CN114235007A - 一种apnt服务的定位和完好性监测方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种APNT服务的定位和完好性监测方法及***,该方法包括:确定目标场景下的定位精度需求;当所述定位精度需求为高精度定位时,采用组合定位算法确定航空器的位置,并采用多解分离方式对组合定位进行完好性监测;当所述定位精度需求为低精度定位时,判断航空器是否为高空用户;若否,则采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置,并采用基于最小二乘残差法对空对空定位进行完好性监测。本发明能够根据用户对定位精度的不同需求和实际的应用条件,为航空器提供多种APNT备选方案,并针对各个备选方案进行故障检测算法研究,实现APNT服务的完好性监测。
Description
技术领域
本发明涉及航空导航技术领域,特别是涉及一种APNT服务的定位和完好性监测方法及***。
背景技术
航空运输***的现代化对航空导航***的性能提出了更高的要求。全球卫星导航***(Global Navigation Satellite System,GNSS)主要包括美国的全球定位***(Global Positioning System,GPS)、俄罗斯的全球卫星导航***(Global NavigationSatellite System,GLONASS)、欧洲的伽利略卫星导航***(Galileo SatelliteNavigation System)以及中国的北斗卫星导航***(BeiDou Navigation SatelliteSystem,BDS)。凭借其高精度和高可用性,GNSS成为全球范围内提供定位、导航和授时(Positioning,Navigation and Timing,PNT)服务的首要***。
然而,GNSS信号功率低、传播距离远,故GNSS信号在传播过程中极易受到射频干扰而造成中断,若在飞行过程中仅依靠全球卫星导航***,可能会导致航空器受干扰中断后丢失导航信息,严重时可能造成飞行事故。而作为仅次于GNSS的常用导航***,惯性导航***(Inertial Navigation Systems,INS)的误差会随着时间累加,其使用在时间上受到一定的限制。因此,必须利用现有的导航辅助***作为备份***,在GNSS不可用时,为航空器提供备用定位、导航和授时(Alternative Positioning,Navigation and Timing,APNT)服务,从而构建航空导航网络,保证飞行的连续性和完好性。
导航辅助***主要包括测距仪(Distance Measuring Equipment,DME)、甚高频全向信标(VHF Omnidirectional Radio Range,VOR)、仪表着陆***(Instrument LandingSystem,ILS)、气压式高度表以及其他具有导航能力的新型***,例如L频段数字航空通信***(L-band Digital Aeronautical Communication System,LDACS)等。
目前,美国的下一代航空运输***(Next Generation Air TransportationSystem,NextGen)以及欧洲的单一天空空中交通管理研究项目(Single European Sky ATMResearch,SESAR)都针对APNT服务开展研究,并提出了一些备选方案(例如DME增强***,LDACS,基于SSR的模式N以及eLoran等),但仍然需要进一步进行研究以确定如何以可持续的方式在这些方案中进行选择,同时又不给双频多星座(Dual-Frequency Multi-Constellation,DFMC)GNSS的实施带来风险。SESAR针对APNT服务的成熟程度,从短期、中期和长期三个层面开展研究。其中,短期研究主要基于DME/DME解决方案实现APNT服务;中期研究主要基于带有接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous IntegrityMonitoring,RAIM)的Multi-DME定位算法实现APNT服务;长期目标则计划通过LDACS和eLORAN的高级体系结构实现APNT服务,能够提供更好的性能,并使用替代技术支持基于性能的导航(Performance Based Navigation,PBN)/所需导航性能(Required NavigationPerformance,RNP)操作。未来的APNT服务将利用现有的导航设备和新型导航技术进行模块化组合,在终端移动区域实现RNP0.3的目标。
APNT服务的发展面临诸多问题,其中,定位精度的提高和完好性监测是最亟待解决的。
发明内容
本发明的目的是提供一种APNT服务的定位和完好性监测方法及***,在保证定位精度的前提下,实现APNT服务的完好性监测。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种APNT服务的定位和完好性监测方法,包括:
确定目标场景下的定位精度需求;
当所述定位精度需求为高精度定位时,采用组合定位算法确定航空器的位置,并采用多解分离方式对组合定位进行完好性监测;
当所述定位精度需求为低精度定位时,判断航空器是否为高空用户;
若否,则采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置,并采用基于最小二乘残差法对空对空定位进行完好性监测。
可选的,还包括:当所述航空器为高空用户时,采用基于DME/DME的定位算法确定航空器的位置,并对基于DME/DME的定位算法进行完好性监测。
可选的,所述对基于DME/DME的定位算法进行完好性监测,具体包括:
计算引入新的测站前的航空器位置与引入新的测站后的航空器位置;
基于所述引入新的测站前的航空器位置和所述引入新的测站后的航空器位置,计算所述基于DME/DME的定位算法的保护级;
将所述保护级与航路所要求的水平告警限进行比较,以完成基于DME/DME的定位算法的完好性监测。
可选的,所述采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置,具体包括:
采用Multi-DME定位算法,确定高空用户的位置信息;
基于LDACS的双向测距功能,确定所述高空用户与低空用户之间的测量距离;
根据所述测量距离、高空用户的位置信息,确定航空器的位置。
可选的,所述采用基于最小二乘残差法对空对空定位进行完好性监测,具体包括:
通过***的误检概率计算故障的检测阈值;
根据所述检测阈值和漏检概率计算最小可检测故障;
计算***的水平精度因子;
由所述最小可检测故障和所述水平精度因子计算***的水平保护级;
基于水平保护级,完成空对空定位的完好性监测。
可选的,所述采用组合定位算法确定航空器的位置,具体包括:
计算由m个DME站进行双向测距得到的测距误差以及由n个LDACS站单向测量得到的伪距误差;
基于所述测距误差和所述伪距误差,构建测距***的观测方程;
取气压高度作为观测量,将气压升高度表引入***中,得到高度观测方程;
基于所述观测方程和所述高度观测方程,构建***的观测模型;
采用最小二乘法对所述观测模型进行求解,确定航空器的位置。
可选的,所述采用多解分离方式对组合定位进行完好性监测,具体包括:
基于所述***的观测模型,计算状态主估计和状态子估计;
基于所述状态主估计和所述状态子估计,计算差值协方差矩阵;
基于所述差值协方差矩阵,构建水平位置检验统计量;
根据所述误检概率计算故障的检测阈值;
根据所述检验统计量和所述检测阈值,确定是否有故障;
若是有故障,则对所述故障进行隔离,并计算***的保护级;
若是无故障,则直接计算***的保护级;
根据所述保护级,完成组合定位的完好性监测。
一种APNT服务的定位和完好性监测***,包括:
需求确定模块,用于确定目标场景下的定位精度需求;
第一定位和完好性监测模块,用于当所述定位精度需求为高精度定位时,采用组合定位算法确定航空器的位置,并采用多解分离方式对组合定位进行完好性监测;
判断模块,用于当所述定位精度需求为低精度定位时,判断航空器是否为高空用户;
第二定位和完好性监测模块,用于当航空器为低空用户时,采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置,并采用基于最小二乘残差法对空对空定位进行完好性监测。
可选的,还包括:第三定位和完好性监测模块,用于当所述航空器为高空用户时,采用基于DME/DME的定位算法确定航空器的位置,并对基于DME/DME的定位算法进行完好性监测。
可选的,在所述采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置方面,所述第二定位和完好性监测模块,具体包括:
高空用户位置信息单元,用于采用Multi-DME定位算法,确定高空用户的位置信息;
测量距离确定单元,用于基于LDACS的双向测距功能,确定所述高空用户与低空用户之间的测量距离;
位置确定单元,用于根据所述测量距离、高空用户的位置信息,确定航空器的位置。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供了一种APNT服务的定位和完好性监测方法及***,在基于GNSS的航空导航受干扰而造成精度下降甚至不可用的情况下,根据用户对定位精度的不同需求和实际的应用条件,为航空器提供多种APNT备选方案,并针对各个备选方案进行故障检测算法研究,实现APNT服务的完好性监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种APNT服务的定位和完好性监测方法的流程示意图;
图2为本发明一种APNT服务的定位和完好性监测方法的整体流程图;
图3为本发明多解分离法层次结构图;
图4为本发明多解分离的APNT完好性监测算法的流程图;
图5为本发明一种APNT服务的定位和完好性监测***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
最基础的APNT方法是基于DME/DME实现定位,但这种方法要求用户在飞行过程中能够不间断的与一定数量的DME台站进行信息传输。然而,对于飞行高度较低的航空器来说,受到地形和城市环境的影响,部分地面DME测距源可能存在被遮挡的情况,这导致用户解算得到的定位精度下降,当测距源数量下降到一定程度时甚至会导致APNT不可用。针对这一问题,本发明根据LDACS的双向测距功能,利用通过Multi-DME获得较高定位精度的高空用户作为机载测距源,为低空用户提供位置信息,类似于GNSS中通过测伪距实现定位,并基于最小二乘残差算法实现空对空协同定位完好性监测,利用最小可检测故障进一步计算出***的保护级。然而,对于具有更高定位精度要求的用户来说,这种方法能够提供的定位精度是有限的。针对这一问题,本发明提出了利用DME、LDACS以及气压式高度表相结合的定位方法,通过组合测距、测伪距和测高这三种观测量,利用残差最小化算法实现定位,这种方法能够为用户提供更高的定位精度。
APNT面临的另一个重要问题是完好性监测问题。RNP要求机载设备必须具有机载性能监视和告警能力(On-Board Performance Monitoring and Alerting,OPMA),而DME/DME定位可能不支持这种RNP导航规范。由此提出基于支持RNP的地面性能监视和告警(On-Ground Performance Monitoring and Alerting,GPMA)概念,类似于GNSS中常用的RAIM算法,为DME/DME***进行完好性监测。对于DME、LDACS以及气压式高度表相结合的定位方法,主要通过冗余测量进行完好性监测,本发明构建了***的观测模型,并采用多解分离的方法实现APNT故障的监测与隔离。
鉴于此,本发明提供了一种APNT服务的定位和完好性监测方法及***,在提高定位精度的前提下,实现APNT服务的完好性监测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的目的主要通过以下技术方案实现:
1、通过DME/DME实现高空用户的准确定位与精度估计。
2、确定DME/DME定位中引入的故障模式,计算其对应的位置偏差,通过引入新的测站实现故障检测,计算***保护级,同时将保护级与告警限相比较,判断***的可用性。
3、通过Multi-DME实现高空用户的定位,基于LDACS的双向测距功能实现高空用户与低空用户之间的空对空协同定位。
4、确定基于LDACS的空对空协同定位中引入的故障模式,针对其特性设计故障检测算法,对定位误差的残差进行建模,计算***保护级。
5、组合DME/LDACS/气压式高度表,利用最小二乘法实现用户的高精度定位。
6、采用多解分离算法实现组合定位的完好性监测,计算全集和各对应子集的定位误差,实现APNT故障的检测和排除,计算***保护级,判断***可用性。
实施例一
如图1和图2所示,本实施例提供的一种APNT服务的定位和完好性监测方法,包括如下步骤。
步骤101:确定目标场景下的定位精度需求;所述目标场景为GNSS不可用时的场景。
步骤102:当所述定位精度需求为高精度定位时,采用组合定位算法确定航空器的位置,并采用多解分离方式对组合定位进行完好性监测。
步骤103:当所述定位精度需求为低精度定位时,判断航空器是否为高空用户;若否,则执行步骤104;若是,则执行步骤105。
步骤104:采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置,并采用基于最小二乘残差法对空对空定位进行完好性监测。
步骤105:当所述航空器为高空用户时,采用基于DME/DME的定位算法确定航空器的位置,并对基于DME/DME的定位算法进行完好性监测。
其中,步骤105具体包括:
1、基于DME/DME的定位原理
DME指测距仪,是一种广泛应用于航空导航的测距设备,由机载端的询问器和地面的应答器组成。工作时,询问器发送询问信号,应答器按次序传送与询问信号同步的应答。通过这种方式,DME***可以测量航空器与地面台之间的斜距。单个DME台无法实现航空器的定位,同时收到两个或两个以上DME台信号时才能确定航空器的位置。
在基于DME/DME的定位原理进行定位时,航空器必须位于DME台的覆盖范围之内,并能够同时接收至少两个DME台站的输入信号。如果仅能收到两个DME台站的输入,航空器与两个DME台站连线的夹角必须在30度和150度之间。DME/DME是支持区域导航(RegionalArea Navigation,RNAV)的主要方式之一,其定位精度次于GNSS。
2、DME/DME完好性监测算法,具体包括:计算引入新的测站前的航空器位置与引入新的测站后的航空器位置;基于所述引入新的测站前的航空器位置和所述引入新的测站后的航空器位置,计算所述基于DME/DME的定位算法的保护级;将所述保护级与航路所要求的水平告警限进行比较,以完成基于DME/DME的定位算法的完好性监测;详细过程如下:
DME信号在传播过程中可能会受到两种威胁,一方面是可能会受地形影响产生多径效应,造成测距信息错误,另一方面是信号可能遭受到同信道其他信号的干扰造成信号的接收错误。前者可以通过信号波形的改变以及回波抑制机制得到改善,后者需要对信号进行频率分配和兼容性研究。在这里本发明将其统一为应答器故障,该故障将反映在DME站的位置偏差中,造成DME误差分布的平均值非零。
假定DME误差服从正态分布,无故障应答器误差的平均值为零,故障应答器的平均值等于台站偏差:
基于i,j两个DME站计算位置,得到水平位置误差:
其中:
设计单一故障场景:假设航空器通过两个无故障的DME站获得初始有效位置,而随着航空器位置的变化,初始的两个站不再满足几何条件,需引入新的站DME3对初始中的一个测站进行替换,飞行管理***(Flight Management System,FMS)将引入新的测站前的航空器位置与引入后的位置进行比较,确定潜在的测距偏差,而后计算位置解算方案的保护级。
|R12-R3|>T→failure (6);
若DME3有故障,检验统计量R服从N(μ,σR),由漏检概率Pmd和检测阈值T求出最小可检测偏差μm:
在这里假设航空器使用DME3和DME1进行测距,通过偏差检测实现***水平保护级(Horizontal Protection Level,HPL)的计算:
将HPL与航路所要求的水平告警限进行比较,若保护级大于告警限,则***不可用。
所述采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置,具体包括:
采用Multi-DME定位算法,确定高空用户的位置信息;基于LDACS的双向测距功能,确定所述高空用户与低空用户之间的测量距离;根据所述测量距离、高空用户的位置信息,确定低空航空器的位置。详细过程如下:
(1)基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法
由于受到地形遮挡的影响,低空用户收发导航信号的性能受限,难以实现定位。相较于此,高空用户则可以从更多地面测距源获得测距信息和测距误差信息,比如通过Multi-DME方法实现准确定位,并作为机载测距源向低空用户播发自身的位置信息和协方差矩阵,结合LDACS的空对空通信能力实现高空用户与低空用户之间的距离测量,低空用户即可实现自身位置的获取。考虑到高空测距源的数量有限,这里只进行二维定位,并利用气压高度表辅助进行高度测量。
根据高空用户测距源A的位置测量yA进行空对空测量,其位置误差εA服从分布N(0,∑A)。低空用户与机载测距源n之间的距离为:
r(n)=(xu-x(n))·1(n)+T(n)+M(n)+c·(dt(n)-dtu)+ε(n)(10);其中xu和x(n)分别是航空器与测距源的位置,ε(n)为测距误差,T(n)为对流层延迟,M(n)是多径效应,dt(n)表示机载测距源的时钟偏移,dtu表示用户接收机的时钟偏移,1(n)为沿用户接收机和测距源连线方向的一组单位向量,在此称之为视距(Light of Sight,LoS)向量。
在RNP操作的背景下,对流层延迟T(n)和多径的影响M(n)是可以忽略不计的,因为它们通常只会引起比σr小几个数量级的随机误差。通过LDACS的双向测距功能实现机载测距源与低空用户之间的伪距测量:
其中,tt和tr分别表示低空用户发射和接收到信号的时间,τ表示高空测距源从接收信号到发射应答信号之间的已知固有延迟,c表示光速。
空对空定位算法中,机载测距源不同于卫星或者地面测距源,其位置本身存在不可忽略的不确定性,可以将其认为卫星中的星历误差,由距离测量中的噪声σr与机载测距源沿LoS的不确定性相加得到,低空用户j处的测距误差ε(n)可近似为零均值高斯分布N(0,σn,j),其中:
∑n表示由测距源的位置进行定位的误差协方差矩阵,与测距源本身的位置不确定性有关,反映了由该测距源信号得到的距离测量值的精度。由于机载测距源是通过Multi-DME实现定位的,其定位精度可表示为:
其中,H表示测距源与其多个DME站之间的方向余弦矩阵,那么,
那么,测距误差的方差表示为:
利用(10)(11)两个方程,通过加权最小化残差法进行位置解算:
δxi=(GTWG)-1GTWδri (16);
其中,G为由视距单位矢量构成的几何矩阵,与测距源相对于用户的几何位置有关,W为反映各测距源造成的测距误差的加权矩阵,其对角线元素δri为迭代过程中得到的测距修正,当||xi+1-xi||≤ε,ε>0时,用户位置收敛于定位误差服从多元高斯分布N(0,∑),协方差矩阵∑=(GTWG)-1。
(2)基于最小二乘残差法的空对空协同定位完好性监测,具体包括:
通过***的误检概率计算故障的检测阈值;根据所述检测阈值和漏检概率计算最小可检测故障;计算***的水平精度因子;由所述最小可检测故障和所述水平精度因子计算***的水平保护级;基于水平保护级,完成空对空定位的完好性监测,详细过程为:
空对空协同定位可以通过最小二乘残差法实现完好性监测。
线性化的伪距观测方程如下:
Y=GX+ε (17);
由最小二乘法得到使得测距误差平方和最小的位置估计:
测距残差矢量表示为:
其中,Qν为伪距残差矢量的协因数矩阵。在无故障条件下,残差向量的加权范数服从自由度为N-2的中心χ2分布:
空对空协同定位引入了一种新的故障模式,这可能会导致新的潜在完好性风险。类似于卫星导航中的星历故障,在空对空协同定位中,机载测距源的位置广播可能出现故障Δx,这一故障将通过视距向量反映在测距误差中:
r(n)=(xu-(x(n)+Δx))·1(n)+c·(dt(n)-dtu)+ε(n) (21);
令Δr=Δx·1(n),那么在此故障下的测距表达式为:
r(n)=(xu-x(n))·1(n)+Δr(n)+c·(dt(n)-dtu)+ε(n) (22);
当故障发生后,测距故障引起的误差Δr导致伪距残差矢量发生了变化,矢量中对应故障测距源位置的测距误差均值不再为零,这使得伪距残差矢量的范数服从非中心χ2分布,非中心参数为Δr2:
为了评估***的最小可检测故障,即漏检概率等于指定的完好性风险时的最大可能故障。首先通过***的误检概率Pfd计算故障的检测阈值TD:
根据检测阈值和漏检概率计算最小可检测故障Er:
在实际导航过程中,即使没有故障发生,仍然可能由于可见测距源的几何构型不够理想而导致完好性监测算法不可用。为了判断算法的可用性,需要计算水平保护级。由机载测距源几何构型的水平精度因子HDOP和去掉第i个测距源后的水平精度因子HDOPi得到水平精度因子的变化量δHDOPi:
最后,由最小可检测故障Er和***的HDOP(水平精度因子)计算***的水平保护级:
HPL=δHDOPmax×σA×Er (27)。
所述采用组合定位算法确定航空器的位置,具体包括:
计算由m个DME站进行双向测距得到的测距误差以及由n个LDACS站单向测量得到的伪距误差;基于所述测距误差和所述伪距误差,构建测距***的观测方程;取气压高度作为观测量,将气压升高度表引入***中,得到高度观测方程;基于所述观测方程和所述高度观测方程,构建***的观测模型;采用最小二乘法对所述观测模型进行求解,确定航空器的位置。
(1)组合定位算法
在GNSS不可用的情况下,基于DME/DME或LDACS的APNT算法能够为不同空域的用户提供基本的PNT功能,结合上文中的完好性监测算法为用户提供所需导航性能。
为了进一步满足部分用户对定位精度和完好性的更高需求,可以通过组合多种定位方法以提高冗余测量,例如将DME、LDACS和气压式高度表的测量相结合,基于残差最小化算法进行定位,算法框图见图3。由DME提供双向测距量,LDACS提供单向伪距测量,气压式高度表通过测量气压提供高度信息。通过对各个***的测量信息进行组合实现更高精度的定位。
首先,计算DME和LDACS实现定位下的测距误差。
由m个DME站进行双向测距得到的测距误差为:
由n个LDACS站单向测量得到的伪距误差为:
将二者组合,得到测距***的观测方程:
式中,y为观测量,即测距量与近似计算距离之间的差值;G为观测矩阵,ai,j为观测矩阵的系数;x为地球坐标系下的3个位置误差(Δx、Δy、Δz)和接收机时钟偏差dt构成的待估计状态量;εD为m×1阶矢量,εL为n×1阶矢量,分别表示在DME和LDACS测距过程中由于传播不确定性以及接收机噪声等影响带来的测距偏差向量,其标准差分别为σD和σL。
为了便于将气压式高度表的观测信息引入观测方程,需要将状态量投影至地理坐标系,坐标转换公式如下:
由此迭代可以得到地理坐标系下的测距误差,将其表示为:
式中,φ、λ和h分别表示纬度、经度和高度,A表示坐标转换矩阵。
取气压高度作为观测量,将气压升高度表引入***中,得到高度观测方程:
组合以上观测量,得到新的观测方程:
式中,Z表示观测信息,包括DME、LDACS和气压式高度表的观测量;H表示观测矩阵;X表示状态量,包括地理坐标系下的三个位置误差和接收机钟差等效的测距误差;V为量测噪声矩阵,其均值为0,方差矩阵为AG为n×4阶矩阵,表示观测矩阵G经过坐标转换后得到的导航***观测矩阵。
根据该***模型,可通过最小二乘法求其定位解。当DME和LDACS的站点数超过3个时,方程(32)有唯一解:Δφ1,Δλ1,Δh1,将其叠加到初始位置φ0,λ0,h0上,得到下一近似位置,取代初始位置代入方程(32)进行迭代,直至Δφi,Δλi,Δhi达到所需的量级,即可得到地理坐标系下用户位置的最小二乘解。
(2)基于多解分离的APNT完好性监测,具体包括:
基于所述***的观测模型,计算状态主估计和状态子估计;基于所述状态主估计和所述状态子估计,计算差值协方差矩阵;基于所述差值协方差矩阵,构建水平位置检验统计量;根据所述误检概率计算故障的检测阈值;根据所述检验统计量和所述检测阈值,确定是否有故障;若是有故障,则对所述故障进行隔离,并计算***的保护级;若是无故障,则直接计算***的保护级;根据所述保护级,完成组合定位的完好性监测。
故障检测
在建立组合***的观测模型基础上,采用多解分离的方法实现APNT的完好性监测。定义利用所有观测量获得的估计为主估计,排除掉一个观测量后获得的估计为子估计。设定故障阈值,通过比较不同估计之间的差值与设定阈值的大小,实现APNT故障的监测与隔离。
根据观测方程可得全观测量下得状态主估计:
X0=Q0Z=(HTWH)-1HTWZ (35);
其中,W=R-1为正定加权矩阵,Q0为完全观测条件下的最小二乘解矩阵,维数为4×(m+n+1)阶。去掉第i个距离观测量,利用剩余得观测信息进行状态求解,得到状态子估计:
式中,Q'i表示排除第i个距离观测量后不完全观测条件下的4×(m+n)阶最小二乘解矩阵,为了便于后续计算,通过将第i列补零将Q'i扩充为4×(m+n+1)阶矩阵Qi,得到子估计:
Xi=QiZ(i=1,2,Λ,m+n) (37);
则主估计与子估计差值的协方差矩阵为:
根据m+n组检验统计量和故障检测阈值进行故障判决,其依据为:
(1)无故障H0:所有检验统计量均满足di≤Ti;
(2)有故障H1:至少存在一组检验统计量满足di>Ti。
故障分离
在检测出故障后,需要对故障进行定位识别从而实现故障隔离。通过子估计Xi及其次估计Xi,j,处理过程与故障检测过程类似,需要先计算出检验统计量di,j和检测阈值Ti,j,而后进行判决,判定第n个测距源有故障的依据为:如果有且只有一个子估计Xn与其所有次估计的检验统计量Xn,j均小于故障检测阈值,则第n个测距源需要被隔离。
如果出现所有的子估计及其对应的所有次估计均出现大于故障检测阈值的情况,则说明出现多测距源故障,需类比此方法进一步进行分析。
多解分离法层次结构见图4。
保护级计算
在进行完好性监测后,应针对完好性要求下的可用性进行判断,计算航空器的水平保护级和垂直保护级(Vertical Protection Level,VPL)。
对应每个子估计Xi的HPLi由两个部分组成:一是子估计Xi与主估计X0解分离的门限,即由误检概率Pfd计算的得到的故障检测阈值Ti;二是子估计自身的水平位置误差门限ai,即:
HPLi=Ti+ai (40);
定义子估计Xi的误差协方差矩阵为:
进而计算得到多解分离法的水平保护级:
HPL=max(HPLi)=max(Ti+ai) (43);
类似地,可以计算得到多解分离法的垂直保护级:
VPL=max(VPLi)=max(Di+ai) (44);
其中,
实施例二
如图5所示,本实施例提供的一种APNT服务的定位和完好性监测***,包括:
需求确定模块501,用于确定目标场景下的定位精度需求。
第一定位和完好性监测模块502,用于当所述定位精度需求为高精度定位时,采用组合定位算法确定航空器的位置,并采用多解分离方式对组合定位进行完好性监测。
判断模块503,用于当所述定位精度需求为低精度定位时,判断航空器是否为高空用户。
第二定位和完好性监测模块504,用于当航空器为低空用户时,采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置,并采用基于最小二乘残差法对空对空定位进行完好性监测。
第三定位和完好性监测模块505,用于当所述航空器为高空用户时,采用基于DME/DME的定位算法确定航空器的位置,并对基于DME/DME的定位算法进行完好性监测。
在所述采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置方面,所述第二定位和完好性监测模块,具体包括:
高空用户位置信息单元,用于采用Multi-DME定位算法,确定高空用户的位置信息。
测量距离确定单元,用于基于LDACS的双向测距功能,确定所述高空用户与低空用户之间的测量距离。
位置确定单元,用于根据所述测量距离、高空用户的位置信息,确定航空器的位置。
与现有技术相比,本发明的创新部分如下:
本发明提出了根据用户对定位精度的需求和实际的应用条件进行分类的方法,考虑到各种情况特性,提供了三种不同的APNT算法;
2、分析了空对空协同定位中特有的故障模式,即机载测距源自身的位置信息故障,将其类比于卫星导航中的星历故障,给出了该故障模式下的测距表达式r(n)=(xu-x(n))·1(n)+Δr(n)+c·(dt(n)-dtu)+ε(n),针对该特定故障提出了利用卡方检验进行故障检验以及检测阈值的求解方法;
3、提出了适用于基于LDACS的空对空协同定位算法的水平保护级计算方法HPL=δHDOPmax×σA×Er,用于判断APNT***的可用性;
5、提出了利用DME/LDACS/气压式高度表的测量信息组合实现APNT服务的新型组合定位方法;
7、根据DME/LDACS/气压式高度表组合定位***的特性,给出了采用多解分离算法进行完好性监测的流程:根据状态方程计算状态主估计X0=Q0Z=(HTWH)-1HTWZ和状态子估计Xi=QiZ,根据***特性构建了新的水平位置检验统计量计算出检测阈值根据检验统计量和故障检测阈值进行***的故障判决;
8、给出了在检测出故障后,通过计算状态子估计Xi和子估计的次估计Xi,j实现APNT测距源故障隔离的流程;
9、提出了根据DME/LDACS/气压式高度表组合状态方程得到的主估计与子估计差值的协方差矩阵以及***的误检概率和漏警概率计算APNT水平和垂直保护级的方法。
从本发明提供的方案可以看出,本发明的有益效果为:
第一,本发明向航空器提供多种APNT备选方案,为GNSS不可用情况下航空器的定位难题提供解决方案;
第二、本发明依据LDACS的双向测距功能,为受到地形或建筑遮挡的低海拔用户提供了一种相对定位方法;
第三、本发明提出了利用DME/LDACS/气压式高度表进行组合定位的方法,进一步提高APNT的定位精度;
第四、本发明为实现APNT的完好性监测,提供了适用于各定位算法的故障检测算法,并通过计算保护级来证明算法的可用性;
第五、本发明有助于提高APNT在国内的重视程度,促进其算法的推广和应用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种APNT服务的定位和完好性监测方法,其特征在于,包括:
确定目标场景下的定位精度需求;
当所述定位精度需求为高精度定位时,采用组合定位算法确定航空器的位置,并采用多解分离方式对组合定位进行完好性监测;
当所述定位精度需求为低精度定位时,判断航空器是否为高空用户;
若否,则采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置,并采用基于最小二乘残差法对空对空定位进行完好性监测。
2.根据权利要求1所述的一种APNT服务的定位和完好性监测方法,其特征在于,还包括:当所述航空器为高空用户时,采用基于DME/DME的定位算法确定航空器的位置,并对基于DME/DME的定位算法进行完好性监测。
3.根据权利要求2所述的一种APNT服务的定位和完好性监测方法,其特征在于,所述对基于DME/DME的定位算法进行完好性监测,具体包括:
计算引入新的测站前的航空器位置与引入新的测站后的航空器位置;
基于所述引入新的测站前的航空器位置和所述引入新的测站后的航空器位置,计算所述基于DME/DME的定位算法的保护级;
将所述保护级与航路所要求的水平告警限进行比较,以完成基于DME/DME的定位算法的完好性监测。
4.根据权利要求1所述的一种APNT服务的定位和完好性监测方法,其特征在于,所述采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置,具体包括:
采用Multi-DME定位算法,确定高空用户的位置信息;
基于LDACS的双向测距功能,确定所述高空用户与低空用户之间的测量距离;
根据所述测量距离、高空用户的位置信息,确定低空航空器的位置。
5.根据权利要求1所述的一种APNT服务的定位和完好性监测方法,其特征在于,所述采用基于最小二乘残差法对空对空定位进行完好性监测,具体包括:
通过***的误检概率计算故障的检测阈值;
根据所述检测阈值和漏检概率计算最小可检测故障;
计算***的水平精度因子;
由所述最小可检测故障和所述水平精度因子计算***的水平保护级;
基于水平保护级,完成空对空定位的完好性监测。
6.根据权利要求1所述的一种APNT服务的定位和完好性监测方法,其特征在于,所述采用组合定位算法确定航空器的位置,具体包括:
计算由m个DME站进行双向测距得到的测距误差以及由n个LDACS站单向测量得到的伪距误差;
基于所述测距误差和所述伪距误差,构建测距***的观测方程;
取气压高度作为观测量,将气压升高度表引入***中,得到高度观测方程;
基于所述观测方程和所述高度观测方程,构建***的观测模型;
采用最小二乘法对所述观测模型进行求解,确定航空器的位置。
7.根据权利要求6所述的一种APNT服务的定位和完好性监测方法,其特征在于,所述采用多解分离方式对组合定位进行完好性监测,具体包括:
基于所述***的观测模型,计算状态主估计和状态子估计;
基于所述状态主估计和所述状态子估计,计算差值协方差矩阵;
基于所述差值协方差矩阵,构建水平位置检验统计量;
根据所述误检概率计算故障的检测阈值;
根据所述检验统计量和所述检测阈值,确定是否有故障;
若是有故障,则对所述故障进行隔离,并计算***的保护级;
若是无故障,则直接计算***的保护级;
根据所述保护级,完成组合定位的完好性监测。
8.一种APNT服务的定位和完好性监测***,其特征在于,包括:
需求确定模块,用于确定目标场景下的定位精度需求;
第一定位和完好性监测模块,用于当所述定位精度需求为高精度定位时,采用组合定位算法确定航空器的位置,并采用多解分离方式对组合定位进行完好性监测;
判断模块,用于当所述定位精度需求为低精度定位时,判断航空器是否为高空用户;
第二定位和完好性监测模块,用于当航空器为低空用户时,采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置,并采用基于最小二乘残差法对空对空定位进行完好性监测。
9.根据权利要求8所述的一种APNT服务的定位和完好性监测***,其特征在于,还包括:第三定位和完好性监测模块,用于当所述航空器为高空用户时,采用基于DME/DME的定位算法确定航空器的位置,并对基于DME/DME的定位算法进行完好性监测。
10.根据权利要求8所述的一种APNT服务的定位和完好性监测***,其特征在于,在所述采用基于LDACS的高空用户与低空用户的空对空定位算法确定航空器的位置方面,所述第二定位和完好性监测模块,具体包括:
高空用户位置信息单元,用于采用Multi-DME定位算法,确定高空用户的位置信息;
测量距离确定单元,用于基于LDACS的双向测距功能,确定所述高空用户与低空用户之间的测量距离;
位置确定单元,用于根据所述测量距离、高空用户的位置信息,确定低空航空器的位置。
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