CN105929414A - 一种导航信号完好性的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导航信号完好性的评估方法。使用本发明能够利用导航卫星下行导航信号监测数据进行完好性风险评估，可为空间信号完好性指标评估提供一种可操作、易实现的有效方法。本发明首先通过下行导航信号获取空间信号健康字序列和空间信号的实时用户测距误差，并根据空间信号的实时用户测距误差得到空间信号完好性监测状态序列。然后，当信号健康字由可用变为不可用时，定义为一次信号告警事件；当信号完好性监测状态序列由可用变为不可用时，定义为一次异常监测事件；最后结合信号告警事件和异常监测事件的发生，比较空间信号健康字序列和空间信号完好性监测状态序列的一致性，对导航信号的完好性进行评估。

Description

一种导航信号完好性的评估方法

技术领域

本发明涉及卫星导航***可靠性安全性技术领域，具体涉及一种卫星导航信号完好性的评估方法。

背景技术

卫星导航***建成后，***面临为广大用户提供公开服务性能承诺，维持必备性能指标等任务。除精度指标外，国际民航、海事等用户要求的必备性能指标还包括完好性、连续性和可用性。

导航***中的完好性兼具可靠性与安全性特性，国内外对完好性研究多集中于对导航服务完好性理论算法和测试评估方面。美国在2008年率先将空间信号完好性列为评估GPS空间信号性能的规范指标，并已在导航及相关应用领域认可。由于不同导航***空间信号完好性设计实现方法的差异，该指标尚未有明确、统一的测试评估方法。我国北斗卫星导航***已开通运行，空间信号完好性虽暂时未列为公开服务性能的规范指标，但根据导航***加入国际民航、海事组织应用的外在需求，以及对标国际一流进行***升级和性能提升的内在驱动，该指标将不可或缺。目前，亟需寻求一种适应北斗***设计特点，可操作、易实现的空间信号完好性指标评估方法，指导对该指标的测试评估。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种导航信号完好性的评估方法，能够利用导航卫星下行导航信号监测数据并进行完好性风险评估，可为空间信号完好性指标评估提供一种可操作、易实现的有效方法。

本发明的导航信号完好性的评估方法，包括如下步骤：

步骤一，从北斗***导航信息中提取出实时的健康字信息，并将实时的健康字信息转化为北斗***时间基准下的健康字状态序列Ls-H(t_BDT)，其中，Ls-H(t_BDT)＝“{(t_BDT，‘X’)}”，X为0或1，其中，‘0’表示可用，‘1’表示不可用；

步骤二，根据导航信息计算用户测距误差URE，并转化在北斗***时间基准下的用户测距误差URE(t_BDT)；

步骤三，计算获得导航信号完好性监测状态序列Ls-URE(t_BDT)：

本步骤中，将步骤二获得的URE(t_BDT)与设定的完好性告警限值AL进行比较：若URE(t_BDT)＞AL，则认为t_BDT时刻的监测信号不可用，该时刻导航信号完好性监测状态为1；若URE(t_BDT)≤AL，则认为t_BDT时刻的监测信号可用，该时刻信号完好性监测状态为0；由此获得北斗***时间基准下t_BDT时刻导航信号的完好性监测状态Ls-URE(t_BDT)，Ls-URE(t_BDT)＝“{(t_BDT，‘Y’)}”，Y为0或1，其中，‘0’表示可用，‘1’表示不可用；

步骤四，按时间序列排查导航信号的健康字状态，当健康字状态由可用变为不可用时，记作一次信号告警事件；按照时间序列排查导航信号监测状态，当导航信号监测状态由可用变为不可用，且在设定的时间AT内未恢复为可用，记作一次异常监测事件；

步骤五，按照时间序列排查导航信号实时健康字状态Ls-H(t_BDT)与导航信号的完好性监测状态Ls-URE(t_BDT)的一致性：

当发生异常监测事件时，若导航信号健康字状态Ls-H(t_BDT)在[t₁,t₁+AT]时间段内置为“1”，则表示***已正常告警；否则，表示***发生完好性故障；其中，t₁为异常监测事件发生时间；

当发生信号告警事件时，若导航信号完好性监测状态Ls-URE(t_BDT)在{t₂,t₂+T}时间段内置为“1”，则表示***已正常告警；否则，表示***发生误警；其中，t₂为信号告警事件发生时间，T为整个监测评估时间段长度；

步骤8，计算整个监测评估时间段内的完好性风险P_HMI与误警率P_f，实现导航信号完好性的评估：

$P_{HMI}=\frac{N_I}{N_T}$

$P_f=\frac{N_f}{N_T}$

其中，N_I为整个监测评估时间段T内发生完好性故障的总次数；N_f为整个监测评估时间段T内发生误警的次数；T_I为设定的完好性最小周期。

较优的，所述步骤二中，用户测距误差URE由下式计算获得：

$URE=\sqrt{{(\mathrm{\α}R-T)}^2+\mathrm{\β}(A^2+C^2)}$

其中，A、C和R为卫星轨道坐标系下预报星历相对于精密星历位置误差；T为卫星轨道坐标系下预报星历相对于精密星历的卫星钟差；

其中，D＝2π(1-cos(θ_max)，为卫星信号的覆盖面积；θ_max＝cos^-1(D_e/D_s)，D_s为卫星至地心距离，D_e为地球半径；θ为天顶距，为方位角。

有益效果：

(1)本发明解决了卫星导航***空间信号完好性指标从概念、理论方法到测试评估实现的问题，利用从下行导航数据中提取的健康信息和对导航信号误差的实时监测评估数据，方便快捷地评估、统计确定空间信号完好性指标。

(2)利用本方法和评估步骤，不仅可以确定空间信号完好性指标，还能扩展应用于空间信号差分完好性，以及服务完好性指标确定，补充完善我国卫星导航***服务可靠性领域指标监测评估体系，为***状态监测和设计改进提供重要的专业技术支持。

附图说明

图1是轨道坐标系位置误差投影示意图。

图2是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种导航信号完好性的评估方法，利用下行导航信号，通过评估、统计实现对空间信号完好性指标确定。

本发明首先利用导航卫星(北斗卫星导航***)下行导航信号获得健康字状态时序，然后经过精度评估得到用户测距误差的时序值，根据规定条件下的完好性告警限值，判断用户测距误差是否超限，记录误差超限序列，最后根据完好性告警时间要求，通过对比健康字状态时序与误差超限序列得到空间信号完好性风险。具体流程如图2所示，包括如下步骤：

步骤1，采集空间信号健康字信息。采用用户接收机获得导航卫星可跟踪弧段的下行导航信号，并记录接收机位置精确坐标，根据导航信号中的导航信息数据提取出实时健康字信息。

其中，下行导航信号：包含伪距观测量和导航电文数据；

导航电文数据：包含信号发射时的北斗时、卫星健康字、卫星星历、钟差、电离层模型参数等；

接收机位置坐标：CGCS2000坐标系下三维坐标值。

步骤2，得到空间信号健康字序列。根据步骤1中的实时健康字信息，得到北斗***时间基准下，健康字状态序列，记作Ls-H(t_BDT)，取值范围为{0，1}，其中，‘0’表示可用，‘1’表示不可用。

其中，北斗时：北斗***时间采用“周+周内秒”(“WN+SOW”)方式表示，WN用“wwww”表示，SOW用“ssssss”表示，即北斗时t_BDT表示为“wwww.ssssss”；

健康字：卫星信号健康字为只有1比特长度的二进制位，取值范围为{0，1}，‘0’表示可用，‘1’表示不可用；

健康字状态序列Ls-H(t_BDT)为“{(wwww.ssssss，‘X’)}”，X∈{0，1}。

步骤3，计算用户测距误差序列。根据用户接收机测得的下行导航信号伪距测距值、导航电文信息数据及接收机精确坐标，评估计算空间信号的实时(瞬时)用户测距误差(URE)，在北斗***时间基准下，记作URE(t_BDT)。

用户测距误差(URE)：URE是导航电文(导航星历和钟差)精度的确切反映。采用计算；

式中，A、C、R、T分别为卫星轨道坐标系下预报星历相对于精密星历位置误差和卫星钟差；α、β为系数。

假设地球为理想球体，以地球质心为原点，连接地心与卫星S质心并以指向卫星为正建立r轴(径向)，以卫星S的飞行方向(切向)为a轴，并按右手定则确立c轴(法向)最终建立的轨道坐标系如图1所示。假设卫星至地心距离为D_s，地球半径为D_e，在该轨道坐标系下，天顶距为θ和方位角为的任意一点P位于卫星信号覆盖面内(0≤θ≤θ_max，θ_max＝cos^-1(D_e/D_s))的概率联合密度则

D＝2π(1-cos(θ_max)，为卫星信号的覆盖面积。

步骤4，得到导航空间信号完好性监测状态序列Ls-URE(t_BDT)：AL为预设的完好性告警限值，当URE(t_BDT)＞AL时，该t_BDT时刻的信号完好性监测状态Ls-URE(t_BDT)＝1(监测信号不可用)，否则Ls-URE(t_BDT)＝0(监测信号可用)，从而获得北斗***时间基准下t_BDT时刻空间信号的完好性监测状态Ls-URE(t_BDT)。

其中，完好性告警限值AL，根据完好性风险概率的不同，告警限值为健康空间信号用户测距精度(URA)的相应倍数，或者为一个***预设的固定值。

导航信号的完好性监测状态序列Ls-URE(t_BDT)为{(wwww.ssssss，‘Y’)}，Y∈{0，1}。

步骤5，按时间序列排查空间信号的实时健康字状态(可用性)。当t₁时刻信号健康字开始设置为不可用，即Ls-H(t₁-t_H)＝0&Ls-H(t₁)＝1，记作一次信号告警事件。其中t_H为健康字采样间隔，一般以传播一帧的导航信号所需时间为准，约3s一次。

信号告警事件：导航信号健康字被置为‘1’，表示当前信号不可用，记录每次告警事件的起止时间。

步骤6，按照时间序列排查空间信号监测的实时可用性，当t₂时刻信号开始不可用，即Ls-URE(t₂-t_P)＝0&Ls-URE(t₂)＝1，且在{t₂,t₂+AT}时间段内未恢复可用，即Ls-URE(t₂+Δt)＝1，Δt∈(0,t),且t＞AT时，记作一次异常监测事件。其中t_P为监测评估采样间隔，一般为1s，也可以要求t_P＝t_H≤AT，AT为t_P的整数倍。

AT：完好性告警时间，从危险误导信息(HMI)开始出现到告警指示到达接收机天线的时间。不同航行阶段AT不尽相同，民航非精密近进要求为10s。

异常监测事件：URE持续超过AL的时长大于AT，记录异常检测事件的起止时间。

步骤7，按照时间序列排查空间信号健康字状态Ls-H(t_BDT)与监测的实时可用性Ls-URE(t_BDT)的一致性：

(7.1)当先发生异常监测事件时，即在当t₁时刻信号开始不可用且在{t₁,t₁+AT}时间段内未恢复可用，对比空间信号健康字状态Ls-H(t_BDT)在{t₁,t₁+AT}内的设置情况，若该段时间内及时置为‘1’(不可用)，表示***已正常告警，否则表示***发生完好性故障，记录整个评估段内完好性故障次数N_I，见表1；

(7.2)当发生信号告警事件时，即当t₂时刻信号健康字开始设置为‘1’(不可用)时，对比空间信号监测的实时可用性情况，若在信号设置为不健康的时间段{t₂,t₂+T}内的任意时刻t_BDT开始Ls-URE(t_BDT)＝1，表示***已正常告警，否则***发生误警，记录整个评估段内误警次数N_f，见表1；

步骤8，计算整个监测评估时间段内的完好性风险P_HMI与误警率P_f：

其中，通过公式计算空间信号的瞬时URE超过告警限值且没有及时发出告警的概率，即整个监测评估时间段内的完好性风险；

通过公式计算空间信号的瞬时URE未超过告警限值而空间信号发出误警的概率，即整个监测评估时间段内的误警率；

式中N_T表示整个监测评估时间段T内完好性仿真最小周期T_I的发生次数，T与T_I单位保持一致。不同航行阶段对T_I要求不同，例如民航非精密近进要求为150s。

表1

本发明针对在卫星导航***中出现的可靠性安全性领域新概念，根据涉及参数的定义给出了一种步骤清晰、操作简单的完好性风险评估方法，可有效解决空间信号完好性从理论计算到测试评估的实现问题，可为我国卫星导航***服务性能指标测试评估提供重要的专业技术支持。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种导航信号完好性的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，从导航信息中提取出实时的健康字信息，并将实时的健康字信息转化为北斗***时间基准下的健康字状态序列Ls-H(t_BDT)，其中，Ls-H(t_BDT)＝“{(t_BDT，‘X’)}”，X为0或1，其中，‘0’表示可用，‘1’表示不可用；

步骤二，根据导航信息计算用户测距误差URE，转化为在北斗***时间基准下的用户测距误差URE(t_BDT)；

步骤三，计算获得导航信号完好性监测状态序列Ls-URE(t_BDT)：

本步骤中，将步骤二获得的URE(t_BDT)与设定的完好性告警限值AL进行比较：若URE(t_BDT)＞AL，则认为t_BDT时刻的监测信号不可用，该时刻导航信号完好性监测状态为1；若URE(t_BDT)≤AL，则认为t_BDT时刻的监测信号可用，该时刻信号完好性监测状态为0；由此获得北斗***时间基准下t_BDT时刻导航信号的完好性监测状态Ls-URE(t_BDT)，Ls-URE(t_BDT)＝“{(t_BDT，‘Y’)}”，Y为0或1，其中，‘0’表示可用，‘1’表示不可用；

步骤四，按时间序列排查导航信号的健康字状态，当健康字状态由可用变为不可用时，记作一次信号告警事件；按照时间序列排查导航信号监测状态，当导航信号监测状态由可用变为不可用，且在设定的时间AT内未恢复为可用，记作一次异常监测事件；

步骤五，按照时间序列排查导航信号实时健康字状态Ls-H(t_BDT)与导航信号的完好性监测状态Ls-URE(t_BDT)的一致性：

当发生异常监测事件时，若导航信号健康字状态Ls-H(t_BDT)在[t₁,t₁+AT]时间段内置为“1”，则表示***已正常告警；否则，表示***发生完好性故障；其中，t₁为异常监测事件发生时间；

当发生信号告警事件时，若导航信号完好性监测状态Ls-URE(t_BDT)在{t₂,t₂+T}时间段内置为“1”，则表示***已正常告警；否则，表示***发生误警；其中，t₂为信号告警事件发生时间，T为整个监测评估时间段长度；

步骤8，计算整个监测评估时间段内的完好性风险P_HMI与误警率P_f，实现导航信号完好性的评估：

$P_{HMI}=\frac{N_I}{N_T}$

$P_f=\frac{N_f}{N_T}$

其中，N_I为整个监测评估时间段T内发生完好性故障的总次数；N_f为整个监测评估时间段T内发生误警的次数；T_I为设定的完好性最小周期。

2.如权利要求1所述的导航信号完好性的评估方法，其特征在于，所述步骤二中，用户测距误差URE由下式计算获得：

$URE=\sqrt{{(\mathrm{\α}R-T)}^2+\mathrm{\β}(A^2+C^2)}$

其中，A、C和R为卫星轨道坐标系下预报星历相对于精密星历位置误差；T为卫星轨道坐标系下预报星历相对于精密星历的卫星钟差；

其中，D＝2π(1-cos(θ_max)，为卫星信号的覆盖面积；θ_max＝cos^-1(D_e/D_s)，D_s为卫星至地心距离，D_e为地球半径；θ为天顶距，为方位角。