-10

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.013

聯(lián)系人： 李超 E-mail: lichaochxy@163.com