CN113917495B - 基于北斗gbas多频点多星座高可靠性自主监测方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法及设备。该设备包括多频点多星座卫星导航天线、完好性监测处理模块、多频点多星座自适应模块、实时闭环监测模块、差分增强报文生成模块以及单双链路发送模块，利用多频、多星座观测量的灵活组合，实现多***完好性实时监测处理，有效消除电离层等误差；利用多***完好性监测结果对卫星星座的当前及未来可用状态进行预测，剔除不可用的卫星或星座；以卫星几何构型以及信号质量最优为原则，在多频点多星座自适应下筛选出高可靠性的卫星组合；GBAS设备通过实时闭环监测模块，在多种运行模式间自主切换与恢复，生成差分增强报文，并支持同时刻双链接电文的发送，来提高GBAS服务性能。

Description

基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法及设备
技术领域
本发明涉及北斗卫星导航增强技术领域，尤其涉及一种基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法及设备。
背景技术
随着卫星定位导航技术在航空应用领域的不断发展，GBAS***正在向取代现有着陆***成为主用***方向发展。GBAS是一种用于飞机精密进近和着陆的导航***，主要完成高精度卫星导航信号测量、差分修正量计算、完好性监测处理功能，为机载设备提供精密进近引导服务。
目前GBASCAT-I类已经标准化，使用单频L1波段信号可提供CAT-I类精密进近导航服务，但当信号受到干扰时，GBAS服务不可用，严重影响了进近引导着陆的安全性。因此，需要研究一种多频率多星座的GBAS检测方法，提高GBAS运行的安全性、鲁棒性。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法及设备，当信号受到干扰，自动将主用模式切换到最优选的备用模式，提高GBAS进近服务的完好性、连续性、可用性。
为了实现上述目的，本发明的一种基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测设备，包括多频点多星座卫星导航天线、完好性监测处理模块、多频点多星座自适应模块、实时闭环监测模块、差分增强报文生成模块以及单双链路发送模块，其中，所述卫星导航天线用于接收多频点多星座卫星信号；所述完好性监测处理模块，用于根据接收到的多频点多星座卫星信号，生成卫星观测量信息，根据观测量信息，对卫星进行完好性监测，根据完好性监测结果，剔除故障卫星；
所述多频点多星座自适应模块，用于对保留下来的多频点多星座的卫星进行组合，以卫星星座几何构型以及信号质量最优为原则，设定权重系数，计算不同组合下的卫星星座几何性能，并与预设的性能阈值比较，筛选出高于性能阈值的卫星组合，生成对应的多种备用运行模式。
所述实时闭环监测模块，用于实时监测异常干扰信号、故障信息等，实时闭环监测模块可以检测整个GBAS***产生的故障信息、异常干扰信号以及环境中出现的异常干扰信号；当监测到异常干扰信号或故障信息时，根据预设的主、备用替换原则，筛选出主用、备用运行模式中的最优模式；
所述差分增强报文生成模块，用于对主用模式、剩余的备用运行模式，生成对应的差分增强报文；
所述单双链路发送模块，用于根据差分增强报文中可用卫星的数量，进行单链路或双链路广播。
进一步优选的，还包括卫星星座预测模块，所述卫星星座预测模块，利用星历或历书、信号相关峰信息及完好性监测结果，对多频点多星座卫星的当前及未来N分钟内的可用状态进行预测。
进一步优选的，所述完好性监测处理模块，兼容多种卫星***，所述多种卫星***包括北斗、GPS、Galileo以及GLONASS***等。
所述多频点多星座自适应模块，以卫星星座几何构型及信号质量Si最优为原则。对正常运行的多频点多星座卫星进行灵活组合，设定权重系数计算不同组合下的星座性能Y，其中：
Figure 702175DEST_PATH_IMAGE001
式中，a与bi为权重系数，范围为0～1，D为加权DOP值, DOP值（Dilution ofPrecision）GPS中计算卫星几何构型的精度因子，一般解释为相对误差； i为卫星号，卫星总数为n。信号质量包括载噪比,信号相关峰，码载波一致性等监测量，本文不局限于某种DOP值、信号监测手段或组合。将卫星性能Y与预设的性能阈值比较，筛选出高于性能阈值的多频点多星座卫星组合，对应产生多种备用运行模式。
进一步优选的，所述预设的主、备用替换原则，包括计算主用模式、各种备用运行模式产生的不同的位置估计误差值，默认北斗作为主用模式，当所述主用模式位置估计误差值落入预设的估计误差范围内时，保持当前主用模式不变；否则，进行如下处理：当存在所述备用运行模式的位置估计误差值落入预设的估计误差范围内时，将当前主用模式切换到最小的位置估计误差值对应的备用运行模式；当所述备用运行模式的位置估计误差值均超出预设的估计误差范围时，则保持原来的主用模式。
进一步优选的，所述单双链路发送模块，还用于判断生成的差分增强报文中可用卫星的个数，当大于一定个数阈值时，下文以18为例说明，进行双链路发送，当可用卫星的个数小于等于18时，进行单链路发送。
本发明提供一种基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法，包括以下步骤：
S1、获取多频点多星座卫星信号，生成卫星的观测量信息；
S2、根据观测量信息，对卫星进行完好性监测，根据完好性监测结果，剔除故障卫星；
S3、对保留下来的多频点多星座的卫星进行组合，以卫星星座几何构型以及信号质量最优为原则，设定权重系数计算不同组合下的卫星星座性能，并与预设的性能阈值比较，筛选出高于性能阈值的卫星组合，生成对应的多种备用运行模式。其中运行模式支持自适应降级，即当某星座或某频点不可用时，排除该星座或频点，自动降级为其他星座及频点，直至单星座单频点处理。
S4、实时监测异常干扰信号、故障信息等，当监测到异常干扰信号或故障信息时，根据预设的主、备用替换原则，筛选出主用、备用运行模式中的最优模式，生成对应的差分增强报文；
S5、根据差分增强报文中可用卫星的数量，进行单链路或双链路广播。
进一步优选的，在S2与S3之间还包括以下步骤：利用星历或历书、信号相关峰信息及完好性监测结果，对多频点多星座卫星的当前及未来N分钟内的可用状态进行预测。
进一步优选的，还包括根据多频点多星座卫星的可用状态的预测结果，判定卫星是否可用；若卫星可用，则该卫星继续参与执行S3和S4的操作，若不可用，则该卫星不参与执行S3和S4。
进一步优选的，若预测结果中出现，当前或未来N分钟内某颗卫星运行中断，则该卫星不可用。
进一步优选的，在S4中，所述预设的主、备用替换原则包括以下步骤：
计算主用模式以及各种备用运行模式下待测目标的位置估计误差值，当所述主用模式的位置估计误差值落入预设的估计误差范围内时，保持当前主用模式不变；否则，进行如下处理：当存在备用运行模式的位置估计误差值落入预设的估计误差范围内时，将当前主用模式切换到最小的位置估计误差值对应的备用运行模式；当备用运行模式的位置估计误差值均超出预设的估计误差范围时，则保持原来的主用模式。
本申请公开的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法及设备，相比于现有技术，至少具有以下优点：
1、本申请提供的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法及设备，采用在GBAS设备受干扰或故障时可在主用模式和备用模式之间无缝实时自适应切换，可提高GBAS进近服务的完好性、连续性、可用性。
2、在本申请的GBAS架构下，利用多频、多星座观测量的灵活组合，实现多***完好性实时监测处理，有效消除电离层等误差；利用多***完好性监测结果对卫星星座的当前及未来可用状态进行预测，剔除不可用的卫星或星座；设备以卫星几何构型以及信号质量最优为原则，在多频点多星座自适应下筛选出高可靠性的卫星组合，包括自适应降级模式，即当某星座或某频点不可用时，排除该星座或频点，自动降级为其他星座及频点，直至单星座单频点处理。GBAS设备通过实时闭环监测模块，在多种运行模式间自主切换与恢复，最终在最佳处理模式下生成差分增强报文，并支持同时刻双链接电文的发送，来提高GBAS服务性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测设备的内部模块关系图。
图2为本发明实施例提供的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测设备中卫星组合选择流程图。
图3为本发明实施例提供的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法的工作流程图。
图4为本发明另一个实施例中基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法的流程图。
图5为本发明实施例中实时闭环监测的工作流程图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一方面实施例提供的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测设备，包括多频点多星座卫星导航天线、完好性监测处理模块、卫星星座预测模块、多频点多星座自适应模块、实时闭环监测模块、差分增强报文生成模块以及单双链路发送模块，其中，卫星导航天线用于接收多频点多星座卫星信号；
完好性监测处理模块，用于根据接收到的多频点多星座卫星信号，生成4路卫星观测量信息，对多频点多星座卫星并行进行完好性监测，剔除每一路中的故障卫星；需要说明的是，完好性监测处理模块，兼容多种卫星***，其中，多种卫星***包括北斗、GPS、Galileo以及GLONASS***等。
卫星星座预测模块，利用星历或历书、信号相关峰信息及完好性监测结果，对卫星或星座的当前及未来N分钟内的可用状态进行预测，若当前或未来N分钟内，卫星或星座不可用，则该卫星或星座不参与星座间组合和差分定位；
多频点多星座自适应模块，综合以上监测结果及干扰类型，以卫星星座几何构型及信号质量Si最优为原则，对正常运行的多频点多星座卫星进行灵活组合，设定权重系数计算不同组合下的星座性能Y，i为卫星号，卫星总数为n，a与bi分别为权重系数，范围为0～1，
Figure 47706DEST_PATH_IMAGE001
卫星星座几何构型性能D为加权DOP值, DOP值（Dilution of Precision）GPS中计算卫星构型的精度因子，一般解释为相对误差；信号质量包括载噪比,信号相关峰，码载波一致性等；将卫星性能Y与预设的性能阈值比较，筛选出高于性能阈值的多频点多星座卫星组合，对应产生m种备用运行模式。
如图2所示，实时闭环监测模块，用于监测***的异常干扰和反向闭环监测多个运行模式的定位结果。若受到意外干扰时，从主用模式及m个备用运行模式中降级选择切换模式，根据预设的主、备用替换原则，筛选运行模式中的最优模式，作为主用模式。以北斗及GPS双星座组合为例进行说明，其中北斗采用B1c和B2a频点，GPS采用L1和L5频点为例进行说明，其他频点或星座组合类似。
如图5所示，实时闭环监测模块的预设主、备用替换原则，包括计算主用模式以及各种备用运行模式产生的不同的位置估计误差值，当所述主用模式位置估计误差值落入预设的估计误差范围内时，保持当前主用模式不变；否则，进行如下处理：当存在所述备用运行模式的位置估计误差值落入预设的估计误差范围内时，将当前主用模式切换到最小的位置估计误差值对应的备用运行模式；当所述备用运行模式的位置估计误差值均超出预设的估计误差范围时，则保持原来的主用模式。
差分增强报文生成模块，与实时闭环监测模块双向连接，选择生成剩余的备用运行模式下的差分增强报文信息；生成供用户使用的差分增强报文。
单双链路发送模块，输入端与差分增强报文生成模块相连，输出端与天线或外部通信设备相连。当多个星座多个频率工作时，生成的差分增强报文中可用卫星数大于18时，进行双链路发送，否则进行单链路发送。
如图3所示，本发明还提供一种基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法，包括以下步骤：
S1、获取多频点多星座卫星信号，生成卫星的观测量信息；
S2、根据观测量信息，对卫星进行完好性监测，根据完好性监测结果，剔除故障卫星；
还包括利用星历或历书、信号相关峰信息及完好性监测结果，对多频点多星座卫星的当前及未来N分钟内的可用状态进行预测。
具体为，根据多频点多星座卫星的可用状态的预测结果，判定卫星是否可用；若预测结果中出现，当前或未来N分钟内某颗卫星运行中断，则该卫星不可用；若卫星可用，则该卫星继续参与执行S3和S4的操作，若不可用，则该卫星不参与执行S3和S4。
S3、对多频点多星座的卫星进行组合，以卫星星座几何构型以及信号质量最优为原则，设定权重系数计算不同组合下的卫星星座性能，并与预设的性能阈值比较，筛选出高于性能阈值的卫星组合，生成对应的多种备用运行模式。
S4、实时监测***中的异常干扰信号、故障等，当监测到异常干扰信号或故障时，根据预设的主、备用替换原则，筛选出主用、备用运行模式中的最优模式，生成对应的差分增强报文；
其中主、备用替换原则包括，计算主用模式以及各种备用运行模式产生的待测目标的位置估计误差值，当所述主用模式位置估计误差值落入预设的估计误差范围内时，保持当前主用模式不变；否则，进行如下处理：当存在所述备用运行模式的待测目标的位置估计误差值落入预设的估计误差范围内时，将当前主用模式切换到最小的位置估计误差值对应的备用运行模式；当所述备用运行模式的位置估计误差值均超出预设的估计误差范围时，则保持原来的主用模式。
S5、根据差分增强报文中可用卫星的数量，进行单链路或双链路广播。
在本申请提供的一个实施例中，设备使用前的准备工作：将完好性监测、多频点多星座自适应、估计误差范围、星座的性能阈值写入到配置文件中，并存储于设备中，阈值的大小决定了该设备能够提供的定位精度、完好性、连续性。
将卫星导航天线与本设备相连，用于接收卫星信号；单双链路发送模块与通信天线、通信设备相连，用于广播差分增强报文信息，为机载用户设备提供差分增强服务。
如图4所示的实施例中，本方案的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法的工作流程如下：
1、设备上电，接收多频点多星座卫星原始数据。
2、并行对多个单***进行完好性监测，剔除故障星。
3、利用星历或历书信息、信号相关峰信息、完好性监测结果，对卫星或星座当前及未来N分钟内的可用性进行预测，剔除不可用的卫星或星座。
4、以各个星座卫星几何构型以及信号质量最优为原则，排除异常的卫星、星座后，自适应选择高可靠性的卫星组合。组合时，有以下几种情况，其中每个星座可以有多个频点卫星组合：
1）单个星座卫星组合；
2）任意两个星座卫星组合；
3）任意三个卫星组合；
4）四个星座卫星组合。
5、实时监测***中的异常干扰信号或故障，根据预设的主、备用替换原则，筛选出主用、备用运行模式中的最优模式。
6、在最优处理模式下，生成差分增强报文。
7、根据差分增强报文中可用卫星数量进行单链路或双链路广播，当差分增强报文中可用卫星的个数大于18时，进行同时刻双链路发送至结束，否则进行单链路发送至结束。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测设备，其特征在于，包括多频点多星座卫星导航天线、完好性监测处理模块、多频点多星座自适应模块、实时闭环监测模块、差分增强报文生成模块以及单双链路发送模块，其中，所述卫星导航天线用于接收多频点多星座卫星信号；
所述完好性监测处理模块，用于根据接收到的多频点多星座卫星信号，生成卫星观测量信息，根据观测量信息，对卫星进行完好性监测，根据完好性监测结果，剔除故障卫星；
所述多频点多星座自适应模块，用于对保留下来的多频点多星座的卫星进行组合，以卫星星座几何构型以及信号质量最优为原则，设定权重系数，计算不同组合下的卫星星座几何性能，并与预设的性能阈值比较，筛选出高于性能阈值的卫星组合，生成对应的多种备用运行模式；所述多频点多星座自适应模块，以卫星星座几何构型及信号质量Si最优为原则，对正常运行的多频点多星座卫星进行灵活组合，设定权重系数计算不同组合下的星座性能Y，公式如下：
Figure 182720DEST_PATH_IMAGE001
其中，a与bi为权重系数，范围为0～1，D为加权DOP值，i为卫星号，卫星总数为n；
所述实时闭环监测模块，用于实时监测异常干扰信号及故障信息，当监测到异常干扰信号或故障信息时，根据预设的主、备用替换原则，筛选出主用、备用运行模式中的最优模式；
所述差分增强报文生成模块，用于对主用模式、剩余的备用运行模式，生成对应的差分增强报文；
所述单双链路发送模块，用于根据差分增强报文中可用卫星的数量，进行单链路或双链路广播。
2.根据权利要求1所述的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测设备，其特征在于，还包括卫星星座预测模块，所述卫星星座预测模块，利用星历或历书、信号相关峰信息及完好性监测结果，对多频点多星座卫星的当前及未来N分钟内的可用状态进行预测。
3.根据权利要求1所述的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测设备，其特征在于，所述预设的主、备用替换原则，包括计算主用及各种备用运行模式下待测目标的位置估计误差值。
4.根据权利要求1所述的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测设备，其特征在于，所述单双链路发送模块，还用于判断生成的差分增强报文中可用卫星数，当大于一定阈值时，进行双链路发送，否则，进行单链路发送。
5.一种基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取多频点多星座卫星信号，生成卫星的观测量信息；
S2、根据观测量信息，对卫星进行完好性监测，根据完好性监测结果，剔除故障卫星；
S3、对保留下来的多频点多星座的卫星进行组合，以卫星星座几何构型以及信号质量Si最优为原则，设定权重系数，按照如下公式计算不同组合下的卫星星座几何性能Y：
Figure 693336DEST_PATH_IMAGE002
其中，a与bi为权重系数，范围为0～1，D为加权DOP值，i为卫星号，卫星总数为n；
并将不同组合下的卫星星座几何性能与预设的性能阈值比较，筛选出高于性能阈值的卫星组合，生成对应的多种备用运行模式； S4、实时监测异常干扰信号、故障信息，当监测到异常干扰信号或故障信息时，根据预设的主、备用替换原则，筛选出主用、备用运行模式中的最优模式，生成对应的差分增强报文；
S5、根据差分增强报文中可用卫星的数量，进行单链路或双链路广播。
6.根据权利要求5所述的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法，其特征在于，在S2与S3之间还包括以下步骤：
利用星历或历书、信号相关峰信息及完好性监测结果，对多频点多星座卫星的当前及未来N分钟内的可用状态进行预测。
7.根据权利要求6所述的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法，其特征在于，还包括根据多频点多星座卫星的可用状态的预测结果，判定卫星是否可用；若卫星可用，继续参与执行S3和S4的操作，若卫星不可用，不可用的卫星不参与执行S3和S4。
8.根据权利要求7所述的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法，其特征在于，若预测结果中出现，当前或未来N分钟内某颗卫星运行中断，则卫星不可用。
9.根据权利要求5所述的基于北斗GBAS多频点多星座高可靠性自主监测方法，其特征在于，在S4中，所述预设的主、备用替换原则包括以下步骤：
计算主用模式以及各种备用运行模式下，待测目标的位置估计误差值，当所述主用模式的位置估计误差值落入预设的估计误差范围内时，保持当前主用模式不变；否则，进行如下处理：当存在备用运行模式的位置估计误差值落入预设的估计误差范围内时，将当前主用模式切换到最小的位置估计误差值对应的备用运行模式；当备用运行模式的位置估计误差值均超出预设的估计误差范围时，则保持原来的主用模式。
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