陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法和设备与流程

1.本发明属于无线电导航定位技术领域，具体涉及一种基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法和设备。


背景技术：

2.陆基定位系统是一种基于改进的伪卫星技术设计的无线电定位系统，通过在区域内布设定位基站播发定位信号和用户终端接收并解析定位信号实现高达厘米级精度的区域定位系统。能够在卫星导航系统不可用时，在一定区域内提供高精度的定位、测速和授时服务。
3.陆基定位系统双天线接收机是在陆基定位系统接收机的基础上改进的用于多点定位、姿态测量等工作的特殊接收机，能够同时处理源自两个天线接收的不同的定位信号，获取两个天线的位置，并可以两个天线的定位结果计算载体航向角和俯仰角等姿态信息。
4.和卫星导航一样，陆基定位系统完好性是指系统在出现故障而不适合于导航时能及时警告用户，而这些故障可能是电子故障、基站播发的故障、多路径以及接收机故障等。接收机自主完好性监测(raim)技术，是一种通过接收机综合各种当地、实际的信息，并以此监测每个基站信号测量值是否出现差错，从而预警或者进一步排除故障的手段。
5.常用的raim监测方法为最小二乘残差法和基于奇偶空间矢量的raim算法，实际上这两种算法虽然表现形式不同，但是它们在理论上是等价的，故障识别能力也是等效的。
6.在现有的raim监测方法中，需要根据经验和具体raim检测需求，设定监测限制t，根据监测限制t获得权重阈值，将计算的权重误差与权重阈值进行比较，判断接收机的完好性，但是陆基定位系统是一套精度达到厘米级的高精度区域定位系统，要达到这种级别的监测效果，需要将门限值设置的很小，虽然提高了检测的漏检概率，但是虚警率迅速提升。这一特点导致卫星定位中常用的raim检测方法应用于陆基定位系统接收机时效果很差。
7.除此之外，陆基定位系统是一套区域定位系统，相较于gnss卫星的数目，陆基基站的数目较少，出现观测量刚刚满足定位方程解算需求(即只有四个观测值)的概率大于卫星导航，而前述的raim算法正常执行对观测值的要求都是≥5个，很多情况下陆基定位系统可以定位却无法进行完好性检测，导致陆基定位接收机可用性下降。
8.因此，特别需要一种陆基定位系统在刚刚满足定位解算需求时就能有效进行完好性监测，且在不提升漏警率基础上降低虚警率的接收机自主完好性监测方法。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提出一种陆基定位系统在刚刚满足定位解算需求时就能有效进行完好性监测，且在不提升漏警率基础上降低虚警率的陆基定位系统接收机自主完好性监测方法。
10.本发明提供一种基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法，包括：步骤1：分别获得第一接收天线和第二接收天线的多个观测量；步骤2：分别根
据第一接收天线和第二接收天线的观测量，获得第一接收天线和第二接收天线的位置信息；步骤3：根据所述第一接收天线的位置信息和第二接收天线的位置信息，获得第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离；步骤4：获得第一接收天线与第二接收天线之间的测量距离；步骤5：获得第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离与测量距离的距离差；步骤6：比较所述距离差与检测阈值，当所述距离差小于或等于检测阈值时，确定双天线接收机完好，输出第一接收天线和第二接收天线的位置信息。
11.可选的，所述步骤2包括：根据第一接收天线的观测量个数，判断第一接收天线是否符合解算条件，当符合解算条件时，构造第一接收天线的观测方程，对所述第一接收天线的观测方程进行求解，获得第一接收天线的位置信息；根据第二接收天线的观测量个数，判断第二接收天线是否符合解算条件，当符合解算条件时，构造第二接收天线的观测方程，对所述第二接收天线的观测方程进行求解，获得第二接收天线的位置信息。
12.可选的，当接收天线对应的观测量个数大于或等于4时，符合解算条件。
13.可选的，所述第一接收天线的观测方程为：
[0014][0015]
所述第二接收天线的观测方程为：
[0016][0017]
其中，为第一接收天线的第一个观测量，为第一接收天线的第n个观测量，为第二接收天线的第一个观测量，为第二接收天线的第m个观测量，为第一接收天线的第一个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第一接收天线的第n个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第二接收天线的第一个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第二接收天线的第m个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第一接收天线的位置和对应的时钟差，为第二接收天线的位置和对应的时钟差。
[0018]
可选的，所述第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离为：
[0019][0020]
r为第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离，为第一接收天线的位置，为第二接收天线的位置。
[0021]
可选的，所述第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离与测量距离的距离差为：er＝|r-r0|，er为计算距离与测量距离的距离差，r为第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离，r0为第一接收天线和第二接收天线之间的测量距离。
[0022]
可选的，所述检测阈值为：
[0023][0024]
其中，et为检测阈值，x为需要定位误差精度。
[0025]
可选的，当所述距离差大于检测阈值时，计算第一接收天线和第二接收天线全部的故障检测量，获得故障检测量的最大值，去除故障检测量的最大值对应的观测量，基于去除后的观测量，返回步骤2。
[0026]
可选的，采用下述公式计算故障检测量：
[0027][0028]
其中，di为故障检测量，vi为伪距残差矢量的第i个元素，σ0为观测值误差标准差，q
vii
为伪距残差的协因数矩阵的第i行第i列上的元素。
[0029]
本发明还公开一种电子设备，电子设备包括：存储器，所述存储有可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令，以实现根据上述基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法。
[0030]
本发明的有益效果在于：本发明的基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法相较于现有方法，能够在不提升漏警率的情况下有效降低虚警率，对完好性进行自主检测且定位精度高。
[0031]
本发明的基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法能够在接收机刚刚满足定位解算条件时，即观测量个数大于或等于4时也能对完好性进行自主检测。
[0032]
本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
[0033]
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0034]
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法的流程图。
[0035]
图2根据本发明的一个实施例的一种基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法的又一流程图。
具体实施方式
[0036]
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
[0037]
本发明提供一种基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法，包括：步骤1：分别获得第一接收天线和第二接收天线的多个观测量；步骤2：分别根
据第一接收天线和第二接收天线的观测量，获得第一接收天线和第二接收天线的位置信息；步骤3：根据第一接收天线的位置信息和第二接收天线的位置信息，获得第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离；步骤4：获得第一接收天线与第二接收天线之间的测量距离；步骤5：获得第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离与测量距离的距离差；步骤6：比较距离差与检测阈值，当距离差小于或等于检测阈值时，确定双天线接收机完好，输出第一接收天线和第二接收天线的位置信息。
[0038]
具体的，第一接收天线和第二接收天线各自接收信号，接收机解析该接收信号，获取第一接收天线和第二接收天线的观测量，分别根据第一接收天线和第二接收天线的观测量，获得第一接收天线和第二接收天线的位置信息，进而计算第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离，通过精密测量的两个接收天线之间的测量距离，获得第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离与测量距离的距离差，比较距离差与检测阈值，如果距离差小于或等于检测阈值，则说明完好性不存在问题，可以输出定位结果，否则进行故障排除。
[0039]
根据示例性的实施方式，基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法相较于现有方法，能够在不提升漏警率的情况下有效降低虚警率，对完好性进行自主检测且定位精度高。
[0040]
作为可选方案，步骤2包括：根据第一接收天线的观测量个数，判断第一接收天线是否符合解算条件，当符合解算条件时，构造第一接收天线的观测方程，对第一接收天线的观测方程进行求解，获得第一接收天线的位置信息；根据第二接收天线的观测量个数，判断第二接收天线是否符合解算条件，当符合解算条件时，构造第二接收天线的观测方程，对第二接收天线的观测方程进行求解，获得第二接收天线的位置信息。
[0041]
具体的，判断第一接收天线的观测量数目是否满足定位需求。此处与现有技术方法不同，现有技术方法判断的观测量数目是否满足raim算法的需求，即门限值至少为5。此处判读的是观测量数目是否满足定位所需的最小观测量数目，即三维定位情况下门限值为4。如果不满足要求，过程结束，否则继续执行。
[0042]
如果满足要求，构造第一接收天线的观测方程，并采用最小二乘法对第一接收天线的观测方程进行求解，获得第一接收天线的定位信息，此处设为[x1,y1,z1,t1]，其中前三项为第一接收天线三维定位结果，第四项为钟差。
[0043]
由于是双天线接收机，此处也需要判断第二接收天线的观测量是否满足定位需求。如果不满足，则过程结束，满足继续执行。
[0044]
如果满足要求，构造第二接收天线的观测方程，并采用最小二乘法对第二接收天线的观测方程进行求解，获得第二接收天线的定位信息，此处设为[x2,y2,z2,t2]，其中前三项为第二接收天线三维定位结果，第四项为钟差。
[0045]
作为可选方案，当接收天线对应的观测量个数大于或等于4时，符合解算条件。
[0046]
具体的，本技术符合解算条件的判断标准是观测量数目是否满足定位所需的最小观测量数目，最小观测量数目大于或等于4，即三维定位情况下门限值为4。基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法相较于现有方法能够在接收机刚刚满足定位解算条件时，也能对完好性进行自主检测。
[0047]
本发明的基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法能够在接收机刚刚满足定位解算条件时，即观测量个数大于或等于4时也能对完好性进行
自主检测。
[0048]
作为可选方案，第一接收天线的观测方程为：
[0049][0050]
第二接收天线的观测方程为：
[0051][0052]
其中，为第一接收天线的第一个观测量，为第一接收天线的第n个观测量，为第二接收天线的第一个观测量，为第二接收天线的第m个观测量，为第一接收天线的第一个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第一接收天线的第n个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第二接收天线的第一个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第二接收天线的第m个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第一接收天线的位置和对应的时钟差，为第二接收天线的位置和对应的时钟差。
[0053]
具体的，分别根据每个接收天线的观测量建立对应接收天线的观测方程，对每个接收天线的观测方程进行求解，获得每个接收天线的位置信息。
[0054]
作为可选方案，第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离为：
[0055][0056]
r为第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离，为第一接收天线的位置，为第二接收天线的位置。
[0057]
作为可选方案，第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离与测量距离的距离差为：er＝|r-r0|，er为计算距离与测量距离的距离差，r为第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离，r0为第一接收天线和第二接收天线之间的测量距离。
[0058]
具体的，设接收机安装时通过精密测量的两个接收天线之间的距离为r0。两组观测方程计算定位信息，计算的两天线之间的距离为r
[0059][0060]
其距离差值为er，er＝|r-r0|。
[0061]
作为可选方案，检测阈值为：
[0062][0063]
其中，et为检测阈值，x为需要定位误差精度。
[0064]
具体的，et为设定的检测门限，根据经验和定位精度需求设计即可。例如需要定位
误差精度在5cm以内，则et可以进行如下设置：
[0065]
作为可选方案，当距离差大于检测阈值时，计算第一接收天线和第二接收天线全部的故障检测量，获得故障检测量的最大值，去除故障检测量的最大值对应的观测量，基于去除后的观测量，返回步骤2。
[0066]
具体的，检测第一接收天线和第二接收天线全部的故障检测量di中的最大值对应的观测量，去除该观测量，并重新回到步骤2进行再一次进行完好性检测，达到故障排除的目的。
[0067]
作为可选方案，采用下述公式计算故障检测量：
[0068][0069]
其中，di为故障检测量，vi为伪距残差矢量的第i个元素，σ0为观测值误差标准差，q
vii
为伪距残差的协因数矩阵的第i行第i列上的元素。
[0070]
具体的，常用的监测方法为最小二乘残差法和基于奇偶空间矢量的raim算法，实际上这两种算法虽然表现形式不同，但是它们在理论上是等价的，故障识别能力也是等效的。下面以最小二乘残差法为例介绍，最小二乘残差算法基本模型
[0071]
接收机观测量的模型对其进行线性化处理，可表示为：
[0072]
y＝gx ε
[0073]
式中，x是4
×
1维用户状态矢量，包括3个方向的位置矢量和1个接收机钟差；y是由对应n颗可见卫星的观测量构成的n
×
1维矢量；g为n
×
4维观测矩阵；ε为n
×
1维量测噪声。由最小二乘原理可知，要求能使噪声误差ε的平方和最小的状态估计值可令：
[0074]
j(x)＝(y-gx)
t
(y-gx)
[0075]
根据最小二乘法有：
[0076][0077][0078]
将该预测值与真实观测值y作差，得到伪距残差矢量v：
[0079]
v＝[i-g(g
t
g)-1gt
]ε
[0080]
令s＝i-g(g
t
g)-1gt
，则：
[0081]
v＝sε
[0082]
伪距残差的协因数矩阵为：
[0083]qv
＝i-1-g(g-1
g)-1gt
[0084]
v中包含了卫星测距误差信息，可以被用作进行故障检测的依据，其验后权重误差可以表示为：
[0085][0086]
在此假设观测值误差ε中各个分量是相互独立的，并且全部都服从均值为0测值误差标准差为的正态分布，根据经验和具体raim检测需求，设定监测限制t,则
[0087]
[0088]
用于系统故障识别的巴尔达数据探测法，它基于最小二乘残差矢量构造检验统计量，通过对统计量的检验来判断残差中是否存在粗差，在此令统计量为：
[0089][0090]
vi为伪距残差矢量v的第i个元素，σ0为观测值误差标准差，q
vii
为伪距残差的协因数矩阵qv的第i行第i列上的元素。
[0091]
具体的，采用全站仪等高精度的测距设备，测量接收机两根天线之间的距离(距离值不随运动和时间变化是本发明应用基础)。
[0092]
本发明还公开一种电子设备，电子设备包括：存储器，存储有可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令，以实现根据上述基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法。
[0093]
实施例一
[0094]
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法的流程图。图2根据本发明的一个实施例的一种基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法的又一流程图。
[0095]
结合图1和图2所示，该基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法，包括：
[0096]
步骤1：分别获得第一接收天线和第二接收天线的多个观测量；
[0097]
步骤2：分别根据第一接收天线和第二接收天线的观测量，获得第一接收天线和第二接收天线的位置信息；
[0098]
步骤3：根据第一接收天线的位置信息和第二接收天线的位置信息，获得第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离；
[0099]
步骤4：获得第一接收天线与第二接收天线之间的测量距离；
[0100]
步骤5：获得第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离与测量距离的距离差；
[0101]
步骤6：比较距离差与检测阈值，当距离差小于或等于检测阈值时，确定双天线接收机完好，输出第一接收天线和第二接收天线的位置信息。
[0102]
其中，步骤2包括：根据第一接收天线的观测量个数，判断第一接收天线是否符合解算条件，当符合解算条件时，构造第一接收天线的观测方程，对第一接收天线的观测方程进行求解，获得第一接收天线的位置信息；根据第二接收天线的观测量个数，判断第二接收天线是否符合解算条件，当符合解算条件时，构造第二接收天线的观测方程，对第二接收天线的观测方程进行求解，获得第二接收天线的位置信息。
[0103]
其中，当接收天线对应的观测量个数大于或等于4时，符合解算条件。
[0104]
其中，第一接收天线的观测方程为：
[0105][0106]
第二接收天线的观测方程为：
[0107][0108]
其中，为第一接收天线的第一个观测量，为第一接收天线的第n个观测量，为第二接收天线的第一个观测量，为第二接收天线的第m个观测量，为第一接收天线的第一个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第一接收天线的第n个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第二接收天线的第一个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第二接收天线的第m个观测量对应的信号中解析的基站位置，为第一接收天线的位置和对应的时钟差，为第二接收天线的位置和对应的时钟差。
[0109]
作为可选方案，第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离为：
[0110][0111]
r为第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离，为第一接收天线的位置，为第二接收天线的位置。
[0112]
其中，第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离与测量距离的距离差为：er＝|r-r0|，er为计算距离与测量距离的距离差，r为第一接收天线和第二接收天线之间的计算距离，r0为第一接收天线和第二接收天线之间的测量距离。
[0113]
其中，检测阈值为：
[0114][0115]
其中，et为检测阈值，x为需要定位误差精度。
[0116]
其中，当距离差大于检测阈值时，计算第一接收天线和第二接收天线全部的故障检测量，获得故障检测量的最大值，去除故障检测量的最大值对应的观测量，基于去除后的观测量，返回步骤2。
[0117]
其中，采用下述公式计算故障检测量：
[0118][0119]
其中，di为故障检测量，vi为伪距残差矢量的第i个元素，σ0为观测值误差标准差，q
vii
为伪距残差的协因数矩阵的第i行第i列上的元素。
[0120]
实施例二
[0121]
本发明还公开一种电子设备，电子设备包括：存储器，存储有可执行指令；处理器，处理器运行存储器中的所述可执行指令，以实现根据上述基于天线距离判定的陆基定位系统双天线接收机自主完好性监测方法。
[0122]
根据本公开实施例的电子设备包括存储器和处理器。
[0123]
该存储器用于存储非暂时性计算机可读指令。具体地，存储器可以包括一个或多
个计算机程序产品，该计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。该易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(ram)和/或高速缓冲存储器(cache)等。该非易失性存储器例如可以包括只读存储器(rom)、硬盘、闪存等。
[0124]
该处理器可以是中央处理单元(cpu)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其它组件以执行期望的功能。在本公开的一个实施例中，该处理器用于运行该存储器中存储的该计算机可读指令。
[0125]
本领域技术人员应能理解，为了解决如何获取良好用户体验效果的技术问题，本实施例中也可以包括诸如通信总线、接口等公知的结构，这些公知的结构也应包含在本公开的保护范围之内。
[0126]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。