北斗/GNSS多星座精密单点授时完好性监测方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及北斗/GNSS多星座精密单点授时完好性监测方法。

背景技术

GNSS接收机通常具备自主完好性监测的功能，即接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)，是在GNSS接收机层面实现的完好性监测方法，相比其它类型的完好性监测，RAIM具有实现简单、成本低、不需要外界信息辅助的特点，同时能够对用户接收机所处多路径、信号干扰等实际情况进行监测和评估，是监测GNSS正常提供定位导航授时(PNT)服务的最后一道防线，在卫星导航完好性监测的研究和应用中占据着重要的位置。

GNSS接收机成本低、操作方便、性能良好等特点使得其作为GNSS授时服务的重要应用，例如从基础的电力、电信、金融证券，到各种工程技术，再到现代的空间高技术领域等各个方面。目前北斗导航系统的授时精度可以达到20ns，但是其固有的脆弱性会影响授时服务性能，甚至会使得分布全球的通信、交通、金融等行业网点无法获得统一的时间，这将产生巨大的影响。

尽管很多研究已经基于GNSS定位过程中遇到的各类威胁进行RAIM算法的开发与研究，但是基于授时服务的RAIM算法(TRAIM)却很少，存在的不足主要体现在一下几个方面：(1)已有TRAIM算法主要基于仿真结果，对于GNSS观测值的可用性缺少验证；(2)现有TRAIM实测数据结果只有单卫星导航系统，不适用于多系统联合授时；(3)当前基于实测数据的TRAIM算法仅能监测单故障发生的情况，无法监测多故障。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供北斗/GNSS多星座精密单点授时完好性监测方法，以解决现有技术中的问题，本发明所采用的技术方案是：

北斗/GNSS多星座精密单点授时完好性监测方法，包括以下步骤：

第一步，完好性先验概率预分配；

第二步，确定最大故障阶数；

第三步，确定故障子集；

第四步，构造加权矩阵；

第五步，计算接收机钟差并构造检验量；

第六步，计算接收机钟差检验阈值并对判别检验量；

第七步，计算接收机钟差保护级；

第八步，判别可用性。

本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明在接收机授时完好性算法研究领域内具有创新性，区别于已有的单星座授时完好性监测算法，本发明提出了一种对于多星座联合精密单点授时完好性监测算法，弥补了在该领域内的研究空白；

(2)、本发明在应用中具有可靠性，多星座联合授时定位时，面临星座多、卫星数量剧增的情况，此时故障模式复杂，存在多故障的可能，而目前已有的授时完好性算法仅能监测单故障模式，本发明可监测多故障发生的情况，为多星座授时保障可靠性；

(3)、本发明在多星座联合授时中具有普适性和灵活性，对于全球不同地区、用户需求不同，可使用的星座有所区别，本发明对于观测星座的选择和星座数目的变化均可适用。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

如图1，本发明旨在提出一种北斗/GNSS多星座精密单点授时完好性监测方法。具体而言，考虑多系统授时在高精度PNT服务中的重要应用，在综合考虑多星座联合授时存在系统间偏差的情况下，提出一种基于GNSS伪距观测值的多星座伪距联合授时完好性监测方法，填补现有授时完好性监测算法对于多星座精密单点授时监测的研究空白，并且解决多星座授时是出现多故障情况的问题，提升多星座联合授时的可靠性，包括以下步骤：

第一步，完好性先验概率预分配：完好性先验概率包括危险误导信息概率PHMI(Probability of Hazardous Misleading Information)、连续性风险概率P

第二步，确定最大故障阶数：最大故障阶数N

N

其中星座j的未被检测的高阶故障概率总和P

P

第三步，确定故障子集：故障子集是所有需要监测的故障模式的集合。由于故障子集的数目随着故障阶数增大而成爆炸式增涨，因此在确定最大故障阶数后仍需排除冗余的故障模式。根据最大故障阶数，排列组合得到所有故障模式，并将不可观测的故障模式排除。排除规则是在不固定坐标与固定坐标两种解算模式下，将容错子集卫星数目分别小于(3+N

则前k项故障模式即为需要监测的故障子集。

第四步，构造加权矩阵。使用完好性支持信息(Integrity Support Message，ISM)构造无故障全集加权矩阵W

其中

每种故障模式对应的容错子集k的加权矩阵W

第五步，计算接收机钟差并构造检验量。在本发明中，采用经典加权最小二乘法估计无故障全集接收机钟差

其中G

根据钟差估计矩阵分别计算无故障全集及容错子集k的接收机钟差，计算方法如下：

则容错子集的k钟差检验量定义为：

第六步，计算接收机钟差检验阈值并对判别检验量。接收机钟差检验阈值是针对连续性风险的监测，将星座j的连续性风险预算P

其中H

其中K

其中，

若钟差检验量满足：

则容错子集k通过检验。对故障子集的每一个容错子集进行检验量的判别，若所有容错子集均满足条件(14)，则可执行算法后续流程的解算，否则将不满足条件地容错子集的故障卫星进行剔除，并且返回第三步，重新开始检验，直到所有容错子集满足条件(14)。

第七步，计算接收机钟差保护级(TPL)。本发明中所定义的TPL是指，在所有容错子集的接收机钟差检验量通过检验阈值判别的情况下，无故障全集接收机钟差与真实钟差之间的误差超过TPL的概率且未超过PHMI的指标要求，即：

根据式(15)的限制条件，对等式进行数学变换，最终给出星座j的接收机钟差保护级TPL

其中

第八步，判别可用性。TAL为授时告警门限(Timing Alert Limit,TAL)，意为可接受的接收机钟差误差上限。判别规则如下：

TPL

当星座j的接收机钟差保护级小于TAL时，宣布此时TRAIM有效，可执行后续接收机钟差解算，否则宣布无效，向用户发出告警。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。