CN113267793B - 一种基于外部增强信息的gbas对流层参数生成方法 - Google Patents
一种基于外部增强信息的gbas对流层参数生成方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于外部增强信息的GBAS对流层参数生成方法,属于卫星导航地基增强技术领域。本发明针对现有GBAS对流层参数严重依赖历史气象数据且精度差的问题,提出基于外部增强信息的实时GBAS对流层参数估计方法,可提供高精度实时的对流层参数,估计过程中通过自主完好性监测可实现对非标准对流层告警,实现了无历史气象数据条件下快速高精度高完好性的GBAS对流层参数生成,具有精度高、完好性高、快速部署的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于外部增强信息的GBAS对流层参数生成方法,属于卫星导航地基增强技术领域。
背景技术
GBAS(Ground-Based Augmentation Systems,地基增强***)是一种基于差分与完好性的局域增强***,可满足终端区精密进近引导需求,可支持曲线进近,具有精度高、效率高、成本低的特点,是未来机场导航设备的发展趋势。GBAS对流层参数主要用于校正由于飞机与GBAS地面站高度不同造成的对流层差分残差。现有GBAS对流层参数主要依赖至少一年的长期历史数据产生,不能精准反映当前区域对流层情况;当前GBAS对流层参数缺乏完好性监测手段,无法在对流层存在异常时告警;并且在动平台着陆、临时机场等应用场景下,受气象数据的获取与处理限制,现有GBAS对流层参数的生成存在一定难度。
因此,构造一种能够不依赖气象数据且精准生成GBAS对流层参数的方法具有重要的应用价值。
发明内容
本发明为了克服现有GBAS对流层参数估计不精准与缺乏对流层参数完好性监测保护级的不准确的问题,提出一种基于外部增强信息的GBAS对流层参数生成方法。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的:
一种基于外部增强信息的GBAS对流层参数生成方法,基于GBAS地面信息处理设备、GBAS参考接收机以及增强信息接收设备实现,包括以下步骤:
(1)通过增强信息接收设备接收外部增强信息,并将外部增强信息传输至GBAS地面信息处理设备;
(2)GBAS参考接收机接收处理GNSS空间信号,生成GNSS观测量并传输至GBAS地面信息处理设备;
(3)GBAS地面信息处理设备接收增强信息接收设备传来的外部增强信息和GBAS参考接收机传来的GNSS观测量,建立观测方程,实时估计天顶对流层参数,并采用奇偶矢量法对估计过程进行自主完好性监测;其中,观测方程为:
Y=H×X+ε
式中,ε表示观测噪声,Y表示外部增强信息与精确坐标修正后的全部伪距与载波相位值,具体为:
其中,上标T表示矩阵转置,上标s表示卫星号,下标i表示频点,表示修正后的伪距值,表示修正后的载波相位值,表示原始伪距观测值,表示原始载波相位观测值,Rs表示精确卫星与参考站的精确距离,Rs利用精确坐标位置、外部增强信息计算的卫星位置得到,c表示光速,bs表示根据外部增强信息得到的精确卫星钟差,DCBs表示伪距码偏差,wds表示载波相位缠绕误差,与表示外部增强信息矫正的其它伪距与载波相位误差;
X表示包括对流层参数、载波相位模糊度、电离层延迟、参考接收机钟差的待估计值,具体为:
H表示转换矩阵,代表X与Y的相互关系,由下式得到:
其中,md表示天顶对流层延迟干分量投影函数,mw表示天顶对流层延迟湿分量投影函数,ki表示频点i的电离层系数,γi表示频点i的波长;
(4)GBAS地面信息处理设备将天顶对流层参数转换为GBAS对流层参数,完成GBAS对流层参数的生成。
进一步的,所述外部增强信息包括SBAS增强信息、网络RTK增强信息、PPP增强信息以及PPP-RTK增强信息中的至少一个。
进一步的,步骤(3)中,实时估计天顶对流层参数采用的估计方法为最小二乘法或扩展卡尔曼滤波法。
进一步的,步骤(4)中,使用Hopfield大气模型将天顶对流层参数转换为GBAS对流层参数,具体转换公式为:
N=Nd+Nw
其中,Nd为对流层干分量折射指数,Nw为对流层湿分量折射指数,N为GBAS对流层广播参数,hd为对流层干分量层顶高,hw为对流层湿分量层顶高,Td表示天顶对流层延迟干分量,Tw表示天顶对流层延迟湿分量,h为积分变量。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为:
1、本发明方法不依赖历史气象数据,可随GBAS地面站部署实时生成对流层参数。
2、本发明中,GBAS对流层参数估计采用了自主完好性监测,可对对流层参数异常进行告警。
3、本发明通过外部增强信息生成GBAS对流层参数,其精度可达到厘米级甚至毫米级,精度优于现有方法。
附图说明
图1为本发明实施例中GBAS对流层参数生成方法的流程图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点,下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示,一种基于外部增强信息的GBAS对流层参数生成方法,基于GBAS地面信息处理设备、GBAS参考接收机以及增强信息接收设备实现,包括以下步骤:
(1)通过增强信息接收设备接收外部增强信息,并将外部增强信息传输至GBAS地面信息处理设备;
(2)GBAS参考接收机接收处理GNSS空间信号,生成GNSS观测量并传输至GBAS地面信息处理设备;
(3)GBAS地面信息处理设备接收增强信息接收设备传来的外部增强信息和GBAS参考接收机传来的GNSS观测量,建立观测方程,实时估计天顶对流层参数,并采用奇偶矢量法对估计过程进行自主完好性监测;
(4)GBAS地面信息处理设备将天顶对流层参数转换为GBAS对流层参数,完成GBAS对流层参数的生成。
进一步的,所述外部增强信息包括SBAS增强信息、网络RTK增强信息、PPP增强信息以及PPP-RTK增强信息中的至少一个。
进一步的,步骤(3)中,实时估计天顶对流层参数采用的估计方法为最小二乘法或扩展卡尔曼滤波法。
进一步的,步骤(3)中的观测方程为:
Y=H×X+ε
式中,ε表示观测噪声,Y表示外部增强信息与精确坐标修正后的全部伪距与载波相位值,具体为:
其中,上标T表示矩阵转置,上标s表示卫星号,下标i表示频点,表示修正后的伪距值,表示修正后的载波相位值,表示原始伪距观测值,表示原始载波相位观测值,Rs表示精确卫星与参考站的精确距离,Rs利用精确坐标位置、外部增强信息计算的卫星位置得到,c表示光速,bs表示根据外部增强信息得到的精确卫星钟差,DCBs表示伪距码偏差,wds表示载波相位缠绕误差,与表示外部增强信息矫正的其它伪距与载波相位误差;
X表示包括对流层参数、载波相位模糊度、电离层延迟、参考接收机钟差的待估计值,具体为:
H表示转换矩阵,代表X与Y的相互关系,由下式得到:
其中,md表示天顶对流层延迟干分量投影函数,mw表示天顶对流层延迟湿分量投影函数,ki表示频点i的电离层系数,γi表示频点i的波长。
进一步的,步骤(4)中,使用Hopfield大气模型将天顶对流层参数转换为GBAS对流层参数,具体转换公式为:
N=Nd+Nw
其中,Nd为对流层干分量折射指数,Nw为对流层湿分量折射指数,N为GBAS对流层广播参数,hd为对流层干分量层顶高,hw为对流层湿分量层顶高,Td表示天顶对流层延迟干分量,Tw表示天顶对流层延迟湿分量,h为积分变量。
以下为一个更具体的例子:
为了描述方便,进一步缩小问题的规模,本例假定:外部增强信息为PPP增强信息。问题规模缩小的并不影响本实例的示范过程。该方法包括以下步骤:
(1)增强信息接收设备接收外部PPP增强信息并将外部增强信息传输至GBAS地面信息处理设备;
(2)GBAS参考接收机接收处理GNSS空间信号生成GNSS观测量传输至GBAS地面信息处理设备;
(3)GBAS地面信息处理设备接收PPP增强信息、GNSS观测量,通过精密星历、星钟、GBAS参考接收机的精确坐标、参考接收机天线相位中心模型、卫星天线相位中心模型、潮汐模型、相位缠绕模型等|,建立观测方程,实时估计天顶对流层参数,并对估计过程进行自主完好性监测;
观测方程为:
Y=H×X+ε
Y表示外部增强信息与精确坐标修正后的全部伪距与载波相位值,具体公式为:
其中,上标s表示卫星号,下标i表示频点,表示修正后的伪距值,表示修正后的载波相位值,表示原始伪距观测值,表示原始载波相位观测值,Rs表示精确卫星与参考站的精确距离,Rs利用精确坐标位置、外部增强信息计算的卫星位置得到,c表示光速,bs表示外部增强信息得到的精确卫星钟差,DCBs表示伪距码偏差,wds表示载波相位缠绕误差,与表示外部增强信息矫正的其它伪距与载波相位误差。
X表示包括对流层参数、载波相位模糊度、电离层延迟、参考接收机钟差等的待估计值,具体公式为:
H表示转换矩阵,可由下式得到:
其中,md表示天顶对流层延迟干分量投影函数,mw表示天顶对流层延迟湿分量投影函数,ki表示频点i的电离层系数,γi表示频点i的波长。
(4)GBAS地面信息处理设备使用Hopfield大气模型将天顶对流层参数转换为GBAS对流层参数。具体转换公式为:
N=Nd+Nw
其中,Nd为对流层干分量折射指数,Nw为对流层湿分量折射指数,N为GBAS对流层广播参数,hd为对流层干分量层顶高,hw为对流层湿分量层顶高。
至此,完成GBAS对流层参数的生成。
为了具体分析一种基于B值重构的GBAS保护级计算方法的优势,以上述过程为例,采用PPP增强信息,经过30分钟收敛后估计得到的天顶对流层延迟精度可达到厘米级,转换为GBAS对流层参数后应用于进近入口高度600米的对流层改正精度为毫米级,优于目前依赖气象数据的600米高度厘米级的对流层改正精度。本方法无需历史气象数据,在设备数十分钟的初始化内可提供GBAS对流层参数,可支持GBAS快速部署。
总之,现有方法单纯依赖历史数据,不具备对实时对流层延迟的监测能力。本发明针对现有GBAS对流层参数严重依赖历史气象数据且精度差的问题,提出基于外部增强信息的实时GBAS对流层参数估计方法,可提供高精度实时的对流层参数,估计过程中通过自主完好性监测RAIM技术,可对对流层延迟异常实时监测,对非标准对流层告警,隔离对流层异常,实现了无历史气象数据条件下快速高精度高完好性的GBAS对流层参数生成,具有精度高、完好性高、快速部署的特点。
需要说明的是,上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述,并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中。本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下,以不付出任何创造性劳动的形式,通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式,得到更多的具体实施方式,所有这些具体实施方式均在本专利的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于外部增强信息的GBAS对流层参数生成方法,其特征在于,基于GBAS地面信息处理设备、GBAS参考接收机以及增强信息接收设备实现,包括以下步骤:
(1)通过增强信息接收设备接收外部增强信息,并将外部增强信息传输至GBAS地面信息处理设备;
(2)GBAS参考接收机接收处理GNSS空间信号,生成GNSS观测量并传输至GBAS地面信息处理设备;
(3)GBAS地面信息处理设备接收增强信息接收设备传来的外部增强信息和GBAS参考接收机传来的GNSS观测量,建立观测方程,实时估计天顶对流层参数,并采用奇偶矢量法对估计过程进行自主完好性监测;其中,观测方程为:
Y=H×X+ε
式中,ε表示观测噪声,Y表示外部增强信息与精确坐标修正后的全部伪距与载波相位值,具体为:
其中,上标T表示矩阵转置,上标s表示卫星号,下标i表示频点,表示修正后的伪距值,表示修正后的载波相位值,表示原始伪距观测值,表示原始载波相位观测值,Rs表示精确卫星与参考站的精确距离,Rs利用精确坐标位置、外部增强信息计算的卫星位置得到,c表示光速,bs表示根据外部增强信息得到的精确卫星钟差,DCBs表示伪距码偏差,wds表示载波相位缠绕误差,与表示外部增强信息矫正的其它伪距与载波相位误差;
X表示包括对流层参数、载波相位模糊度、电离层延迟、参考接收机钟差的待估计值,具体为:
H表示转换矩阵,代表X与Y的相互关系,由下式得到:
其中,md表示天顶对流层延迟干分量投影函数,mw表示天顶对流层延迟湿分量投影函数,ki表示频点i的电离层系数,γi表示频点i的波长;
(4)GBAS地面信息处理设备将天顶对流层参数转换为GBAS对流层参数,完成GBAS对流层参数的生成。
2.根据权利要求1所述的一种基于外部增强信息的GBAS对流层参数生成方法,其特征在于,所述外部增强信息包括SBAS增强信息、网络RTK增强信息、PPP增强信息以及PPP-RTK增强信息中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的一种基于外部增强信息的GBAS对流层参数生成方法,其特征在于,步骤(3)中,实时估计天顶对流层参数采用的估计方法为最小二乘法或扩展卡尔曼滤波法。
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