[发明专利]一种GPS双卫星故障的RAIM方法

权利要求书

1.一种GPS双卫星故障的RAIM方法，包括如下步骤：

第一步，建立粒子滤波用于接收机自主完好性监测的故障检测与隔离的系统模型；

第二步，计算各状态累加对数似然比；

第三步，使用基于层次滤波和粒子滤波算法的接收机自主完好性监测方法实现对双故障卫星的检测和隔离；

其中第一步建立粒子滤波用于接收机自主完好性监测的故障检测与隔离的系统模型的中的系统状态方程：

X_k＝F_k-1X_k-1+w_k-1

式中,Δδ为接收机相对于卫星时间的误差；F为转移矩阵，在静止状态下为特征矩阵；w为过程噪声；

量测方程：

ρⁱ(k)＝Rⁱ(k)+cΔδⁱ+Tⁱ(k)+Eⁱ(k)+εⁱ(k)

式中，ρⁱ为接收机(r_x,r_y,r_z)与卫星i(s_xⁱ,s_yⁱ,s_zⁱ)之间的伪距；c为光速；Δδ为时间误差；Eⁱ为星历影响；ε为码观测噪声；为接收机与卫星i之间的真实距离；

量测量选取为：卫星位置坐标(s_xⁱ,s_yⁱ,s_zⁱ)、伪距ρⁱ和时间误差Δδ，都可从量测数据中提取；

假设当前用于PVT解算的卫星数目s＝6，并假设其中有一颗卫星出现故障，为了检测和隔离出故障卫星，需要Q＝s+1个PF，一个作为主PF，剩下的s个PF作为辅助PF，主PF的作用是处理所有s颗卫星的测量值以计算系统的状态估计；s个辅助PF的作用是计算依次去除s颗卫星中的一颗卫星的测量值后对应的状态估计，计算结果将用于LLR测试以进行一致性检测；

其中第二步计算各状态累加对数似然比具体过程为：统计量的建立：

将LLR测试定义为各辅助PF和主PF的概率密度函数之比，表达式如下式所示：

sq(y)=lnpq(y)pA(y)]]>

量测量y_j到y_k的累加LLR可以表示为：

Sik(q)=Σi=jklnpq(yi|Yi-1)pA(yi|Yi-1)]]>

由于系统状态估计的似然函数可用PF中粒子的归一化权值近似表示，故上式中的p^q(y_i|Y_i-1)和p^A(y_i|Y_i-1)可表示为：

pq(yi|Yi-1)≈1NΣm=1Nw~iq(m)]]>

pA(yi|Yi-1)≈1NΣm=1Nw~iA(m)]]>

所以，计算出主PF和各辅助PF中各时刻的粒子归一化权值，即可得到用于一致性检测的累加LLR，从而对系统是否出现故障进行检测；

通过计算得到各时刻的累加LLR函数后，根据累加LLR函数具有的特性，即正常情况下，随着时间k的增长，函数曲线是平稳的；当数据发生变化时，会在变化之前产生一个负向的漂移，在变化之后产生一个正向的漂移，体现在函数曲线上就是一个不同于其他时刻的波动，利用这一特性就可以对系统是否发生故障做出判断；

用于FD的判决函数如下：

βk=maxk-U+1≤j≤kmax1≤d≤DSjk(d)>τ]]>

式中的U为窗函数，包含当前时刻以前的各观测时刻，一般根据经验选择窗口大小，τ为判决阈值，一般也是根据经验选择，

当β_k>τ，也就是系统检测到故障时，应当设置告警并将当前时刻表示为t_a，之后利用下式确定发生故障的卫星编号：

g=argmax1≤d≤DStak(k>ta)]]>

式中g表示故障卫星编号，确定了故障卫星的卫星编号，就可以对该卫星的量测值进行隔离；

其中第三步使用基于层次滤波和粒子滤波算法的接收机自主完好性监测方法实现对双故障卫星的检测和隔离具体过程为：

(1)用全部的测量值s计算系统的状态估计后，用剩下的测量值计算除去s颗卫星中的一颗卫星的测量值即s-1后对应的状态估计，然后进行LLR一致性检测，如果超过设定门限则表示有故障，否则无故障；

(2)如果有故障卫星，则利用相同的方式，在去掉故障卫星的测量值之后，利用剩下的测量值即s-1个测量值和剩下的部分测量值计算即s-2个测量值状态估计，然后再进行LLR一致性检测，确定剩余卫星中是否有故障卫星，利用上述方法，经过两次计算，即可实现两颗卫星的故障检测。

2.如权利要求1所述的一种GPS双卫星故障的RAIM方法，其特征在于，根据空间交会原理求解接收机初始位置，再根据接收机所在坐标(r_x,r_y,r_z)产生N个主PF的初始粒子和辅助PF的初始粒子

一、进行第一层次滤波，每个时间常数k重复以下步骤：

1.状态预测：将

和分别带入系统状态方程，得到粒子预测值和

2.计算粒子权重：将粒子预测值和第i颗卫星的位置坐标(s_xⁱ,s_yⁱ,s_zⁱ)以及时间误差Δδ带入系统量测方程，得到预测的第i颗卫星的伪距值将和伪距的量测值ρⁱ带入权值计算公式并归一化，得到归一化后的粒子权值和

3.计算LLR：通过计算对数似然比；

4.根据计算判定函数；

5.错误判决：τ为判决阈值；

如果β_k＞τ，错误告警设置为t_a＝t时刻并跳至步骤6；

如果β_k＜τ，则表示没有错误，跳至步骤7；

6.错误隔离：在k＞t_a下，取出Q颗卫星中累积LLR最大的那个卫星q即为出错的卫星，则g＝q；

7.状态更新：粒子滤波重采样得到更新粒子；

二、进行第二层次滤波，在去掉累计LLR最大的那颗卫星之后，用剩下的测量值和剩下的部分测量值再一次进行基于LLR的PF算法进行第二层次卫星的故障检测与隔离，排除剩余故障卫星。