[发明专利]一种GPS双卫星故障的RAIM方法

摘要

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。本发明的优点在于1、本方法能有效地实现双卫星故障情况下的接收机自主完好性监测，检测方法不存在延时，实时性好；2、本方法对于系统噪声和干扰为非高斯分布的问题能得到最优解；3、本方法满足卫星导航系统精度的要求，适用于完好性要求苛刻的领域。

主权项

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：Xk＝Fk‑1Xk‑1+wk‑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(rx,ry,rz)与卫星i(sxi,syi,szi)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(sxi,syi,szi)、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yj到yk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pq(yi|Yi‑1)和pA(yi|Yi‑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βk>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ta，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。