阅读说明：本技术 高级接收机自主完好性监测保护级优化方法和设备 (Advanced receiver autonomous integrity monitoring protection level optimization method and device ) 是由 薛瑞 赵勇 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高级接收机自主完好性监测保护级优化方法和设备。该方法包括：根据多个卫星的ISM信息计算接收机的全局定位信息以及故障子集的子集定位信息；根据全局定位信息和子集定位信息计算接收机的定位估计误差的分布和故障子集的检测统计量的分布；若确定检测统计量通过检测,则根据最小化完好性风险的优化函数以及定位估计误差的分布和检测统计量的分布,计算优化后的保护级；若根据优化后的保护级判断ARIAM可用,则输出接收机的定位结果。本发明实施例的方法,在非均衡卫星几何分布下对不同的故障子集确定是否通过检测,建立各个卫星故障假设下的完好性目标,以最小化完好性风险为目标,减小由于故障漏检所造成的完好性风险。(The invention provides a method and equipment for optimizing an autonomous integrity monitoring protection level of an advanced receiver. The method comprises the following steps: calculating global positioning information of a receiver and subset positioning information of a fault subset according to ISM information of a plurality of satellites; calculating the distribution of positioning estimation errors of the receiver and the distribution of detection statistics of the fault subsets according to the global positioning information and the subset positioning information; if the detection statistic is determined to pass the detection, calculating the optimized protection level according to the optimization function of the minimized integrity risk, the distribution of the positioning estimation error and the distribution of the detection statistic; and if the ARIAM is judged to be available according to the optimized protection level, outputting the positioning result of the receiver. According to the method provided by the embodiment of the invention, whether different fault subsets pass detection or not is determined under the geometric distribution of the unbalanced satellite, and the integrity target under each satellite fault hypothesis is established, so that the minimized integrity risk is taken as a target, and the integrity risk caused by the missed detection of the fault is reduced.)

高级接收机自主完好性监测保护级优化方法和设备

技术领域

本发明涉及航空监视技术领域，尤其涉及一种高级接收机自主完好性监测保护级优化方法和设备。

背景技术

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)在全世界广泛应用，用户对GNSS导航安全性和完好性提出了越来越高的要求，在精密导航技术(Required Navigation Performance，简称RNP)的性能指标中，完好性直接与航空安全相关，完好性是指在导航误差超过安全运行所允许的上限时，系统及时向用户提出告警的能力。GNSS导航信号是GNSS向用户播发的一种用于导航定位的调制波，信号在传播过程中受各种因素的影响而产生误差，例如卫星星钟误差、卫星星历误差、电离层延迟、对流层延迟、多径和接收机噪声等，这些误差在用户端叠加导致伪距误差，在极端情况下，等效的伪距误差超过告警限容易形成危险误导信息，危害飞行安全，因此GNSS导航信号本身无法满足民用航空对于完好性的要求，所以必须辅助以完好性监测手段，以保证航班的飞行安全。

在现有的高级接收机自主完好性监测(Advanced Receiver AutonomousIntegrity Monitoring，简称ARAIM)中主要是以多故障假设解分离(Multiple HypothesisSolution Separation，简称MHSS)算法为主，卫星故障检测和故障识别分别是以全可见卫星几何分布均匀的基础上提出来的，该算法中定义全可见星的定位解为全局定位解，子集定位解为全可见星中排除某颗或某几颗卫星的定位解，基本原理是以全可见星定位解为基准，然后计算每个子集定位解与全局定位解的距离，通过比较距离与阈值的大小来判断是否存在故障。该算法认为，在无故障的情况下，全局定位解和所有子集定位解应聚集在一起，而如果存在故障卫星，则使用该故障卫星的全局定位解和子集定位解将产生偏移，不含故障卫星的子集定位解将更接近飞机的真实位置。

然而，在实际应用中，尤其是当卫星的可见数目较少时，容易发生卫星几何分布不均衡的情况，从而造成故障卫星的误排和漏排，形成危险误导信息，影响高级接收机自主完好性监测的完好性。

发明内容

本发明提供一种高级接收机自主完好性监测保护级优化方法和设备，以减小由于故障漏检所造成的完好性风险。

第一方面，本发明提供一种高级接收机自主完好性监测保护级优化方法，包括：

根据多个卫星的完好性支持ISM信息计算接收机的全局定位信息，以及故障子集的子集定位信息；

根据所述全局定位信息和所述子集定位信息计算接收机的定位估计误差和所述故障子集的检测统计量；

若确定所述检测统计量通过检测，则根据最小化完好性风险的优化函数以及所述接收机的定位估计误差和所述故障子集的检测统计量，计算优化后的保护级；

若根据优化后的保护级判断高级接收机自主完好性监测ARIAM可用，则输出所述接收机定位结果。

第二方面，本发明提供一种高级接收机自主完好性监测保护级优化设备，包括：

处理器；以及

存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行第一方面中任一项所述的方法。

本发明提供的高级接收机自主完好性监测保护级优化方法和设备，根据多个卫星的完好性支持ISM信息计算接收机的全局定位信息，以及故障子集的子集定位信息；根据所述全局定位信息和所述子集定位信息计算接收机的定位估计误差和所述故障子集的检测统计量；若确定所述检测统计量通过检测，则根据最小化完好性风险的优化函数以及所述接收机的定位估计误差和所述故障子集的检测统计量，计算优化后的保护级；若根据优化后的保护级判断高级接收机自主完好性监测ARIAM可用，则输出所述接收机定位结果，上述方案特别是针对非均衡卫星几何分布下，通过对不同的故障子集确定是否通过检测，然后建立各个卫星故障假设下的完好性目标，以最小化完好性风险为目标，从而减小由于故障漏检所造成的完好性风险，保障航空飞行安全。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本发明提供的非均衡卫星几何分布示意图；

图2是本发明提供的高级接收机自主完好性监测保护级优化方法一实施例的流程示意图；

图3是本发明提供的高级接收机自主完好性监测保护级优化设备一实施例的结构示意图。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

首先对本发明所涉及的名词和应用场景进行介绍：

当GNSS应用于民用航空时，GNSS必须满足具有更高要求的导航性能(RequiredNavigation performance，RNP)指标，它主要体现在完好性、连续性、精度和可用性这四个参数。根据国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)规定，这四个参数的定义如下：

精度(Accuracy)：导航系统确定的用户位置与用户真实位置之间的差值。

完好性(Integrity)：系统提供导航信息的置信水平，当由于故障而不能提供导航信息时，系统能够在给定时间内向用户告警的能力。系统不能检测到危险误导信息的概率称为完好性风险。

连续性(Continuity)：在无中断的情况下，系统在整个运行阶段中满足定位精度和完好性要求的能力。在整个运行阶段内系统被告警且不能提供导航信息的概率称为连续性风险。

可用性(Availability)：系统能够满足定位精度、完好性和连续性的时间与系统整个运行时间的比值。

ARAIM是一种内嵌在飞机接收机内的完好性监测算法，属于空基增强技术。ARAIM基于多星座并且能够在全球范围内支持垂直导航和水平导航的自主完好性监测手段。

ARAIM的处理流程：一个或者多个用于导航的星座提供卫星伪距测量值，ARAIM地面监测网络将观测到的可用卫星以及它们的性能作为完好性支持信息的一部分，并将它们发送给用户，然后用户根据ISM信息，确定哪种卫星故障组合必须被检测，然后进一步确定所需要估计的故障子集并计算每个故障子集的位置解，任何有故障的卫星都将被识别和排除。

卫星信号在传播过程中，会受到各种因素的影响而产生定位误差，这些误差主要有对流层误差、星历星钟误差、接收机噪声误差、多径误差等。我们把这些使得定位产生较大偏差的导航信号称之为卫星故障。如果使用这些有故障的卫星信号，将会使定位结果产生很大的偏差。

故障子集，是指从全可见卫星中排除一颗卫星或者多颗卫星形成的集合。

使用全可见星解算的定位解称为全局定位解，对应的，使用故障子集解算的定位解称为子集定位解。

可以通过比较各个子集定位解与全局定位解的距离来判断是否存在故障卫星。如果所有的子集定位解与全局定位解的距离小于阈值，即检测门限，则认为当前可见卫星无故障存在，如果存在个别子集定位解与全局解的距离超过门限，则认为有故障卫星存在。

ARAIM基本算法是在假设卫星均衡分布的基础上提出来的，在实际应用中，卫星的几何分布并不总是均衡的。而对于非均衡卫星几何分布，如图1所示，不同的卫星(1号-5号)对定位误差的敏感程度不一样，它们在定位解算中具有不同的权重，所以当不同权重的卫星发生故障时，它们对定位误差的影响是不同的，而在ARAIM基本算法中，忽略了卫星几何分布不均衡对定位误差的影响，从而使得高权重的卫星观测故障，造成卫星故障漏检，形成完好性风险，对航空安全造成危险。

本发明实施例的方法，主要针对非均衡卫星几何分布下，基于对漏检概率的估计，通过对不同的故障子集采取不同的检测门限，然后建立各个卫星故障假设下的完好性目标，以最小化完好性风险为目标，从而减小由于故障漏检所造成的完好性风险，保障航空飞行安全。

完好性支持信息(ISM)是ARAIM算法用于计算垂直保护级信息的重要部分，由地面参考接收机收集并广播传给用户，它可以为用户提供卫星导航系统所需要的具有极高可靠性的安全判定信息，即用于导航的每颗卫星性能预估，它包含了：

1、每颗卫星的先验故障概率和星座的先验故障概率；

2、用户测距精度(URA)；

3、用户测距误差(URE)；

4、用于完好性的标准偏差b_nom等。

具体参数如表1所示。

表1 ISM信息与用户输入信息列表

用户的输入参数如表2所示：

表2用户算法参数列表

参量名称	描述	参考值
			PHMI	总完好性预算	10<sup>-7</sup>
PHMI<sub>VERT</sub>	总完好性预算垂直分量	9.8×10<sup>-8</sup>
			PHMI<sub>HOR</sub>	总完好性预算水平分量	2×10<sup>-9</sup>
P<sub>CONST_THRES</sub>	来自未受监视星座的故障的完好性阈值	4×10<sup>-8</sup>
			P<sub>SAT_THRES</sub>	来自未受监视卫星的故障的完好性阈值	4×10<sup>-8</sup>
P<sub>FA</sub>	分配给虚警导致的中断的连续性预算	4×10<sup>-6</sup>
			P<sub>FA_VERT</sub>	分配给垂直模式的连续性预算	3.9×10<sup>-6</sup>
P<sub>FA_HOR</sub>	分配给水平模式的连续性预算	9×10<sup>-8</sup>
			P<sub>FA_CHI2</sub>	分配给卡方检验的连续性预算	10<sup>-8</sup>
TOL<sub>PL</sub>	保护级计算容限	5×10<sup>-2</sup>m
			K<sub>ACC</sub>	用于精度计算的标准差的个数	1.96
K<sub>FF</sub>	用于无垂直位置故障的标准差的个数	5.33
			P<sub>EMT</sub>	用于计算EMT(有效监视阈值)的概率	10<sup>-5</sup>
T<sub>CHEcK</sub>	对被排除的卫星的一致性检验之间的时间常量	300s
			T<sub>RECOV</sub>	被排除的卫星恢复全可见星集的最小时间周期	600s

图2是本发明提供的高级接收机自主完好性监测保护级优化方法一实施例的流程示意图。如图2所示，本实施例提供的方法，包括：

步骤201、根据多个卫星的完好性支持ISM信息计算接收机的全局定位信息，以及故障子集的子集定位信息。

具体的，完好性支持ISM信息例如可以包括测距误差、测距精度、对流层误差以及多径和用户接收机噪声等信息，该步骤101可以采用如下方式实现：

根据所述ISM信息中包括的测距误差、测距精度、对流层误差以及多径和用户接收机噪声计算用于完好性的伪距协方差矩阵以及用于精度和连续性的伪距协方差矩阵；

根据所述用于完好性的伪距协方差矩阵利用加权最小二乘法，计算接收机的全局定位信息以及故障子集的子集定位信息。

其中，全局定位信息包括全局定位解，子集定位信息包括子集定位解。

对于故障子集的子集定位解，来自对所有可见卫星进行故障假设，包括单颗卫星故障假设、多颗卫星故障假设和星座故障假设，然后对于每一种假设，将所有可能出现的故障进行组合排列，然后解算出每个故障子集的子集定位解。

步骤202、根据所述全局定位信息和所述子集定位信息计算接收机的定位估计误差和所述故障子集的检测统计量。

具体的，假设卫星总数为N_sat，当第i颗卫星发生故障时，定位估计误差可以是服从非零均值的高斯分布。

假设故障子集的个数为N_{fault_modes}，第k个故障子集的检测统计量

可以是服从零均值的高斯分布。

步骤203、若确定所述检测统计量通过检测，则根据最小化完好性风险的优化函数以及所述接收机的定位估计误差和所述故障子集的检测统计量，计算优化后的保护级。

进一步的，步骤203之前，还可以进行如下操作：

根据所述检测统计量的分布，计算故障检测的门限；

根据所述故障检测的门限，确定所述检测统计量是否通过检测；

若所述检测统计量未通过检测，则进行故障排除，直至所述检测统计量通过检测；

若所述检测统计量通过检测，则根据最小化完好性风险的优化函数以及所述定位估计误差和检测统计量的分布，计算优化后的保护级。

本实施例中，针对每个故障子集都对该故障子集的检测统计量判断是否通过检测，若未通过，则进行故障排除，直至所述检测统计量通过检测。

保护级包括垂直保护级和水平保护级，本发明实施例中主要以垂直保护级为例进行说明。

步骤204、若根据优化后的保护级判断高级接收机自主完好性监测ARIAM可用，则输出所述接收机的定位结果。

具体的，若所述优化后的垂直保护级小于预设的垂直告警限VAL，则ARAIM可用；若所述优化后的垂直保护级大于所述VAL，则ARIAM不可用。

本实施例的方法，根据多个卫星的完好性支持ISM信息计算接收机的全局定位信息，以及故障子集的子集定位信息；根据所述全局定位信息和所述子集定位信息计算接收机的定位估计误差和所述故障子集的检测统计量；若确定所述检测统计量通过检测，则根据最小化完好性风险的优化函数以及所述接收机的定位估计误差和所述故障子集的检测统计量，计算优化后的保护级；若根据优化后的保护级判断高级接收机自主完好性监测ARIAM可用，则输出所述接收机定位结果，上述方案特别是针对非均衡卫星几何分布下，通过对不同的故障子集确定是否通过检测，然后建立各个卫星故障假设下的完好性目标，以最小化完好性风险为目标，从而减小由于故障漏检所造成的完好性风险，保障航空飞行安全。

在上述实施例的基础上，进一步的，根据所述ISM信息中包括的测距误差、测距精度、对流层误差以及多径和用户接收机噪声计算用于完好性的伪距协方差矩阵以及用于精度和连续性的伪距协方差矩阵，具体可以通过如下方式实现：

根据ISM信息中的测距误差、测距精度、对流层误差以及多径和用户接收机噪声利用如下公式(1)和公式(2)计算伪距协方差矩阵；

其中，i＝1,2...N_sat代表第i颗卫星，N_sat为卫星总数，为第i颗卫星的测距误差的方差，

为第i颗卫星的测距精度的方差，

为第i颗卫星的对流层误差的方差，

为第i颗卫星的多径和用户接收机噪声的方差；C_int(i,i)表示用于完好性的伪距协方差矩阵，而C_acc(i,i)表示用于精度和连续性的伪距协方差矩阵；

全局定位信息包括全局定位解，根据所述用于完好性的伪距协方差矩阵利用加权最小二乘法，计算接收机的全局定位信息，具体可以通过如下方式：

根据加权最小二乘法利用如下公式(3)计算全局定位解

其中，G为N_sat×(3+N_const)的几何观测矩阵，N_const表示星座数目，y为伪距残差，加权矩阵W＝C_int ^-1(i,i)；

子集定位信息包括子集定位解，根据所述用于完好性的伪距协方差矩阵利用加权最小二乘法，计算故障子集的子集定位信息，具体可以通过如下方式实现：

根据如下公式(4)计算第k个故障子集的子集定位解

其中，k＝1,...,N_{fault_modes}，N_{fault_modes}表示故障子集的个数，W^(k)为第k个故障子集的加权矩阵，其中

idx_k表示第k个故障子集中卫星下标，idx_k＝{i₁,...,i_t}。

其中，几何观测矩阵G的前三列与RAIM方法中的G一样，剩余的每列则对应每个星座的参考时钟。

其中，在计算故障子集的子集定位解之前，可以根据ISM信息中的卫星故障先验概率利用如下公式(a)，确定待监测的故障子集；

其中，N_sat,max表示同时发生故障的最大卫星数目，P_sat,i表示第i颗卫星的先验故障概率，P_{sat,not_monitored}表示至少有t个卫星同时发生故障的概率，P_{sat_thres}表示未受监视卫星的故障的完好性阈值。

当N_sat,max确定，则可以确定出来所有的故障子集。

在上述实施例的基础上，进一步的，步骤202具体可以采用如下方式实现：

当第i颗卫星发生故障时，定位估计误差ε_i'服从非零均值的高斯分布，如公式(5)：

ε′_i～N(η_ib_nom,i,(G^TWG)^-1) (5)

其中，

ε表示测量误差，假设各颗卫星的测量误差均服从零均值的正态分布，则E(ε)＝0，x是真实位置，S⁽⁰⁾表示全可见星时的投影矩阵，b_nom为标准偏差，η_i表示第i颗卫星在定位解算中的权重，b_nom,i表示第i颗卫星对应的标准偏差，W和G与公式(3)中的含义相同；

计算接收机的检测统计量的分布，包括：

根据全局定位解与子集定位解，得到第k个故障子集的检测统计量

服从零均值的高斯分布，如公式(6)：

其中，

S^(k)表示第k个故障子集对应的投影矩阵，S⁽⁰⁾表示全可见星时的投影矩阵，其中，对于第i颗卫星，

利用公式(7)计算故障检测的门限T_k：

其中，β_k表示H₀假设下的检测告警率P(|Δx^(k)|≥T_k|H₀)，H₀表示全可见星的假设，

Q^-1()为Q的逆函数。

其中，η_i反映了第i颗卫星在定位解算中的权重。不同的卫星在定位解算中具有不同的权重，相同的标准偏差b_nom发生在不同的观测卫星上时，所造成的定位误差也不一样，均值是不同的，而方差却相同。因此在定位域中，定位估计误差超限的概率与卫星的几何分布有关，即与各卫星观测在定位解算中的权重有关。

其中ξ_k只与卫星的几何分布有关系，对于非均衡的卫星几何分布，不同的卫星对应着不同的ξ_k，每个卫星都对检测门限产生一定的影响。对于ξ_k值比较小的卫星，说明该卫星与其他卫星集中在一起，当它发生故障时，它的检测统计量较小，对故障偏差不敏感，检测门限难以检测到其发生故障，容易造成漏检，引起完好性风险。

Q：零均值高斯分布的累积分布函数，其数学表达式如下：

其中Q^-1()是Q的逆函数。

进一步，确定所述检测统计量是否通过检测，可以采用如下方式实现：

若|Δx^(k)|≤T_k，则检测统计量Δx^(k)通过检测；

若|Δx^(k)|≥T_k，则检测统计量Δx^(k)未通过检测，进行故障排除，直至所述检测统计量Δx^(k)通过检测。

具体的，可以根据卫星的ξ_k对故障子集的动态门限进行调整，使得较小的卫星有对应较小的检测门限，从而降低漏检率，减少完好性风险。

进一步的，步骤203具体可以采用如下方式实现：

利用如下公式(8)，求解使得最小化完好性风险的优化函数最小的垂直保护级，作为优化后的垂直保护级：

其中，r＝(G^TWG)^-1，_{Nfault_modes}表示故障子集的个数，

表示ξ_k的第i个分量，即表示ξ_k在第i颗卫星的分量，

表示故障子集k的先验概率。

其中，利用如下公式(8)，求解使得最小化完好性风险的优化函数最小的垂直保护级，作为优化后的垂直保护级，具体可以采用如下方式：

分别对公式(9)中η_i,

求导，求出极值点

然后将极值点

带入公式(9)中，得到优化后的垂直保护级。

具体的，通过分析证明可得，定位估计误差和检测统计量是相互独立的。因此任意故障子集的完好性风险可以表示定位误差超限的概率、故障检测漏检概率与故障子集的先验概率的乘积，具体表示为：

其中，H_k表示第k个故障子集的假设，P_HMI,k表示第k个故障子集的完好性风险。

非均衡的卫星几何分布中，η_i值较大的卫星对定位误差的影响要高于其他η_i值较小的卫星，而检测统计量对故障偏差的敏感性较差，若采用与其他卫星观测相等的门限进行检测，会造成故障的漏检率高，造成完好性风险增加。而各个卫星故障假设下的完好性风险由定位估计误差的超限概率、故障检测的漏检概率与故障子集的先验概率的乘积组成。所以以最小化完好性风险作为优化目标，则抽象成数学表达式为：

在有故障的情况下，检测统计量的第i个分量服从高斯分布，即

则在有故障H_k条件下的漏检概率为：

由步骤202分析可知，定位估计误差服从为了计算方便，令r＝(G^TWG)^-1，由此可以得到定位误差的超限概率可以表示为：

则优化函数进一步可以简化为公式(9)。

对公式(9)的优化问题进行求解，便可以动态地能够将危险误导信息动态地分配到各个假设的故障模式中，解决了非均衡问题下的高权重卫星观测故障漏检率高的问题。这其实是一个求最优解问题，可以把该问题看成一个关于

函数求最小值问题。

其中

是

的解，分别对

求导，即

然后令这些偏导等于零，求出极值点

然后将其带入解算出最优的VPL值。

进一步的，若所述优化后的垂直保护级小于预设的垂直告警限VAL，则ARAIM可用；

若所述优化后的垂直保护级大于所述VAL，则ARIAM不可用。

本发明实施例中，故障检测的主要任务是判断当前是否存在故障，若无故障存在，根据每颗卫星对定位解的贡献程度分配不同的完好性风险，进而达到优化保护级VPL的目的；若有故障存在，则需要进行故障排除。

图3为本发明提供的高级接收机自主完好性监测保护级优化设备实施例的结构图，如图3所示，该高级接收机自主完好性监测保护级优化设备包括：

处理器301，以及，用于存储处理器301的可执行指令的存储器302。

可选的，还可以包括：通信接口303，用于实现与其他设备的通信。

上述部件可以通过一条或多条总线进行通信。

其中，处理器301配置为经由执行所述可执行指令来执行前述方法实施例中对应的方法，其具体实施过程可以参见前述方法实施例，此处不再赘述。

该设备可以为接收机，或设置在接收机内。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。