[发明专利]一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空导航自主完好性监测领域，具体涉及一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法。

背景技术

近年以来，航空导航对完好性监测的需求日益增强。机载系统不仅要接收导航观测量，同时还需要鉴别所接收到的导航观测量是否能满足高安全性的定位需求。传统的导航自主完好性监测方法能够满足民用航空在航路和终端区非精密进近的完好性要求，但是仍然具有如下两方面的局限性：首先，传统的导航自主完好性监测方法主要针对单一导航系统，当导航卫星可见性下降或导航卫星几何特性不够理想的情况下，传统的导航自主完好性监测方法无法实现高效的卫星故障检测，因而也无法保障导航完好性；其次，由于性能有限，传统的导航自主完好性监测方法无法满足APV、LPV200等飞行阶段对完好性的需求。随着全球导航卫星系统的发展，多星座导航成为提高导航性能的一种有效解决途径。在此情况下，如何对多星座导航进行完好性监测、以满足APV、LPV200等飞行阶段的完好性需求，并进一步提高导航可用性，成为一个亟待突破的技术难题。

卫星空间信号故障是导航故障的主要来源之一，卫星故障的检测是导航自主完好性监测的核心。传统的卫星导航自主完好性监测方法(RAIM)通过建立导航量测量估计误差的统计检测模型来实现对卫星故障的检测，该方法的性能受飞机运行环境和机载设备计算能力的影响，在没有卫星状态先验信息的参考下，该方法无法满足较高的完好性需求。虽然研究人员先后提出了地面完好性通道(GIC)和星基增强系统(SBAS)以增强完好性，但这些方法都需要部署较多的地面站，系统复杂、耗资巨大。因此，设计并实现高性能、低成本、自主、灵活的多星座导航自主完好性监测方法是本领域研究人员致力解决的难点之一。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，通过地面监测站接收导航观测量，对卫星空间信号的星历误差和星钟误差进行估计和监测，对区域内的航路进行卫星导航自主完好性监测的可用性预测，并将结果 播发至飞机。机载导航设备利用地面广播的先验信息，检测其接收到的导航卫星是否存在故障。该方法提高了导航故障的检测概率，有效保障了导航完好性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种空地协同的多星座卫星导航完好性多级监测方法，所述方法适用于多星座卫星导航完好性监测，其特征在于通过地面监测站接收导航观测量，对卫星空间信号的星历误差和星钟误差进行估计和监测，对区域内的航路进行卫星导航自主完好性监测的可用性预测，并将结果播发至飞机。机载导航设备利用地面广播的先验信息，检测其接收到的导航卫星是否存在故障，以确保飞行的导航完好性。所述方法包括如下步骤：

A、每个地面监测站接收卫星的导航观测量，并消除电离层、对流层传播误差，计算得到可见卫星的伪距残差；

B、每个地面监测站通过航空通信网向地面主控站广播其可见卫星的伪距残差信息；

C、地面主控站根据监测站播发的伪距残差信息，计算所有监测站的共视卫星；

D、地面主控站建立所有监测站共识卫星的星历、星钟误差估计方程，并在此基础上计算卫星空间信号测距误差；

E、地面主控站根据计算得到的卫星空间信号测距误差，对预设定的空域和航路进行第一级导航故障检测；

F、若检测到故障，则将故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；

G、地面主控站对预设定的空域和航路进行卫星导航自主完好性监测可用性预测，并将预测结果与运行完好性要求进行比较，完成第二级导航故障检测；

H、若不满足运行完好性要求，则对故障卫星进行隔离，对受影响区域进行标记；

I、地面主控站将第一级和第二级故障检测结果和受影响区域信息播发至飞机；

J、飞机的机载导航设备根据地面主控站的监测信息，对监测站共视卫星和所有可见卫星组合进行自主完好性监测的可靠性进行分析；

K、机载导航设备对飞机所有可见卫星进行第三级故障检测；

L、若检测到故障，则对故障卫星进行隔离；

M、机载导航设备计算所有正常卫星构成定位方程的保护级，并将其与告警限进行比较，以确保飞行的导航完好性。

所述步骤A中：消除传播误差后，第j颗卫星的伪距残差可表述为：

其中△E^j表示星历误差，B^j表示星钟误差，是电离层、对流层残差和多路径效应、热噪声的集合。

所述步骤D中：所有共视卫星的伪距残差方程为：