本發(fā)明涉及一種基于多歷元奇偶矢量積累的雙模接收機(jī)RAIM方法，屬于雙模接收機(jī)故障檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前常用的基于雙模接收機(jī)的單星故障檢測算法有：奇偶矢量法、最小二乘法等“快照”式檢測方法，此類方法對于較大偽距觀測量偏差有良好的檢測效果，但是對于微小緩變故障檢測效果不明顯。而單顆衛(wèi)星偽距出現(xiàn)微小偏差，雖不會(huì)像衛(wèi)星嚴(yán)重故障時(shí)出現(xiàn)極大偽距偏差導(dǎo)致用戶定位結(jié)果完全不可用,但也會(huì)使定位誤差精度下降,影響定位精度。因此在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)中，雙模接收機(jī)對微小偽距故障識(shí)別與剔除是非常重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于多歷元奇偶矢量積累的雙模接收機(jī)RAIM方法，利用典型奇偶矢量法產(chǎn)生的奇偶矢量，累加滑動(dòng)窗口內(nèi)多時(shí)刻奇偶矢量的平方和，以此構(gòu)造新的統(tǒng)計(jì)檢測量，能有效剔除北斗/GPS雙模接收機(jī)微小緩變故障。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種基于多歷元奇偶矢量積累的雙模接收機(jī)RAIM方法，包括如下步驟：

步驟1，根據(jù)北斗/GPS雙模接收機(jī)的特性，建立北斗/GPS雙模接收機(jī)各時(shí)刻的觀測方程；

步驟2，通過步驟1各時(shí)刻的觀測方程，計(jì)算北斗/GPS雙模接收機(jī)各時(shí)刻的奇偶矢量；

步驟3，設(shè)定滑動(dòng)窗口的時(shí)間長度為t，第k時(shí)刻北斗/GPS雙模接收機(jī)接收到的衛(wèi)星數(shù)目為n，若第k-1,k-2,…,k-t時(shí)刻接收到的衛(wèi)星數(shù)目均為n，則將第k-1,k-2,…,k-t時(shí)刻的奇偶矢量累加求和，得到當(dāng)前時(shí)刻的檢測統(tǒng)計(jì)量；若第k-1,k-2,…,k-i，1≤i≤t時(shí)刻接收到的衛(wèi)星數(shù)目均為n，且第k-i-1時(shí)刻不為n，則將第k-1,k-2,…,k-i，1≤i≤t時(shí)刻的奇偶矢量累加求和，得到當(dāng)前時(shí)刻的檢測統(tǒng)計(jì)量；將當(dāng)前時(shí)刻的檢測統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行量測噪聲方差歸一化后，得到故障判斷檢測量；

步驟4，設(shè)置故障門限，根據(jù)故障門限對故障判斷檢測量進(jìn)行判斷，當(dāng)故障判斷檢測量大于等于故障門限時(shí)，表示檢測出故障，同時(shí)對故障衛(wèi)星進(jìn)行識(shí)別；當(dāng)故障判斷檢測量小于故障門限時(shí)，表示未檢測出故障。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟1所述北斗/GPS雙模接收機(jī)各時(shí)刻的觀測方程公式為：

y_k＝H_kx_k+ε

其中，y_k為第k時(shí)刻觀測偽距與計(jì)算偽距之差，n維矢量；H_k為第k時(shí)刻觀測系數(shù)矩陣，n*5維；x_k為第k時(shí)刻北斗/GPS雙模接收機(jī)狀態(tài)量；ε為n維觀測偽距噪聲矢量；n為北斗/GPS雙模接收機(jī)接收到的衛(wèi)星數(shù)目。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟2的具體過程為：

對第k時(shí)刻觀測系數(shù)矩陣H_k做QR分解：

H_k＝Q_kR_k

其中，Q_k為第k時(shí)刻正交矩陣，n*n維；R_k為第k時(shí)刻上三角矩陣，n*5維；

將上式代入觀測方程并左乘Q_k^T，得到Q_k^Ty_k＝R_kx_k+ε，T表示轉(zhuǎn)置；

對Q_k^T按行進(jìn)行分塊，其中，為Q_k^T的前5行，為Q_k^T的n-5行，為奇偶變換矩陣；

通過將y_k轉(zhuǎn)換成奇偶空間上的奇偶矢量p_k：

其中，為矩陣偽距偏差的第s列向量，1≤s≤n，B_s為故障常量，H₀、H₁分別表示無故障、有故障。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟3所述將當(dāng)前時(shí)刻的檢測統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行量測噪聲方差歸一化后，得到故障判斷檢測量的公式為：

其中，fd表示故障判斷檢測量，sum_p為當(dāng)前時(shí)刻的檢測統(tǒng)計(jì)量，t為設(shè)定的滑動(dòng)窗口的時(shí)間長度，σ²為量測噪聲方差。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟4所述故障門限的公式為：

其中，fd表示故障判斷檢測量，p_r為故障門限，a為設(shè)定概率，x為北斗/GPS雙模接收機(jī)狀態(tài)量，n為北斗/GPS雙模接收機(jī)接收到的衛(wèi)星數(shù)目，P_FA為虛警概率。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明提高了雙模接收機(jī)對于微小偽距緩慢變化檢測的靈敏性，采用多歷元奇偶矢量累加能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為后續(xù)高精度定位計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明采用的北斗/GPS雙模接收機(jī)，其某時(shí)刻可用衛(wèi)星數(shù)量、定位精度均比單一接收機(jī)優(yōu)秀，奇偶矢量法可用性較高。

3、本發(fā)明適用性廣泛，不受載體限制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于多歷元奇偶矢量積累的雙模接收機(jī)RAIM方法的原理流程圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明在原有雙模接收機(jī)典型RAIM算法的基礎(chǔ)上，針對北斗/GPS雙模接收機(jī)的特性，提出了一種基于北斗/GPS雙模接收機(jī)的多歷元奇偶矢量累積的方法，其目的在于提高北斗/GPS雙模接收機(jī)對于緩變偽距故障檢測的靈敏性，具體步驟如圖1所示。

基于多歷元奇偶矢量積累的雙模接收機(jī)RAIM方法，主要器件為北斗/GPS雙模接收機(jī)，具體包含如下步驟：

步驟1，構(gòu)造北斗/GPS雙模接收機(jī)的觀測方程。

由于雙模接收機(jī)接收到的北斗與GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)鐘差不同，故可將這兩個(gè)鐘差等效的相應(yīng)距離設(shè)置為狀態(tài)量x＝[Δx,Δy,Δz,δ_b,δ_g]，Δx,Δy,Δz表示北斗/GPS雙模接收機(jī)坐標(biāo)的微分，δ_b、δ_g分別表示北斗、GPS接收機(jī)的種差。假設(shè)某時(shí)刻接收到的衛(wèi)星數(shù)為n，北斗/GPS雙模接收機(jī)的觀測方程如下所示：

y_k＝H_kx_k+ε (1)

其中，y_k為第k時(shí)刻觀測偽距與計(jì)算偽距之差，n維矢量，x_k為第k時(shí)刻北斗/GPS雙模接收機(jī)狀態(tài)量，ε為n維觀測偽距噪聲矢量，H_k為n*5維觀測系數(shù)矩陣具體表達(dá)式為：

其中，前3列對應(yīng)的是用戶與衛(wèi)星之間的方向余弦值，第4與第5列分別對應(yīng)北斗、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)鐘差相關(guān)系數(shù)。假設(shè)觀測到j(luò)顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，n-j顆GPS衛(wèi)星。式子中分別為衛(wèi)星j在接收機(jī)處觀測矢量長度在[x,y,z]處偏導(dǎo)的值，且為用戶估計(jì)位置到衛(wèi)星j的幾何距離。

可根據(jù)步驟1建立的觀測方程，求解后續(xù)步驟2中每時(shí)刻的奇偶矢量。

步驟2，求解北斗/GPS雙模接收機(jī)每時(shí)刻奇偶矢量。

根據(jù)步驟1設(shè)置的接收機(jī)觀測方程，按照以下公式構(gòu)建在奇偶空間上的矢量信息，對之前構(gòu)造的觀測系數(shù)矩陣H_k進(jìn)行QR分解，公式如下：

H_k＝Q_kR_k (3)

其中，Q_k為第k時(shí)刻正交矩陣，n*n維；R_k為第k時(shí)刻上三角矩陣，n*5維；

根據(jù)Q_k陣的正交性，將式(3)代入式(1)并左乘Q_k^T，可將式(1)改變?yōu)槭?4)：

Q_k^Ty_k＝R_kx_k+ε (4)

對轉(zhuǎn)置矩陣Q_k^T進(jìn)行分塊，通過矩陣分割n維將觀測空間分割成5維狀態(tài)空間和n-5維奇偶空間：

其中，為Q_k^T的前5行，為Q_k^T的n-5行，為奇偶變換矩陣；

通過將n維觀測矢量轉(zhuǎn)換成奇偶空間上的奇偶矢量pk：

式中，為矩陣偽距偏差的第s列向量，1≤s≤n，B_s為故障常量，H₀、H₁分別表示無故障、有故障，由此可得出的奇偶矢量p_k，其為觀測誤差ε在奇偶空間上的投影，可以反映故障偏差等信息，一般傳統(tǒng)奇偶矢量法是通過構(gòu)建每時(shí)刻奇偶矢量|p_k|²構(gòu)造檢測統(tǒng)計(jì)量的。

步驟3，累積相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的奇偶矢量，構(gòu)建檢測統(tǒng)計(jì)量。

本發(fā)明構(gòu)建了一定時(shí)間長度的滑動(dòng)窗口，以此來累加相應(yīng)的奇偶矢量，根據(jù)窗口內(nèi)的奇偶矢量和的統(tǒng)計(jì)特性來確定窗口末端量測故障信息。這里窗口長度根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置。

在實(shí)際情況里，很多時(shí)候累計(jì)時(shí)間未到設(shè)置的窗口長度，或者在累加的過程中，不同時(shí)刻觀測到不同衛(wèi)星數(shù)目，出現(xiàn)此類情況，即累加衛(wèi)星數(shù)目變化之前的相應(yīng)時(shí)間奇偶矢量，下一時(shí)刻進(jìn)行下一流程的故障檢測，具體公式如下：

將新奇偶矢量根據(jù)量測噪聲方差歸一化后，構(gòu)建故障統(tǒng)計(jì)函數(shù)：

其中，fd表示故障判斷檢測量，sum_p為當(dāng)前時(shí)刻的檢測統(tǒng)計(jì)量，t為設(shè)定的滑動(dòng)窗口的時(shí)間長度，σ²為量測噪聲方差。

步驟4，設(shè)置故障門限，判斷是否故障，并檢測對故障衛(wèi)星進(jìn)行識(shí)別。

根據(jù)步驟3中所求得的故障檢測統(tǒng)計(jì)量，構(gòu)建故障檢測門限。歸一化后發(fā)生故障的北斗/GPS雙模接收機(jī)檢測概率分布為自由度n-5的非中心χ²分布，由于無論窗口大小多少，檢測統(tǒng)計(jì)量均服從χ²分布，所以其恒誤警率下的檢測門限也是一致的，即虛警檢測門限為：

其中，fd表示故障判斷檢測量，p_r為故障門限，a為設(shè)定概率，x為北斗/GPS雙模接收機(jī)狀態(tài)量，n為北斗/GPS雙模接收機(jī)接收到的衛(wèi)星數(shù)目，P_FA為虛警概率。

若fd≥p_r，表示檢測出故障，需要進(jìn)一步識(shí)別出故障的衛(wèi)星偽距；若fd<p_r，表示未檢測出故障，進(jìn)入后續(xù)雙模接收機(jī)定位流程。

在步驟2中求得奇偶變換矩陣Q^p中，每一個(gè)列向量對應(yīng)一顆衛(wèi)星，稱為該衛(wèi)星的特征矢量，將步驟3統(tǒng)計(jì)得到的奇偶矢量sum_p投影到每顆衛(wèi)星的特征矢量上，偏離最遠(yuǎn)的即為故障衛(wèi)星：

其中，D為觀測向量，其作為檢測量可以用來統(tǒng)計(jì)各衛(wèi)星的偽距偏差，觀測向量中數(shù)值最大的元素對應(yīng)于發(fā)生故障的衛(wèi)星號(hào)，Q^p為奇偶變換矩陣，σ為量測噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。