CN111596315B - 一种用于实时监测双频多星座星基增强***性能的方法 - Google Patents
一种用于实时监测双频多星座星基增强***性能的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111596315B CN111596315B CN202010445180.XA CN202010445180A CN111596315B CN 111596315 B CN111596315 B CN 111596315B CN 202010445180 A CN202010445180 A CN 202010445180A CN 111596315 B CN111596315 B CN 111596315B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- satellite
- monitoring station
- dfmc
- sbas
- clock
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/03—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers
- G01S19/07—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing data for correcting measured positioning data, e.g. DGPS [differential GPS] or ionosphere corrections
- G01S19/072—Ionosphere corrections
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/03—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers
- G01S19/08—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing integrity information, e.g. health of satellites or quality of ephemeris data
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/03—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers
- G01S19/10—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing dedicated supplementary positioning signals
- G01S19/11—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing dedicated supplementary positioning signals wherein the cooperating elements are pseudolites or satellite radio beacon positioning system signal repeaters
- G01S19/115—Airborne or satellite based pseudolites or repeaters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/13—Receivers
- G01S19/23—Testing, monitoring, correcting or calibrating of receiver elements
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
Abstract
本发明提供了一种用于实时监测双频多星座星基增强***性能的方法,实时监测DFMC SBAS服务性能,确保机场附近区域内DFMC SBAS服务的可用性,利用机场附近监测站的观测数据、GNSS导航电文以及DFMC SBAS增强电文,实时解算定位误差和保护级,通过对比定位误差和保护级来实时监测DFMC SBAS在机场附近的服务性能。本发明具有较强的工程实用性,利用机场附近的监测站作为参考基准,实时解算定位误差和保护级,评估DFMC SBAS在机场的实时服务性能,解决了飞机在进近和着陆过程中因无法实时解算定位误差而导致的完好性风险,保证了DFMC SBAS服务的完好性性能。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航增强技术领域,是双频多星座(Dual-Frequency Multi-Constellation,DFMC)星基增强***(Satellite Based Augmentation System,SBAS)中一种实时监测服务性能的方法。
背景技术
目前正在运行的SBAS***均为单频(Single-Frequency,SF)SBAS。由于电离层异常对服务性能的影响,SF SBAS服务性能尚未达到一类精密进近(CATegory-I,CAT-I)的指标要求。为了消除电离层异常对服务性能的影响,并利用多卫星导航***的几何布局提高增强星座服务性能,国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)双频多星座星基增强***标准与建议工作组(DFMC SBAS SARPS working group,DS2)正在研究并制定DFMC SBAS国际标准,以期实现CAT-I指标服务性能。DFMC SBAS播发的增强电文类型如下表所示:
表1 DFMC SBAS增强电文类型
中国、美国、欧盟、日本等国家已经根据ICAO发布的DFMC SBAS国际标准草案启动了DFMC SBAS的设计、验证和建设工作,预计2023年前后将向航空用户提供DFMC SBAS服务,并逐渐取代SF SBAS服务成为航空运输的主要导航手段。突发的DFMC SBAS服务中断将可能给航空安全带来严重的后果。为了满足航空用户对基于DFMC SBAS飞行进近的高安全性要求,需要对机场附近区域的DFMC SBAS服务性能进行实时监测,并将实时监测结果发送给机场管制员。如果DFMC SBAS服务出现异常,机场管制员将及时向机场附近的飞机发出告警,停止使用DFMC SBAS服务,改用其他导航手段。
目前,国内外尚未有公开文献对DFMC SBAS服务性能实时监测方法的描述。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种用于实时监测双频多星座星基增强***性能的方法,本发明实时监测DFMC SBAS服务性能,确保机场附近区域内DFMC SBAS服务的可用性,利用机场附近监测站的观测数据、GNSS导航电文以及DFMC SBAS增强电文,实时解算定位误差和保护级,通过对比定位误差和保护级来实时监测DFMC SBAS在机场附近的服务性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤为:
步骤一:数据预处理;
机场附近的监测站采集所监测到全球卫星导航***(Global NavigationSatellite System,GNSS)卫星的观测数据、GNSS导航电文和DFMC SBAS增强电文,监测站i观测到卫星j的双频观测数据如下:
其中,和分别为L1和L5频点上的伪距观测量;和分别为L1和L5频点上的载波相位观测量;为监测站i和卫星j间的几何距离;为对流层延迟;bi为监测站接收机时钟与GNSS***时之间的偏差;Bj为卫星时钟与GNSS***时之间的偏差;为电离层延迟,对伪距观测量的影响是滞后,对载波相位观测量的影响是超前;f1=1575.42MHz为载波L1的频率,f5=1176.45MHz为载波L5的频率;和为伪距观测量上的观测噪声;N1和N5为整周模糊度,λ1=C/f1和λ5=C/f5分别为载波L1和L5的波长,C为光速;和为载波相位观测量上的观测噪声;
利用监测站i观测到卫星j的双频伪距观测量和双频载波相位观测量进行数据预处理,i=1,2,…,M,具体步骤如下:
步骤1.1:周跳探测;
周跳探测利用前5个采样时刻(t-1,t-2,t-3,t-4,t-5)的载波观测量外推出当前时刻的观测量,并将此观测量与当前时刻接收机的载波相位观测量比较,如果超出门限,则认为出现周跳;监测站i对卫星j的周跳监测有下式:
式(5)和式(6)中,a0、a1、a2为拟合系数,[a0,a1,a2]T=(FTF)-1FTXL1-L5,F取固定值;为t时刻观测量组合, 和分别为t时刻L1和L5频点上的载波相位观测量;为由多项式拟合得到的t时刻观测量组合的拟合值;TL1-L5=0.055为探测门限;
如果L1和L5频点同时出现相同的周跳时,无法检测出周跳,则只利用L5相位观测量进行单频点周跳探测,利用公式(7)、(8)再检测一次:
其中,b0、b1、b2为拟合系数,[b0,b1,b2]T=(FTF)-1FTXL5;TL5=0.35为探测门限;
步骤1.2:双频载波平滑
载波相位观测量通过周跳探测后,则认为没有周跳出现,利用载波相位观测量对伪距观测量进行平滑,首先对载波观测量进行如下变化:
步骤1.3:消除电离层延迟;
步骤二:导航电文解算;
GNSS卫星导航电文中播发的轨道参数为:星历参考时间toe,卫星轨道长半轴αs的平方根,轨道偏心率es,toe时刻的轨道倾角i0,周内时等于0时的轨道升交点赤经Ω0,轨道近地角距ω,toe时刻的平近点角M0,平均运动角速度校正值Δn,轨道倾角变化率i′,轨道升交点赤经变化率升交点角距余弦调和校正振幅Cuc,升交点角距正弦调和校正振幅Cus,轨道半径余弦调和校正振幅Crc,轨道半径正弦调和校正振幅Crs,轨道倾角余弦调和校正振幅Cic,轨道倾角正弦调和校正振幅Cis;利用导航电文播发的轨道参数及卫星位置解算算法,得到卫星星历位置利用卫星星历位置和监测站基准位置[xR,i,yR,i,zR,i]计算星历距离
利用导航电文中播发的参考时间toe、参考时刻的卫星时钟偏差αf0、卫星时钟漂移速度αf1和卫星时钟漂移速度的变化率αf2计算t时刻的卫星时钟偏差
步骤三:增强电文解算
步骤3.1:差分改正数解算;
星历改正数解算从DFMC SBAS电文32读取星历位置改正信息,参考坐标系为地心地固坐标系,计算公式如下:
钟差改正数解算从DFMC SBAS电文32读取钟差改正信息,计算公式如下:
步骤3.2:完好性参数解算;
Rj=SFj·Ej (15)
其中,利用电文34、35、36播发的DFREI以及电文37播发的DFREI映射表得出;为电文32第一比特播发时间;RCORR和ICORR由电文37播发,由电文32播发,当t-tCORR≤ICORR时,当t-tCORR>ICORR时,(RCORR)sv=RCORR;为向下取整;
步骤四:定位解算;
步骤4.1:对流层延迟估计
其中,dhyd与dwet分别表示对流层的干分量和湿分量, 为仰角,b=acos[cos(φj-φi)×cos(δj-δi)],φj和δj分别为卫星j所在位置的纬度和经度,φi和δi分别为监测站i所在位置的纬度和经度;
dhyd与dwet由监测站高度信息及五个气象参数的估值计算:
其中,g=9.80665m/s2,gm=9.784m/s2,H为监测站海拔,单位为米,k1=77.604K/mbar,k2=382000K2/mbar,Rd=287.054J/kg/K;
气象参数气压P(mbar)、温度T(K)、水汽压e(mbar)、温度变化率β(k/m)、水汽变化率λ由监测站的气象传感器提供;
计算P、T、e、β、λ时,将ξ分别替换为P、T、e、β、λ,按表2由下式插值得到:
表2对流层延迟的气象参数表
如果φi≤15或φi=30或φi=45或φi=60或φi≥75,直接利用ξ0(φi)和Δξ(φi)在表1中对应的数值通过式(25)计算,其他情况下,以φi=40为例,对应的φk=30,φk+1=45,利用ξ0(φk+1)、ξ0(φk)、Δξ(φk+1)和Δξ(φk)在表2中对应的数值通过式(26)和(27)计算ξ0(φi)和Δξ(φi);
步骤4.2:监测站位置解算;
其中,C为光速;
其中,[xi,yi,zi]为监测站位置,ti为监测接收机时钟偏差;
该伪距方程为非线性方程,要用泰勒级数展开,并取一阶量,将伪距方程转化为线性方程;
将式(31)进行变换得到:
式(32)对应的矩阵形式为:
Z=HX (33)
X=[Δxi Δyi Δzi -C·Δti]T,N为监测站观测到的卫星数量;
利用最小二乘法得到:
X=(HTH)-1HTZ (34)
则监测站位置和时钟偏差为:
步骤4.3:监测站定位误差解算
利用定位解算得到的监测站位置[xi yi zi],并结合测绘标定得到的真实位置[xR,i,yR,i,zR,i],得到地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)坐标系下的监测站定位误差为:
[ΔxR,iΔyR,iΔzR,i]=[xR,i,yR,i,zR,i]-[xi yi zi] (37)
从ECEF坐标系到东北天(East North Up,ENU)坐标系的转换矩阵为:
其中,φi和λi分别是监测站所处位置的地理纬度和经度;
得到ENU坐标系下的定位误差如下:
[ΔEi ΔNi ΔUi]=Pi·[ΔxR,i ΔyR,i ΔzR,i]T (39)
基于式(39)得到水平定位误差(Horizontal Position Error,HPE)和垂直定位误差(Vertical Position Error,VPE)如下:
VPE=ΔUi (41)
步骤五:保护级解算
首先计算监测站与可观测卫星间的观测矩阵G,该矩阵的第j行如下所示:
监测站与第j个可观测的卫星间观测伪距的噪声方差为:
针对航路、终端区、非精密进近(Non-Precision Approach,NPA)飞行阶段,水平保护级(Horizontal Protection Level,HPL)由式(45)计算:
HPL=KH,NPA·dmajor (45)
针对一类垂直引导进近(APproach with Vertical guidance I,APV-I)、二类垂直引导进近(APV-II)和CAT-I飞行阶段,HPL和垂直保护级(Vertical Protection Level,VPL)由下式计算:
HPL=KH,PA·dmajor (46)
VPL=KVdU (47)
其中,KH,PA=6.0,KV=5.33;
步骤六:服务性能评估;
对于针对航路、终端区、NPA飞行阶段,如果HPE≤HPL,表明DFMC SBAS服务正常;如果HPE>HPL,表明DFMC SBAS服务不能用于导航;
对于APV-I、APV-II和CAT-I飞行阶段,如果HPE≤HPL且VPE≤VPL,表明DFMC SBAS服务正常;如果HPE>HPL或者VPE>VPL,则DFMC SBAS服务不能够用于引导飞机进行精密进近,当DFMC SBAS服务不可用时,机场管制员将DFMC SBAS服务不可用的信息告知机场附近准备进近着陆的飞机,飞机需要采用其他导航手段进行进近。
所述步骤4.1中,气象参数气压P(mbar)、温度T(K)、水汽压e(mbar)、温度变化率β(k/m)、水汽变化率λ由当前观测站所在纬度φi和年积日D插值计算,年积日D为当年1月1日起开始计算的天数,插值公式如下:
其中,φi为北纬时,Dmin=28,φi为南纬时,Dmin=211,ξ0和Δξ分别表示不同纬度的气象参数平均值和季节变化值。
本发明的有益效果在于:
1)提出了实时监测机场附近DFMC SBAS服务性能的方法,给出了明确的处理流程和实施步骤,具有较强的工程实用性,为中国民航SBAS监测与服务***的建设提供了理论依据和实施思路;
2)利用机场附近的监测站作为参考基准,实时解算定位误差和保护级,评估DFMCSBAS在机场的实时服务性能,解决了飞机在进近和着陆过程中因无法实时解算定位误差而导致的完好性风险,保证了DFMC SBAS服务的完好性性能。
附图说明
图1是本发明DFMC SBAS服务性能实时监测步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明是一种用于实时监测双频多星座星基增强***性能的方法,具体步骤如图1所示:
步骤一:数据预处理;
机场附近的监测站采集所监测到全球卫星导航***(Global NavigationSatellite System,GNSS)卫星的观测数据、GNSS导航电文和DFMC SBAS增强电文,监测站i观测到卫星j的双频观测数据如下:
其中,和分别为L1和L5频点上的伪距观测量;和分别为L1和L5频点上的载波相位观测量;为监测站i和卫星j间的几何距离;为对流层延迟;bi为监测站接收机时钟与GNSS***时之间的偏差;Bj为卫星时钟与GNSS***时之间的偏差;为电离层延迟,对伪距观测量的影响是滞后,对载波相位观测量的影响是超前;f1=1575.42MHz为载波L1的频率,f5=1176.45MHz为载波L5的频率;和为伪距观测量上的观测噪声;N1和N5为整周模糊度,由接收机失锁造成;λ1=c/f1和λ5=C/f5分别为载波L1和L5的波长,光速C=299792458m/s;和为载波相位观测量上的观测噪声,该噪声远远小于伪距观测量上的观察噪声。不同时刻的数据会进行标识,未做说明的数据均为t时刻的数据。
利用监测站i(i=1,2,…,M)观测到卫星j的双频伪距观测量和双频载波相位观测量进行数据预处理,具体步骤如下:
步骤1.1:周跳探测;
周跳探测利用前5个采样时刻(t-1,t-2,t-3,t-4,t-5)的载波观测量外推出当前时刻的观测量,并将此观测量与当前时刻接收机的载波相位观测量比较,如果超出门限,则认为出现周跳;监测站i对卫星j的周跳监测有下式:
式(5)和式(6)中,α0、α1、α2为拟合系数,[α0,α1,α2]T=(FTF)-1FTXL1-L5,F取固定值;为t时刻观测量组合, 和分别为t时刻L1和L5频点上的载波相位观测量;为由多项式拟合得到的t时刻观测量组合的拟合值;TL1-L5=0.055为探测门限;
如果L1和L5频点同时出现相同的周跳时,无法检测出周跳,则只利用L5相位观测量进行单频点周跳探测,利用公式(7)、(8)再检测一次:
其中,b0、b1、b2为拟合系数,[b0,b1,b2]T=(FTF)-1FTXL5;TL5=0.35为探测门限;
步骤1.2:双频载波平滑
载波相位观测量通过周跳探测后,则认为没有周跳出现,利用载波相位观测量对伪距观测量进行平滑,首先对载波观测量进行如下变化:
步骤1.3:消除电离层延迟;
步骤二:导航电文解算;
GNSS卫星导航电文中播发的轨道参数为:星历参考时间toe,卫星轨道长半轴as的平方根,轨道偏心率es,toe时刻的轨道倾角i0,周内时等于0时的轨道升交点赤经Ω0,轨道近地角距ω,toe时刻的平近点角M0,平均运动角速度校正值Δn,轨道倾角变化率i′,轨道升交点赤经变化率升交点角距余弦调和校正振幅Cuc,升交点角距正弦调和校正振幅Cus,轨道半径余弦调和校正振幅Crc,轨道半径正弦调和校正振幅Crs,轨道倾角余弦调和校正振幅Cic,轨道倾角正弦调和校正振幅Cis;利用导航电文播发的轨道参数及卫星位置解算算法,得到卫星星历位置利用卫星星历位置和监测站基准位置[xR,i,yR,i,zR,i]计算星历距离
步骤三:增强电文解算
步骤3.1:差分改正数解算;
星历改正数解算从DFMC SBAS电文32读取星历位置改正信息,参考坐标系为地心地固坐标系,计算公式如下:
钟差改正数解算从DFMC SBAS电文32读取钟差改正信息,计算公式如下:
步骤3.2:完好性参数解算;
Rj=SFj·Ej (15)
其中,利用电文34、35、36播发的DFREI以及电文37播发的DFREI映射表得出;为电文32第一比特播发时间;RCORR和lCORR由电文37播发,由电文32播发,当t-tCORR≤ICORR时,当t-tCORR>ICORR时,(RCORR)sv=RCORR;为向下取整;
步骤四:定位解算;
步骤4.1:对流层延迟估计
其中,dhyd与dwet分别表示对流层的干分量和湿分量, 为仰角,b=acos[cos(φj-φi)×cos(δj-δi)],φj和δj分别为卫星j所在位置的纬度和经度,φi和δi分别为监测站i所在位置的纬度和经度;
dhyd与dwet由监测站高度信息及五个气象参数的估值计算:
其中,g=9.80665m/s2,gm=9.784m/s2,H为监测站海拔,单位为米,k1=77.604K/mbar,k2=382000K2/mbar,Rd=287.054J/kg/K;
气象参数气压P(mbar)、温度T(K)、水汽压e(mbar)、温度变化率β(k/m)、水汽变化率λ由监测站的气象传感器提供,也可由当前观测站所在纬度φi和年积日D插值计算,年积日D为当年1月1日起开始计算的天数,插值公式如下:
其中,φi为北纬时,Dmin=28,φi为南纬时,Dmin=211,ξ0和Δξ分别表示不同纬度的气象参数平均值和季节变化值,计算P、T、e、β、λ时,将ξ分别替换为P、T、e、β、λ,按表2由下式插值得到:
表2对流层延迟的气象参数表
如果φi≤15或φi=30或φi=45或φi=60或φi≥75,直接利用ξ0(φi)和Δξ(φi)在表1中对应的数值通过式(25)计算,其他情况下,以φi=40为例,对应的φk=30,φk+1=45,利用ξ0(φk+1)、ξ0(φk)、Δξ(φk+1)和Δξ(φk)在表2中对应的数值通过式(26)和(27)计算ξ0(φi)和Δξ(φi);
步骤4.2:监测站位置解算;
其中,C为光速;
其中,[xi,yi,zi]为监测站位置,ti为监测接收机时钟偏差;
该伪距方程为非线性方程,要用泰勒级数展开,并取一阶量,将伪距方程转化为线性方程;
将式(31)进行变换得到:
式(32)对应的矩阵形式为:
Z=HX (33)
X=[Δxi Δyi Δzi -C·Δti]T,N为监测站观测到的卫星数量;
利用最小二乘法得到:
X=(HTH)-1HTZ (34)
则监测站位置和时钟偏差为:
步骤4.3:监测站定位误差解算
利用定位解算得到的监测站位置[xi yi zi],并结合测绘标定得到的真实位置[xR,i,yR,i,zR,i],得到地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)坐标系下的监测站定位误差为:
[ΔxR,i ΔyR,i ΔzR,i]=[xR,i,yR,i,zR,i]-[xi yi zi] (37)
从ECEF坐标系到东北天(East North Up,ENU)坐标系的转换矩阵为:
其中,φi和λi分别是监测站所处位置的地理纬度和经度;
得到ENU坐标系下的定位误差如下:
[ΔEi ΔNi ΔUi]=Pi·[ΔxR,i ΔyR,i ΔzR,i]T (39)
基于式(39)得到水平定位误差(Horizontal Position Error,HPE)和垂直定位误差(Vertical Position Error,VPE)如下:
VPE=ΔUi (41)
步骤五:保护级解算
首先计算监测站与可观测卫星间的观测矩阵G,该矩阵的第j行如下所示:
监测站与第j个可观测的卫星间观测伪距的噪声方差为:
针对航路、终端区、非精密进近(Non-Precision Approach,NPA)等飞行阶段,水平保护级(Horizontal Protection Level,HPL)由式(45)计算:
HPL=KH,NPA·dmajor (45)
针对一类垂直引导进近(APproach with Vertical guidance I,APV-I)、二类垂直引导进近(APV-II)和CAT-I等飞行阶段,HPL和垂直保护级(Vertical ProtectionLevel,VPL)由下式计算:
HPL=KH,PA·dmajor (46)
VPL=KVdU (47)
其中,KH,PA=6.0,KV=5.33;
步骤六:服务性能评估;
对于针对航路、终端区、NPA飞行阶段,如果HPE≤HPL,表明DFMC SBAS服务正常;如果HPE>HPL,表明DFMC SBAS服务不能用于导航;
对于APV-I、APV-II和CAT-I飞行阶段,如果HPE≤HPL且VPE≤VPL,表明DFMC SBAS服务正常;如果HPE>HPL或者VPE>VPL,则DFMC SBAS服务不能够用于引导飞机进行精密进近,当DFMC SBAS服务不可用时,机场管制员将DFMC SBAS服务不可用的信息告知机场附近准备进近着陆的飞机,飞机需要采用其他导航手段进行进近。
Claims (1)
1.一种用于实时监测双频多星座星基增强***性能的方法,其特征在于包括下述步骤:
步骤一:数据预处理;
机场附近的监测站采集所监测到全球卫星导航***(Global Navigation SatelliteSystem,GNSS)卫星的观测数据、GNSS导航电文和DFMC SBAS增强电文,监测站i观测到卫星j的双频观测数据如下:
其中,和分别为L1和L5频点上的伪距观测量;和分别为L1和L5频点上的载波相位观测量;为监测站i和卫星j间的几何距离;为对流层延迟;bi为监测站接收机时钟与GNSS***时之间的偏差;Bj为卫星时钟与GNSS***时之间的偏差;为电离层延迟,对伪距观测量的影响是滞后,对载波相位观测量的影响是超前;f1=1575.42MHz为载波L1的频率,f5=1176.45MHz为载波L5的频率;和为伪距观测量上的观测噪声;N1和N5为整周模糊度,λ1=C/f1和λ5=C/f5分别为载波L1和L5的波长,C为光速;和为载波相位观测量上的观测噪声;
利用监测站i观测到卫星j的双频伪距观测量和双频载波相位观测量进行数据预处理,i=1,2,…,M,具体步骤如下:
步骤1.1:周跳探测;
周跳探测利用前5个采样时刻t-1、t-2、t-3、t-4和t-5的载波观测量外推出当前时刻的观测量,并将此观测量与当前时刻接收机的载波相位观测量比较,如果超出门限,则认为出现周跳;监测站i对卫星j的周跳监测有下式:
式(5)和式(6)中,a0、a1、a2为拟合系数,[a0,a1,a2]T=(FTF)-1FTXL1-L5,F取固定值;为t时刻观测量组合,和分别为t时刻L1和L5频点上的载波相位观测量;为由多项式拟合得到的t时刻观测量组合的拟合值;TL1-L5=0.055为探测门限;
如果L1和L5频点同时出现相同的周跳时,无法检测出周跳,则只利用L5相位观测量进行单频点周跳探测,利用公式(7)、(8)再检测一次:
其中,b0、b1、b2为拟合系数,[b0,b1,b2]T=(FTF)-1FTXL5;TL5=0.35为探测门限;
步骤1.2:双频载波平滑
载波相位观测量通过周跳探测后,则认为没有周跳出现,利用载波相位观测量对伪距观测量进行平滑,首先对载波观测量进行如下变化:
步骤1.3:消除电离层延迟;
步骤二:导航电文解算;
GNSS卫星导航电文中播发的轨道参数为:星历参考时间toe,卫星轨道长半轴as的平方根,轨道偏心率es,toe时刻的轨道倾角i0,周内时等于0时的轨道升交点赤经Ω0,轨道近地角距ω,toe时刻的平近点角M0,平均运动角速度校正值Δn,轨道倾角变化率i′,轨道升交点赤经变化率升交点角距余弦调和校正振幅Cuc,升交点角距正弦调和校正振幅Cus,轨道半径余弦调和校正振幅Crc,轨道半径正弦调和校正振幅Crs,轨道倾角余弦调和校正振幅Cic,轨道倾角正弦调和校正振幅Cis;利用导航电文播发的轨道参数及卫星位置解算算法,得到卫星星历位置利用卫星星历位置和监测站基准位置[xR,i,yR,i,zR,i]计算星历距离
利用导航电文中播发的参考时间toe、参考时刻的卫星时钟偏差af0、卫星时钟漂移速度af1和卫星时钟漂移速度的变化率af2计算t时刻的卫星时钟偏差
步骤三:增强电文解算
步骤3.1:差分改正数解算;
星历改正数解算从DFMC SBAS电文32读取星历位置改正信息,参考坐标系为地心地固坐标系,计算公式如下:
钟差改正数解算从DFMC SBAS电文32读取钟差改正信息,计算公式如下:
步骤3.2:完好性参数解算;
Rj=SFj·Ej (15)
其中,利用电文34、35、36播发的DFREI以及电文37播发的DFREI映射表得出;为电文32第一比特播发时间;RCORR和ICORR由电文37播发,由电文32播发,当t-tCORR≤ICORR时,当t-tCORR>ICORR时,(RCORR)sv=RCORR;为向下取整;
步骤四:定位解算;
步骤4.1:对流层延迟估计
其中,dhyd与dwet分别表示对流层的干分量和湿分量, 为仰角,b=acos[cos(φj-φi)×cos(δj-δi)],φj和δj分别为卫星j所在位置的纬度和经度,φi和δi分别为监测站i所在位置的纬度和经度;
dhyd与dwet由监测站高度信息及五个气象参数的估值计算:
其中,g=9.80665m/s2,gm=9.784m/s2,H为监测站海拔,单位为米,k1=77.604K/mbar,k2=382000K2/mbar,Rd=287.054J/kg/K;
气象参数气压P(mbar)、温度T(K)、水汽压e(mbar)、温度变化率β(k/m)、水汽变化率λ由监测站的气象传感器提供;插值公式如下:
其中,北纬时Dmin=28,南纬时Dmin=211,φi为监测站所在纬度和D为年积日,ξ0(φi)和Δξ(φi)分别表示纬度φ处的气象参数平均值和季节变化值;
计算P、T、e、β、λ时,将ξ分别替换为P、T、e、β、λ,按表2由下式插值得到:
表2对流层延迟的气象参数表
如果φi≤15或φi=30或φi=45或φi=60或φi≥75,直接利用ξ0(φi)和Δξ(φi)在表2中对应的数值通过式(25)计算,其他情况下,以φi=40为例,对应的φk=30,φk+1=45,利用ξ0(φk+1)、ξ0(φk)、Δξ(φk+1)和Δξ(φk)在表2中对应的数值通过式(26)和(27)计算ξ0(φi)和Δξ(φi);
步骤4.2:监测站位置解算;
其中,C为光速;
其中,[xi yi zi]为监测站位置,ti为监测接收机时钟偏差;
该伪距方程为非线性方程,要用泰勒级数展开,并取一阶量,将伪距方程转化为线性方程;
将式(31)进行变换得到:
式(32)对应的矩阵形式为:
Z=HX (33)
X=[Δxi Δyi Δzi -C·Δti]T,N为监测站观测到的卫星数量;
利用最小二乘法得到:
X=(HTH)-1HTZ (34)
则监测站位置和时钟偏差为:
步骤4.3:监测站定位误差解算
利用定位解算得到的监测站位置[xi yi zi],并结合测绘标定得到的真实位置[xR,i,yR,i,zR,i],得到地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)坐标系下的监测站定位误差为:
[ΔxR,i ΔyR,i ΔzR,i]=[xR,i,yR,i,zR,i]-[xi yi zi] (37)
从ECEF坐标系到东北天(East North Up,ENU)坐标系的转换矩阵为:
其中,φi和λi分别是监测站所处位置的地理纬度和经度;
得到ENU坐标系下的定位误差如下:
[ΔEi ΔNi ΔUi]=Pi·[ΔxR,i ΔyR,i ΔzR,i]T (39)
基于式(39)得到水平定位误差(Horizontal Position Error,HPE)和垂直定位误差(Vertical Position Error,VPE)如下:
VPE=ΔUi (41)
步骤五:保护级解算
首先计算监测站与可观测卫星间的观测矩阵G,该矩阵的第j行如下所示:
监测站与第j个可观测的卫星间观测伪距的噪声方差为:
针对航路、终端区、非精密进近(Non-Precision Approach,NPA)飞行阶段,水平保护级(Horizontal Protection Level,HPL)由式(45)计算:
HPL=KH,NPA·dmajor (45)
针对一类垂直引导进近(APproach with Vertical guidance I,APV-I)、二类垂直引导进近(APV-II)和CAT-I飞行阶段,HPL和垂直保护级(Vertical Protection Level,VPL)由下式计算:
HPL=KH,PA·dmajor (46)
VPL=KVdU (47)
其中,KH,PA=6.0,KV=5.33;
步骤六:服务性能评估;
对于针对航路、终端区、NPA飞行阶段,如果HPE≤HPL,表明DFMC SBAS服务正常;如果HPE>HPL,表明DFMC SBAS服务不能用于导航;
对于APV-I、APV-II和CAT-I飞行阶段,如果HPE≤HPL且VPE≤VPL,表明DFMC SBAS服务正常;如果HPE>HPL或者VPE>VPL,则DFMC SBAS服务不能够用于引导飞机进行精密进近,当DFMC SBAS服务不可用时,机场管制员将DFMC SBAS服务不可用的信息告知机场附近准备进近着陆的飞机,飞机需要采用其他导航手段进行进近。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010445180.XA CN111596315B (zh) | 2020-05-23 | 2020-05-23 | 一种用于实时监测双频多星座星基增强***性能的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010445180.XA CN111596315B (zh) | 2020-05-23 | 2020-05-23 | 一种用于实时监测双频多星座星基增强***性能的方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN111596315A CN111596315A (zh) | 2020-08-28 |
CN111596315B true CN111596315B (zh) | 2022-07-22 |
Family
ID=72189279
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010445180.XA Active CN111596315B (zh) | 2020-05-23 | 2020-05-23 | 一种用于实时监测双频多星座星基增强***性能的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN111596315B (zh) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114244545B (zh) * | 2020-09-08 | 2023-11-14 | 中国科学院空天信息创新研究院 | Sbas电文认证方法、装置及接收机 |
CN112462394B (zh) * | 2020-11-10 | 2023-08-25 | 中国科学院国家授时中心 | 一种基于gnss全视比对的远程时间频率配送方法 |
CN113253303B (zh) * | 2021-05-13 | 2023-11-10 | 中国电子科技集团公司第二十研究所 | 一种用于实时监测单频星基增强***性能的方法 |
CN113568020A (zh) * | 2021-09-27 | 2021-10-29 | 长沙学院 | 一种顾及硬件频间差的卫星导航定位误差修正方法和装置 |
CN114047526B (zh) * | 2022-01-12 | 2022-04-05 | 天津七一二通信广播股份有限公司 | 基于双频双星座gbas的电离层异常监测方法及装置 |
CN116718195B (zh) * | 2023-08-03 | 2023-11-14 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 基于双频定位的飞行导航方法、装置、设备和存储介质 |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2955562B1 (fr) * | 2010-01-27 | 2013-05-17 | Airbus Operations Sas | Procede et dispositif d'aide au pilotage d'un aeronef lors d'une phase finale d'approche |
FR2980618A1 (fr) * | 2011-09-22 | 2013-03-29 | Airbus Operations Sas | Procede et systeme de determination d'une information de position d'un aeronef lors d'une approche d'une piste d'atterrissage. |
FR2994279B1 (fr) * | 2012-08-03 | 2014-08-08 | Thales Sa | Procede de controle de l'integrite de stations de radio-navigation dans un systeme d'augmentation par satellite |
CN105068088A (zh) * | 2015-06-29 | 2015-11-18 | 北京航空航天大学 | 双频卫星导航星基增强***可用性预测方法 |
CN106468774B (zh) * | 2016-09-09 | 2019-04-09 | 北京航空航天大学 | 一种应用于星基增强***的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法 |
CN109001767B (zh) * | 2018-08-11 | 2022-05-17 | 西北工业大学 | 一种利用低轨卫星增强多基准一致性检测的方法 |
CN109542084B (zh) * | 2018-11-19 | 2020-06-12 | 北京航空航天大学 | 一种星基增强***完好性故障仿真方法 |
CN110007326B (zh) * | 2019-04-15 | 2022-06-21 | 中国电子科技集团公司第二十研究所 | 一种用于星基增强***的双频测距误差参数生成方法 |
-
2020
- 2020-05-23 CN CN202010445180.XA patent/CN111596315B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN111596315A (zh) | 2020-08-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111596315B (zh) | 一种用于实时监测双频多星座星基增强***性能的方法 | |
CN113253303B (zh) | 一种用于实时监测单频星基增强***性能的方法 | |
CN109061696B (zh) | 一种确定导航卫星轨道和钟差的方法 | |
CN110007326B (zh) | 一种用于星基增强***的双频测距误差参数生成方法 | |
US11378699B2 (en) | System and method for determining GNSS positioning corrections | |
CN105044747B (zh) | 一种基于多星共视和滤波的时间同步装置及其方法 | |
CN104316943B (zh) | 一种伪距离和多普勒组合差分定位***及方法 | |
CN104656108A (zh) | 一种顾及高程差异的稀疏参考站网络天顶对流层延迟建模方法 | |
WO2019144480A1 (zh) | 基于速度约束的低成本接收机平滑rtd算法 | |
McGraw | Tropospheric error modeling for high integrity airborne GNSS navigation | |
CN115902968A (zh) | 基于北斗三号geo播发增强信息的ppp终端定位方法 | |
Abdelazeem et al. | MGR-DCB: a precise model for multi-constellation GNSS receiver differential code bias | |
CN105510946B (zh) | 一种bds卫星载波相位整周模糊度快速解算方法 | |
Gaglione et al. | Benefit of GNSS multiconstellation in position and velocity domain | |
CN116577810A (zh) | 一种卫星导航高精度服务完好性监测方法及装置 | |
CN113267793B (zh) | 一种基于外部增强信息的gbas对流层参数生成方法 | |
Basile et al. | Multi-frequency precise point positioning using GPS and Galileo data with smoothed ionospheric corrections | |
Dong-ju et al. | The application of GIM in precise orbit determination for LEO satellites with single-frequency GPS measurements | |
CN103389502B (zh) | 基于多个地面基站高精度确定载体加速度的方法 | |
Khojasteh et al. | Introduction to global navigation satellite systems and its errors | |
Jgouta et al. | Usage of a correction model to enhance the evaluation of the zenith tropospheric delay | |
El-Mowafy | Using Multiple Reference Station GPS Networks for Aircraft Precision Approach and Airport Surface Navigation | |
Parveen et al. | Position Error Calculations for IRNSS System Using Pseudo Range Method | |
CN105572712B (zh) | 一种北斗***载波相位整周模糊度实时确定方法 | |
Marinescu et al. | Towards improving positioning with the use of GPS and EGNOS |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |