[发明专利]一种多星座组合导航系统的故障识别方法

摘要

本发明公开了一种多星座组合导航系统的故障识别方法，包括进行多星座系统时和空间坐标的统一、故障检测可用性判定、故障判定、识别并排除故障卫星等步骤，能够对多颗卫星同时发生故障进行监测和识别，通过对多星座系统时和空间坐标的统一及多次检测和判断，大大提高了识别和排除故障卫星的成功率，增强了多星座组合导航系统导航定位精度、定位性能和可靠性，因而提高了导航服务性能。

主权项

1.一种多星座组合导航系统的故障识别方法，其特征在于，包括以下步骤：1)进行多星座系统时和空间坐标的统一1.1)进行多星座系统时的统一：根据每一星座的系统时与UTC之间存在的固定转换关系，将不同星座的系统时进行粗略的解算，统一所有星座系统的系统时间；各星座的系统时与UTC之间的钟差由下述的伪距观测方程得到：ρig=[(x-Xig)2+(y-Yig)2+(z-Zig)2]1/2+cδTrg]]>δTrg=[[(x-Xig)2+(y-Yig)2+(z-Zig)2]1/2-ρig]/c]]>其中，上标g表示系统序号，i为观测值序号(i＝1，2，3，4，5)；(x，y，z)为接收机在选定坐标系下的坐标，(X^g，Y^g，Z^g)为利用坐标转换公式将各个星座中的观测卫星转换到选定坐标系下的坐标；为接收机与各星座间的钟差(r＝1，2...N)，是每颗可视卫星的伪距观测值，c是光速；对于N个星座，接收机有N+3个需要测量的未知量，需要N+3个伪距观测方程来求解，得到各星座的系统时与UTC之间的钟差1.2)进行多星座空间坐标的统一空间坐标的统一采用如下坐标转换公式完成：xyzsys1=ΔxΔyΔz+(1+m)1-θzθyθz1-θx-θyθx1xyzsys]]>其中，(Δx，Δy，Δz)为地球中心偏移量，θ_x，θ_y，θ_z坐标轴旋转角，m为比例因子，(x，y，z)_sys为待转换坐标系中的坐标，(x，y，z)_sys1为目标坐标系的坐标；2)故障检测可用性判定2.1)判断可视卫星个数，如果可视卫星个数＜N+3，说明故障检测无法进行，系统进行完好性报警，否则继续；2.2)可用性判定：首先求出故障检测门限值σ_T，公式如下：σT=σ0×T/n-4]]>其中，σ₀为伪距测量误差的方差值；n是可视卫星的个数；门限值T由下式确定：Pr(SSE/σ02<T2)=∫0T2fχ(n-4,λ)2(x)dx=1-PFA]]>其中，P_FA为可容忍的虚警概率；为自由度为n-4的χ²分布的概率密度函数；为残差统计平方和小于门限值T的统计概率；式中：SSE=vTWv/σ02]]>v＝(I-G(G^TWG)^-1G^TW)ε其中，G是由各卫星至接收机的方向余弦向量构成的线性化矩阵，ε是伪距误差向量，W为n×n维观测伪距权矩阵，I为单位阵；假设第i颗卫星存在故障，其偏差为b_i，SSE则服从自由度为n-4的非中心化χ²分布，非中心参数λ可以由下式得到：λ=E(vTWv)/σ02=RPEi2/σ02δHDOPi2]]>其中，RPEi=(A1i2+A2i2)Wii2bi]]>δHDOPi=HDOPi-HDOP=A1i2+A2i2Qvii]]>A＝(G^TWG)^-1G^TQ_v＝W^-1-G(G^TWG)^-1G^THDOP表示所有观测卫星的水平定位精度因子，HDOP_i表示去掉第i颗卫星后的水平定位精度因子；计算δHDOP_max；故障检验前，实时就算出各卫星对应的HDOP_i，去并取其中的最大值为δHDOP_max；计算水平定位误差保护限值HPL，公式如下；HPL=δHDOPmax×σ0×λ]]>将HPL与水平误差保护限值HAL比较，如果超限，则故障检测不可用，系统进行完好性报警，否则继续；3)故障判定将实际观测伪距的误差的方差与步骤2)中求得的故障检测门限值σ_T比较，如果则表示检测到故障，工作继续，否则工作结束；4)识别并排除故障卫星4.1)判断可视卫星个数，如果可视卫星个数＜N+4，故障识别无法进行，系统进行完好性报警，否则继续；4.2)识别故障卫星：故障卫星的识别采用特征线偏差线法，首先将观测系数矩阵G进行QR分解，得到矩阵Q^T：QT=QXQP]]>其中，Q_X为Q^T前4行，Q_P为Q^T剩下的n-4行；奇偶残差矢量p为    p＝Q_Py＝Q_P(Gx+ε)＝Q_Pε计算每颗卫星的特征偏差线K_cha：Kcha=Qp(1,i)Qp(2,i)]]>计算奇偶空间矢量的特征偏差斜率K_p：K_p＝p₁/p₂其中，p₁与p₂是奇偶矢量p的元素，如果第i颗卫星的K_cha与K_p非常接近，则第i颗卫星被识别为故障卫星；4.3)排除故障卫星：将分步骤4.2)中识别的故障卫星排除；5)重复步骤1)至步骤4)；6)重复步骤2)和步骤3)，如果没有故障，则证明已经成功排除故障卫星，工作结束，否则认为此次测量数据无法完成自主完好性测试，系统进行完好性报警。