RU2778093C1 - Method and apparatus for controlling the integrity of measurements of the on-board equipment of the global navigation satellite system (gnss) applying measurements of a short-range navigation radio system and pseudo satellites - Google Patents

Abstract

FIELD: navigation.

SUBSTANCE: invention relates to navigation systems of manned aerial vehicles (MAV) and unmanned aerial vehicles (UAV). The described technical result is achieved through the use of additional measurements from an on-board receiver of signals from the RSBN and the ground-based GNSS pseudo satellites, introduction of additional measurements received from the RSBN and the ground-based pseudo satellites into the algorithm for the detection and elimination of failures from GNSS measurements.

EFFECT: ensured control of the integrity of readings of the on-board equipment of the global navigation satellite system (GNSS) applying measurements of the on-board equipment of a short-range navigation radio system (RSBN) and signals from ground-based GNSS pseudo satellites (PS).

3 cl, 4 dwg

Description

Уровень техникиState of the art

В процессе эксплуатации ГНСС согласно нормативам, установленным Международной организации гражданской авиации (ИКАО), при выполнении полетов требуется выдерживать заданные показатели качества работы системы, включая целостность ее измерений. In the process of GNSS operation, in accordance with the standards established by the International Civil Aviation Organization (ICAO), during the performance of flights, it is required to maintain the specified performance indicators of the system, including the integrity of its measurements.

Спутниковое навигационное оборудование потребителя обеспечивается предварительной информацией о целостности сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) через передаваемые ими пакеты данных. Однако эта информация не может передаваться своевременно, что не позволяет бортовым навигационным приемникам ЛА функционировать в соответствии со стандартами к авиационным системам, требующими непрерывного информирования об их состоянии. Satellite navigation equipment of the consumer is provided with preliminary information on the integrity of the signals of navigation spacecraft (NSV) through the data packets transmitted by them. However, this information cannot be transmitted in a timely manner, which prevents the on-board navigation receivers of the aircraft from functioning in accordance with the standards for aviation systems that require continuous information about their status.

В основу алгоритмов контроля положено допущение о том, что в каждый момент времени может иметь место отказ только одного спутника, которое было сделано на основе статической оценки данных, полученных в результате научно-практических исследований, проведенных военно-воздушными силами США. Для вычисления местоположения потребителя в трехмерном пространстве и смещения генератора времени его приемо-индикатора относительно времени используемой спутниковой навигационной системы необходимы измерения как минимум четырех НКА. При этом подразумевается, что НКА имеют благоприятный геометрический фактор. Для обнаружения единственного аномального измерения псевдодальности до НКА отказа в измерениях ГНСС необходимо наблюдение группировки минимум из пяти НКА, обладающей соответствующим геометрическим фактором. Таким образом, число наблюдаемых НКА должно быть не менее пяти. Для решения задачи обнаружения и исключения отказа необходимо принимать сигналы от шести НКА. The control algorithms are based on the assumption that only one satellite can fail at a time, which was made on the basis of a static evaluation of data obtained as a result of scientific and practical research conducted by the US Air Force. To calculate the location of the consumer in three-dimensional space and to shift the time generator of its receiver-indicator relative to the time of the used satellite navigation system, measurements of at least four satellites are required. This implies that NFAs have a favorable geometric factor. To detect a single anomalous pseudo-range measurement to a failure in GNSS measurements, it is necessary to observe a constellation of at least five satellites with an appropriate geometric factor. Thus, the number of observed NSCs should be at least five. To solve the problem of detecting and eliminating failure, it is necessary to receive signals from six satellites.

В открытых источниках описано множество различных схем построения автономных алгоритмов контроля целостности, основанных на общем принципе, заключающемся в непрерывной вероятностной проверке измерений, выполняемых спутниковым навигационным оборудованием потребителей. Обнаружение отказа базируется на вероятностной проверке и принятии одной из двух конкурирующих гипотез: Гипотезы о нормальной работе системы Н₀ (нулевой гипотезы) или Гипотезы об отказе Н₁ (альтернативной гипотезы).Open sources describe many different schemes for constructing autonomous integrity monitoring algorithms based on the general principle of continuous probabilistic verification of measurements performed by consumer satellite navigation equipment. Failure detection is based on a probabilistic test and the adoption of one of two competing hypotheses: the Hypothesis about the normal operation of the system H ₀ (null hypothesis) or the Hypothesis about the failure H ₁ (alternative hypothesis).

Вероятностные методы, применяемые в различных алгоритмах контроля целостности измерений ГНСС, основаны на ряде случайных переборов, необходимых для принятия или отвержения нулевой гипотезы (согласно диаграмме, приведенной на фиг.1). Процесс проверки гипотезы сводится к сравнению искомой переменной D с ограничивающей метрикой T (далее просто границей). The probabilistic methods used in various algorithms for monitoring the integrity of GNSS measurements are based on a number of random searches necessary to accept or reject the null hypothesis (according to the diagram shown in Fig. 1). The process of testing the hypothesis is reduced to comparing the desired variable D with the limiting metric T (hereinafter simply the boundary).

Обнаружение отказа выполняется по критерию (1):Failure detection is performed according to criterion (1):

Если (D < T), то принимается гипотеза о нормальной работе Н₀, в противном случае – гипотеза об отказе Н₁.If (D < T), then the hypothesis of normal operation H ₀ is accepted, otherwise, the hypothesis of failure H ₁ is accepted.

Возможны четыре исхода работы алгоритма контроля (фиг.1): Нормальная работа, Истинная тревога, Пропуск отказа (2) и Ложная тревога (3). Вероятности последних двух событий могут быть записаны как:There are four outcomes of the control algorithm (figure 1): Normal operation, True alarm, Skip failure (2) and False alarm (3). The probabilities of the last two events can be written as:

Граница T является функцией параметров максимально допустимой ошибки определения координат ВС в плане (Horizontal alarm limit - HAL), вероятности ложной тревоги P_FA и пропуска отказа P_MD (фиг.2). В случае превышения искомой переменной D границы T во время нормальной работы системы (при отсутствии отказа) генерируется ложная тревога. Вероятность ложной тревоги представляет собой площадь под кривой, отсекаемой границей Т справа от несмещенной плотности вероятности. Кривая смещенной плотности вероятности соответствует отказу в измерениях приемо-измерителя, приводящему к превышению максимально допустимой ошибки в плане HAL для данного этапа полета. Вероятность пропуска отказа имеет геометрический смысл, аналогичный смыслу вероятности ложной тревоги, представляя собой площадь, отсекаемую границей T слева от кривой смещенной плотности вероятности.The limit T is a function of the parameters of the maximum allowable error in determining the coordinates of the aircraft in the plan (Horizontal alarm limit - HAL), the probability of a false alarm P _FA and skip failure P _MD (figure 2). If the required variable D exceeds the limit T during normal operation of the system (in the absence of a failure), a false alarm is generated. The false alarm probability is the area under the curve cut off by the T boundary to the right of the unbiased probability density. The shifted probability density curve corresponds to a transceiver measurement failure resulting in exceeding the maximum allowable error in the HAL plan for a given flight stage. The probability of missing a failure has a geometric meaning similar to the meaning of the false alarm probability, representing the area cut off by the boundary T to the left of the shifted probability density curve.

При решении задачи автономного контроля целостности измерений ГНСС в аппаратуре потребителя используется линейная модель, применяемая при решении навигационной задачи. Измерения (4) записываются как линейные функции поправок к грубым координатам текущего местоположения:When solving the problem of autonomous monitoring of the integrity of GNSS measurements in the consumer equipment, a linear model is used, which is used in solving the navigation problem. Measurements (4) are written as linear functions of corrections to the coarse coordinates of the current location:

где

вектор линеаризованных измерений (скомпенсированных предварительной информацией невязок измерений);where

vector of linearized measurements (compensated by preliminary information of measurement residuals);

матрица наблюдения;

observation matrix;

вектор состояния (содержит три поправки к координатам пользователя X, Y, Z в геоцентрической системе координат и смещение времени Δτ);

state vector (contains three corrections to user coordinates X, Y, Z in geocentric coordinate system and time offset Δτ);

вектор нормально распределенных ошибок измерений псевдодальностей;

vector of normally distributed pseudorange measurement errors;

N – размерность вектора измерений.N is the dimension of the measurement vector.

С помощью МНК производится оценка вектора измерений (5): With the help of LSM, the measurement vector is estimated (5):

где

матрица ковариации.where

covariance matrix.

Разница между линеаризованными измерениями и их оценкой называется невязкой псевдодальностей (6): The difference between the linearized measurements and their estimate is called the pseudorange residual (6):

Невязка может быть вычислена с помощью выражения (7): The discrepancy can be calculated using expression (7):

Геометрический фактор (Dilution of Precision - DOP) представляет собой скалярную величину, описывающую качество геометрического расположения рабочего созвездия НКА, используемого в модели измерений. Различают ряд параметров ухудшения точности, получаемых из элементов главной диагонали (следа матрицы ковариации). Применительно к проблеме контроля целостности измерений ГНСС практический интерес имеют только понятия геометрического фактора ухудшении я горизонтальной точности (Horizontal Dilution of Precision - HDOP) (8) и геометрического фактора ухудшения вертикальной точности (Vertical Dilution of Precision - VDOP) (9), вычисляемые из соотношений:Geometric factor (Dilution of Precision - DOP) is a scalar value that describes the quality of the geometric location of the working constellation of the SV used in the measurement model. There are a number of accuracy degradation parameters obtained from the elements of the main diagonal (trace of the covariance matrix). With regard to the problem of monitoring the integrity of GNSS measurements, only the concepts of the geometric deterioration factor of horizontal accuracy (Horizontal Dilution of Precision - HDOP) (8) and the geometric deterioration factor of vertical accuracy (Vertical Dilution of Precision - VDOP) (9) are of practical interest, which are calculated from the relations :

Все подходы к построению алгоритмов контроля основаны на проверке подмножества частных спутниковых группировок, полученных путем последовательного поочередного исключения каждого НКА из полной группировки. При этом частные геометрический фактор рассматриваемого подмножества имеют меньшую величину по сравнению с общим геометрическим фактором (8) и вычисляются по выражению (10):All approaches to the construction of control algorithms are based on checking a subset of private satellite constellations obtained by sequentially excluding each satellite from the complete constellation. In this case, the particular geometric factor of the considered subset has a smaller value compared to the general geometric factor (8) and is calculated by expression (10):

где

наибольший из частных HDOP, соответствующий i-му НКА,where

the largest of the partial HDOPs corresponding to the i-th NFA,

частный HDOP, вычисленный для i-го НКА.

private HDOP calculated for the i-th NV.

Известен способ контроля целостности измерений бортовой аппаратуры глобальной навигационной спутниковой системы [1] (см., Brenner M., Implementation of a RAIM Monitor in a GPS Receiver and an Integrated GPS/IRS, ION GPS-90, Colorado Springs, September 1990) на основе метода равноценных пространств, позволяющем в решении навигационной задачи учесть влияние каждого дальномерного измерения (псевдодальности) до НКА. Для этого выполняется решение системы уравнения (5), описывающих измерения как линейные функции поправок к грубым координатам текущего местоположения.A known method for monitoring the integrity of measurements of the onboard equipment of the global navigation satellite system [1] (see, Brenner M., Implementation of a RAIM Monitor in a GPS Receiver and an Integrated GPS/IRS, ION GPS-90, Colorado Springs, September 1990) on based on the method of equivalent spaces, which allows in solving the navigation problem to take into account the influence of each ranging measurement (pseudorange) to the satellite. To do this, the system of equations (5) is solved, which describes the measurements as linear functions of corrections to the coarse coordinates of the current location.

В выражении (4) содержится дополнительная информация, не учитываемая при оценке координат местоположения классическим МНК. Для выделения этих данных применяется ортогональное преобразование модели, основанное на применении матрицы Q_(NxN) (11) такой, что:Expression (4) contains additional information that is not taken into account when estimating location coordinates by classical least squares. To extract these data, an orthogonal transformation of the model is applied, based on the use of the matrix Q _(NxN) (11) such that:

Матрица Q используется для преобразования матрицы наблюдения H_(N×4) в (N×N)-матрицу Н_ПР, содержащую нули в строках с 5 по N, и преобразования в верхнюю треугольную матицу Н_ВТР размерностью (4×4). Модель (4) может быть преобразована следующим образом:The matrix Q is used to transform the observation matrix H _(N×4) into an (N×N)-matrix H _PR containing zeros in rows 5 to N, and transform it into an upper triangular matrix H _BTR with dimension (4×4). Model (4) can be transformed as follows:

Матрица Q может быть декомпозирована на две матрицы Q₁ и Q₂ размерностями (4×N) и ((N-4)×N) соответственно (13):Matrix Q can be decomposed into two matrices Q ₁ and Q ₂ with dimensions (4×N) and ((N-4)×N), respectively (13):

Рассмотрим вторую строку записанного выше выражения (14): Consider the second line of the above expression (14):

Искомая метрика D может быть вычислена как (15):The desired metric D can be calculated as (15):

где

(N×1)-вектор шумов измерений;where

(N×1) - measurement noise vector;

(N×1)-вектор аномальных составляющих шумов измерений, приводящих к отказу.

(N×1) vector of anomalous measurement noise components leading to failure.

Все строки матрицы Q представляют собой ортогональные вектора. Это свойство распространяется и на декомпозированную матрицу Q₂. В случае видимости только пят НКА матрица Q₂ состоит из одной строки (16):All rows of the matrix Q are orthogonal vectors. This property also extends to the decomposed matrix Q ₂ . In the case of visibility of only five NSCs, matrix Q ₂ consists of one row (16):

В этом случае искомая метрика D запишется в виде (17):In this case, the required metric D can be written in the form (17):

При этом вектором

описывается аномальная составляющая шума измерений, приводящих к отказу измерений k-го НКА (18):At the same time, the vector

describes the anomalous component of the measurement noise leading to the measurement failure of the k-th SV (18):

Величина ξ представляет собой скаляр, описывающий нормально распределенную с нулевым математическим ожиданием составляющую шума измерений. The value of ξ is a scalar describing the normally distributed component of measurement noise with zero mathematical expectation.

Если вектор измерений имеет размерность большую пяти, то пространство будет многомерным с размерностью (N-4). При этом матрица Q₂ будет состоять из (N-4) ортогональных векторов. В введенном пространстве для выявления шумовой составляющей отслеживаемого спутника потребуется рассмотреть только один единичный вектор. Колонка векторов матрицы Q₂ определяет влияние ошибок измеренных псевдодальностей, разложенных в (N-4)–мерном пространстве, на позиционное решение. В этом пространстве возможно с помощью ортогонального преобразования методом последовательного перебора выбрать такую систему координат, в которой вектор, состоящий из элементов колонки матрицы Q₂, соответствующей контролируемому измерению, был бы спроектирован так, чтобы аномальная составляющая ошибки была бы разложена на одну ось. Используемое преобразование не влияет на дисперсию шумов измерений и повышает способность обнаружения ошибки измерений. Обнаружение отказа выполняется по критерию (1).If the dimension vector has a dimension greater than five, then the space will be multidimensional with dimension (N-4). In this case, the matrix Q ₂ will consist of (N-4) orthogonal vectors. In the introduced space, to identify the noise component of the tracked satellite, it will be necessary to consider only one unit vector. The column of vectors of the matrix Q ₂ determines the influence of the errors of the measured pseudoranges, decomposed in (N-4)-dimensional space, on the positional solution. In this space, using the orthogonal transformation, it is possible to select such a coordinate system using the method of sequential enumeration, in which the vector consisting of the elements of the column of the matrix Q ₂ corresponding to the controlled measurement would be designed so that the anomalous component of the error would be decomposed on one axis. The transformation used does not affect the variance of measurement noise and increases the ability to detect measurement error. Failure detection is performed according to criterion (1).

В случае отсутствия аномальных измерений искомая метрика D = ξ. Граница вычисляется на основе заданной вероятности ложной тревоги P_FA, рассчитываемой из уравнения (19) с применением гипотезы о нормальном законе распределения случайной величины с нулевым математическим ожиданием:In the absence of anomalous measurements, the required metric is D = ξ. The boundary is calculated on the basis of a given false alarm probability P _FA calculated from equation (19) using the hypothesis of the normal distribution of a random variable with zero mathematical expectation:

Если справедлива альтернативная гипотеза (Н₁) и k-е измерение содержит аномальную составляющую ошибки, то необходимая для обнаружения отказа величина ошибки измерения n_k определяется коэффициентом q_k. В этом случае граница вычисляется по выражению (20) на основе заданной вероятности пропуска отказа тревоги P_MD, рассчитываемой из выражения (1) с применением гипотезы о нормальном законе распределения случайной величины с математическим ожиданием, равным (q_k⋅n_k):If the alternative hypothesis (Н ₁ ) is valid and the k-th measurement contains an anomalous error component, then the measurement error n _k required to detect a failure is determined by the coefficient q _k . In this case, the boundary is calculated by expression (20) based on the given probability of skipping an alarm failure P _MD , calculated from expression (1) using the hypothesis of the normal distribution of a random variable with mathematical expectation equal to (q _k⋅ n _k ):

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является способ обнаружения отказа , относящийся к первой подгруппе [2] (см., Brown A., Sturza, M., The Effect of Geometry on Integrity Monitoring Performance, Institute of Navigation Annual Meeting, June 1990 https://www.researchgate.net/publication/239926033_The_Effect_of_Geometry_on_Integrity_Monitoring_Performance). The closest in its technical essence to the claimed one is the failure detection method related to the first subgroup [2] (see, Brown A., Sturza, M., The Effect of Geometry on Integrity Monitoring Performance, Institute of Navigation Annual Meeting, June 1990 https://www.researchgate.net/publication/239926033_The_Effect_of_Geometry_on_Integrity_Monitoring_Performance).

Способ основан на вычислении искомой метрики D на основе квадратичных оценок нормально распределенных невязок измерений. В рассматриваемом подходе для проверки конкурирующих гипотез применяется Хи-квадрат распределение. Вероятность пропуска отказа представляет собой обратную функцию вероятности Хи-квадрат распределения:The method is based on calculating the desired metric D based on quadratic estimates of normally distributed measurement residuals. In the approach under consideration, a Chi-squared distribution is used to test competing hypotheses. The probability of missing a failure is the inverse probability function of the chi-squared distribution:

где

вероятность обратного события;where

the probability of the reverse event;

T – граница;T - border;

σ – СКО ошибки определения псевдодальности;σ is the standard deviation of the error in determining the pseudorange;

r = (m – n) – число степеней свободы;r = (m – n) is the number of degrees of freedom;

n – размерность вектора измерений.n is the dimension of the measurement vector.

Несмещенная вероятность Хи-квадрат распределения (22) вычисляется следующим образом:The unbiased probability of the Chi-squared distribution (22) is calculated as follows:

Граница T может быть вычислена из обратной функции Q как квантиль Хи-квадрат распределения (23):The bound T can be calculated from the inverse function Q as a quantile of the Chi-squared distribution (23):

Вероятность пропуска отказа (24) рассчитывается на основе выражения:Failure skip probability (24) is calculated based on the expression:

где λ - параметр смещения, вычисляемый на основе выражения (25):where λ is the displacement parameter calculated on the basis of expression (25):

В соотношении (25) HAL – (Horizontal alarm limit) допустимый уровень ошибки в горизонте, задаваемый согласно требованиям к навигационному обеспечению на данном этапе полета.In relation (25) HAL – (Horizontal alarm limit) is the allowable error level in the horizon, set according to the requirements for navigation software at this stage of the flight.

Искомая граница Т может быть вычислена из уравнения (26), решенного относительно

для заданного набора параметров n, σ, HAL, P_FA, P_MD:The desired boundary T can be calculated from equation (26), solved with respect to

for a given set of parameters n, σ, HAL, P _FA , P _MD :

Существенным недостатком прототипа заключается в использовании в нем только измерений псевдодальностей, измеряемых бортовым оборудованием ГНСС, что накладывает ограничения на доступность реализации алгоритма для решения задачи обнаружения и исключения отказов в условиях недостаточного количества наблюдаемых НКА.A significant drawback of the prototype is that it uses only pseudorange measurements measured by GNSS onboard equipment, which imposes restrictions on the availability of the algorithm implementation for solving the problem of detecting and eliminating failures in conditions of an insufficient number of observed satellites.

Известны устройства предназначенные для определения координат метоположения на основе измерений ГНСС. В патентe США [3] (US6484095B2 "Vehicle operation and position recording system incorporating GPS" https://patents.***.com/patent/US6484095B2/en?oq=6484095+) описано устройство вычисления и записи координат местоположения наземного транспортного средства на основе измерений ГНСС. В состав устройства входит приемник сигналов GPS, интерфейс обмена данными RS-232, энергонезависимая память, микроконтроллер, интерфейс визуализации на основе светодиодной индикации. К недостаткам устройства относятся невысокая точность определения координат местоположения, а также отсутствие функции обнаружения и исключения отказов из измерений ГНСС.Known devices designed to determine the coordinates of metoposition based on GNSS measurements. The US patent [3] (US6484095B2 "Vehicle operation and position recording system incorporating GPS" https://patents.***.com/patent/US6484095B2/en?oq=6484095+) describes a device for calculating and recording the position coordinates of a ground vehicle on basis of GNSS measurements. The device includes a GPS signal receiver, an RS-232 data exchange interface, non-volatile memory, a microcontroller, and a visualization interface based on LED indication. The disadvantages of the device include the low accuracy of determining the location coordinates, as well as the lack of a function for detecting and eliminating failures from GNSS measurements.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство-прототип, описанное в патенте США [4] (US7439908B1 "Method and apparatus for determining smoothed code coordinates of a mobile rover" https://patents.***.com/patent/US7439908B1/en?oq=7439908). The closest in technical essence to the proposed device is the prototype device described in the US patent [4] (US7439908B1 "Method and apparatus for determining smoothed code coordinates of a mobile rover" https://patents.***.com/patent/US7439908B1/ en?oq=7439908).

В состав устройства входят блоки: ГНСС-приемник; пользовательский интерфейс на базе персонального компьютера; коммуникационный интерфейс, флэш-память, энергонезависимая память, микроконтроллер, выполняющий функции вычисления вектора координат по кодовым измерениям и приращение вектора координат по фазовым измерениям. Устройство позволяет вычислять координаты местоположения либо с использованием сглаживания кодовых измерений с использованием фазовых измерений, либо с использованием дифференциальной обработки. Для второго случая работы устройства осуществляется контроль и обнаружение отказов в измерениях ГНСС.The device consists of blocks: GNSS receiver; user interface based on a personal computer; communication interface, flash memory, non-volatile memory, microcontroller that performs the functions of calculating the coordinate vector from code measurements and incrementing the coordinate vector from phase measurements. The apparatus is capable of calculating position coordinates either using smoothing of code measurements using phase measurements, or using differential processing. For the second case of device operation, monitoring and detection of failures in GNSS measurements is carried out.

Недостатком прототипа устройства является отсутствие встроенного алгоритма контроля целостности и, как следствие, невозможность обнаружения отказов в случае отсутствия возможности приема сигналов от контрольно-корректирующей станции, обеспечивающей дифференциальный режим работы. The disadvantage of the prototype device is the lack of a built-in integrity control algorithm and, as a result, the impossibility of detecting failures in the absence of the ability to receive signals from the control and correction station that provides a differential mode of operation.

Задача изобретения состоит в решении задачи автономного контроля целостности измерений приемо-измерителя ГНСС и состава бортового оборудования пилотируемых и беспилотных ЛА на всех этапах полета. The objective of the invention is to solve the problem of autonomous control of the integrity of measurements of the GNSS transceiver and the composition of the onboard equipment of manned and unmanned aircraft at all stages of flight.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей прототипа за счет повышения доступности его применения на всех этапах полета, включая взлет и посадку, обеспечиваемую путем применения измерений от дополнительных бортовых и наземных корректирующих измерительных систем. Для достижения технического результата предлагается устройство для осуществления способа. The technical result of the invention is to expand the functionality of the prototype by increasing the availability of its use at all stages of flight, including takeoff and landing, provided by applying measurements from additional on-board and ground corrective measuring systems. To achieve a technical result, a device for implementing the method is proposed.

Сущность изобретения состоит в том, что решение задачи автономного контроля целостности измерений бортовой аппаратуры ГНСС осуществляется с использованием дополнительных измерений от бортового приемника сигналов РСБН и наземных псевдоспутников ГНСС. Способ основан на вводе в алгоритм обнаружения и исключения отказов из измерений ГНСС дополнительных измерений, полученных от РСБН и наземных псевдоспутников. The essence of the invention lies in the fact that the solution of the problem of autonomous control of the integrity of measurements of onboard GNSS equipment is carried out using additional measurements from the onboard receiver of RSBN signals and ground-based GNSS pseudo-satellites. The method is based on introducing additional measurements received from RSBN and ground-based pseudo-satellites into the algorithm for detecting and eliminating failures from GNSS measurements.

В качестве динамической модели системы принимается модель, описанная в (4).The model described in (4) is taken as the dynamic model of the system.

Матрица наблюдения

имеет вид (27):Observation Matrix

has the form (27):

где m - количество дальномерных измерений до НКА ГНСС, (m ≥ 4);where m is the number of ranging measurements to the NSC GNSS, (m ≥ 4);

k - количество дальномерных измерений до псевдостпутников ГНСС, (k ≥ 1);k - number of ranging measurements to GNSS pseudo-satellites, (k ≥ 1);

N - общее число дальномерных измерений (N = m + k +1).N is the total number of range measurements (N = m + k +1).

Элементы матрицы наблюдения в столбцах с индексами 1, 2 и 3 представляют собой направляющие косинусы линий визирования навигационных объектов: НКА, измерений ПС, а так же дополнительного дальномерного измерения, построенного на основе координат местоположения, вычисленных по измерениям РСБН. The elements of the observation matrix in columns with indices 1, 2 and 3 are the direction cosines of the lines of sight of navigation objects: SV, PS measurements, as well as an additional ranging measurement built on the basis of location coordinates calculated from RSBN measurements.

Координаты местоположения по измерениям РСБН в случае наличия трех и более измерений рассчитываются с применением МНК. В случае измерений двух дальностей может быть использован итерационный алгоритм, блок-схема которого приведена на фиг. 3. Location coordinates according to RSBN measurements in the case of three or more measurements are calculated using LSM. In the case of measurements of two ranges, an iterative algorithm can be used, the block diagram of which is shown in Fig. 3.

Решение задачи определения координат осуществляется в геоцентрической системе координат О₁XYZ с началом в центре земного эллипсоида О₁. Ось ОZ направлена по малой оси земного эллипсоида в сторону северного полюса. Оси OX, OY лежат в плоскости экватора, при этом ОХ направлена в плоскости Гринвического меридиана. The solution of the problem of determining the coordinates is carried out in the geocentric coordinate system O ₁ XYZ with the origin at the center of the earth's ellipsoid O ₁ . The OZ axis is directed along the minor axis of the earth's ellipsoid towards the north pole. Axes OX, OY lie in the plane of the equator, while OX is directed in the plane of the Greenwich meridian.

Расчет искомых координат объекта через географические широту, долготу и высоту над поверхностью эллипсоида осуществляется по соотношениям (28):The calculation of the desired coordinates of the object through the geographic latitude, longitude and height above the surface of the ellipsoid is carried out according to the relations (28):

(28)

(28)

Вычисление географической широты ϕ и долготы λ объекта по координатам от двух РСБН выполняется на основании следующих данных:The calculation of the geographic latitude ϕ and longitude λ of an object using coordinates from two RSBNs is performed based on the following data:

ϕ• ₁ , λ₁ – географические координаты места установки 1-го маяка РСБН;ϕ• ₁ , λ ₁ – geographical coordinates of the installation site of the 1st RSBN beacon;

ϕ• ₂ , λ₂ – географические координаты места установки 2-го маяка РСБН;ϕ• ₂ , λ ₂ – geographical coordinates of the installation site of the 2nd RSBN beacon;

• D₁ – измеренная наклонная дальность до 1-го маяка РСБН;• D ₁ – measured slant range to the 1st RSBN beacon;

• D₂ – измеренная наклонная дальность до 2-го маяка РСБН;• D ₂ – measured slant range to the 2nd RSBN beacon;

• h₁ – высота установки 1-го маяка РСБН;• h ₁ – installation height of the 1st RSBN beacon;

• h₂ – высота установки 2-го маяка РСБН;• h ₂ – installation height of the 2nd RSBN beacon;

• h – высота полета объекта над уровнем земного эллипсоида (например, по измерениям ГНСС).• h is the height of the object's flight above the level of the earth's ellipsoid (for example, according to GNSS measurements).

Пересчет координат 1-го, 2-го маяков из географических координат в декартовы осуществляется на основании соотношения (28) по следующим формулам (29):Recalculation of the coordinates of the 1st, 2nd beacons from geographical coordinates to Cartesian ones is carried out on the basis of relation (28) according to the following formulas (29):

i = 1,2 (29)

i = 1.2 (29)

где коэффициенты a_X,Y,Z определяются следующими соотношениями (30):where the coefficients a _X,Y,Z are determined by the following relations (30):

(30)

(thirty)

Декартовы координаты объекта могут быть определены из нелинейной системы уравнений (31):The Cartesian coordinates of an object can be determined from the nonlinear system of equations (31):

, (31)

, (31)

где неизвестные Х, Y, Z и координаты радиомаяков Х_i, Y_i, Z_i выраженные через соотношения (29) и (30).where unknown X, Y, Z and coordinates of radio beacons X _i , Y _i , Z _i expressed through relations (29) and (30).

Система (31) может быть решена численным методом итераций Ньютона относительно географических координат, связанных с геоцентрическими через соотношения (29 и 30). будем искать в виде (32): System (31) can be solved by Newton's numerical method of iterations with respect to geographic coordinates related to geocentric ones through relations (29 and 30). we will search in the form (32):

(32)

(32)

где

,

– некоторые фиксированные начальные (приближенные) координаты; where

,

– some fixed initial (approximate) coordinates;

,

– поправки к вычисляемым координатам, определяемые из соотношений (33):

,

are corrections to the calculated coordinates, determined from relations (33):

(33)

(33)

где

– якобианы, вычисляемые по соотношениям (34-36):where

are Jacobians calculated by relations (34-36):

, (34)

, (34)

, (35)

, (35)

. (36)

. (36)

Функционалы Ф₁(φ,λ) и Ф₂(φ,λ) могут быть определены определенные из совокупности соотношений (29), (30), (37): Functionals F_one(φ,λ) and F₂(φ,λ) can be determined from the set of relations (29), (30), (37):

(37)

(37)

Частные функционалы Ф₁(φ₀,λ₀) и Ф₂(φ₀,λ ₀) определяются аналогично при условии (38): Private functionals Ф_one(φ₀,λ₀) and F₂(φ₀,λ₀) are defined similarly under condition (38):

(38)

(38)

Частные производные функционалов Ф₁(φ,λ) и Ф₂(φ,λ) определяются из соотношений (39–42): Partial derivatives of functionals Ф_one(φ,λ) and F₂(φ,λ) are determined from relations (39–42):

(39)

(39)

(40)

(40)

(41)

(41)

(42)

(42)

Итерационный процесс продолжается пока поправки к вычисляемым координатам

,

перестанут превышать некоторые заранее заданные допуски

,

в соответствии с условиями (43):The iterative process continues until the corrections to the calculated coordinates

,

will no longer exceed some predetermined tolerances

,

according to conditions (43):

(43)

(43)

Решение об использовании измерений РСБН для алгоритма обнаружения и исключения отказов из измерений ГНСС принимается на основе оценки максимальной допустимой величины ошибки вычисления координат с использованием предложенного алгоритма. The decision to use the RSBN measurements for the algorithm for detecting and eliminating failures from GNSS measurements is made on the basis of an estimate of the maximum allowable error in the calculation of coordinates using the proposed algorithm.

Круговое СКО ошибки определения координат вычисляется из соотношения (44-46):The circular standard deviation of the error in determining the coordinates is calculated from the relationship (44-46):

, (44)

, (44)

(45)

(45)

(46)

(46)

В соотношениях (44), (45)

,

– СКО ошибок измерения дальностей до маяков РСБН 1 и 2.In relations (44), (45)

,

– RMSD of errors in measuring ranges to beacons RSBN 1 and 2.

Вектор нормально распределенных ошибок измерений

будет содержать СКО ошибок дальномерных измерений до НКА, аэропортовых псевдоспутников и дополнительного дальномерного измерения, полученного с использованием РСБН (47):Vector of normally distributed measurement errors

will contain RMS errors of ranging measurements to NSC, airport pseudo-satellites and an additional ranging measurement obtained using RSBN (47):

где

СКО ошибки дальномерных измерения до i-го НКА ГНСС, (i = 1...m);where

RMS errors of ranging measurements to the i-th GNSS satellite, (i = 1...m);

СКО ошибки дальномерных измерения до j-го ПС ГНСС, (j ≥ 1);

RMS errors of ranging measurements to the j-th GNSS PS, (j ≥ 1);

СКО ошибки дальномерных измерения, полученного с использованием РСБН;

RMS error of rangefinding measurements obtained using RSBN;

N – размерность вектора измерений (N = m + k +1).N is the dimension of the measurement vector (N = m + k +1).

Оценка приведенного вектора состояния выполняется и использованием взвешенного МНК с критерием принятия гипотезы о нормальной работе или отказе, приведенном в (1). The estimation of the reduced state vector is also performed using the weighted LSM with the criterion for accepting the hypothesis of normal operation or failure given in (1).

Граница T может быть вычислена из обратной функции Q как квантиль плотности вероятности для закона Хи-квадрат (48): The bound T can be calculated from the inverse function Q as a quantile of the probability density for the Chi-square law (48):

Вероятность пропуска отказа рассчитывается на основе выражения (49):The probability of missing a failure is calculated based on expression (49):

Параметр смещения λ вычисляемый на основе выражения (24), в котором величина максимальной разности между частными и общим геометрическими факторами

вычисляется на основе соотношения для расчета общего геометрический фактора (50):The displacement parameter λ calculated on the basis of expression (24), in which the value of the maximum difference between particular and general geometric factors

is calculated based on the ratio for calculating the total geometric factor (50):

где

взвешенная матрица ковариации, вычисляемая как (51):where

weighted covariance matrix calculated as (51):

Искомая метрика D, используемая в критерии обнаружения отказов (1), может быть вычислена из соотношения (52):The desired metric D used in the failure detection criterion (1) can be calculated from relation (52):

Процедура идентификации отказа сводится к решению задачи обнаружения отказа для N подсозвездий, полученных из основного созвездия путем поочередного исключения из него каждого j-го НКА для всех

The failure identification procedure is reduced to solving the problem of failure detection for N subconstellations obtained from the main constellation by successively excluding each j-th SV from it for all

Если для общего созвездия отказ обнаружен, но для всех (N-1) частных подсозвездий, не содержащих измерения j-го НКА, отказ не обнаруживается, то НКА с номером j считается отказавшим и исключается из навигационного решения. If a failure is detected for a common constellation, but no failure is detected for all (N-1) partial subconstellations that do not contain measurements of the j-th SV, then the SV with number j is considered to have failed and is excluded from the navigation solution.

Устройство для осуществления способа контроля целостности измерений бортовой аппаратуры ГНСС включает блоки преобразования измерений, вычислений и индикации (см. фиг. 4). В состав блока вычислений входят модули: вычисления координат по измерениям РСБН, обнаружения и исключения отказов из измерений ГНСС. Блок индикации предназначен для формирования признаков работы устройства. A device for implementing a method for monitoring the integrity of measurements of onboard GNSS equipment includes blocks for converting measurements, calculations and indications (see Fig. 4). The calculation block includes modules: calculating coordinates from RSBN measurements, detecting and eliminating failures from GNSS measurements. The indication block is designed to generate signs of device operation.

Блок преобразования измерений (1.1) выполняет функцию первичной обработки сигналов бортовых измерительных систем: приемника РСБН, поступающих на вход 1, бортовых измерителей высоты (барометрического, радио или лазерного), поступающих на вход 2, приемника сигналов наземных псевдоспутников ГНСС, поступающих на вход 3. На выход 1 подаются преобразованные измерения РСБН и бортовых измерителей высоты. На выходы 2 и 3 подаются преобразованные измерения РСБН, бортовых измерителей высоты и измерения ГНСС. The measurement conversion unit (1.1) performs the function of primary processing of the signals of the onboard measuring systems: the RSBN receiver arriving at input 1, the onboard altimeters (barometric, radio or laser) arriving at input 2, the receiver of signals from GNSS ground-based pseudo-satellites arriving at input 3. Output 1 receives the converted measurements of RSBN and airborne altimeters. Outputs 2 and 3 are fed with converted RSBN measurements, airborne altimeters and GNSS measurements.

Блок вычислений (1.2) предназначен для функции вычисления координат по измерениям РСБН, расчета высоты и обнаружения и исключения отказов из измерений ГНСС. В состав блока входят модуль вычисления координат по измерениям РСБН (1.2.1), модуль вычисления высоты 1.2.2 и модуль обнаружения и исключения отказов 1.2.3. The calculation block (1.2) is intended for the function of calculating coordinates from RSBN measurements, calculating altitude, and detecting and eliminating failures from GNSS measurements. The block includes a module for calculating coordinates from RSBN measurements (1.2.1), a module for calculating height 1.2.2, and a module for detecting and eliminating failures 1.2.3.

Модуль вычисления координат по измерениям РСБН (1.2.1) предназначен для реализации алгоритма, блок-схема которого приведена на фиг. 3. Численный расчет проводится по соотношениям (28-45). The module for calculating coordinates from RSBN measurements (1.2.1) is designed to implement the algorithm, the block diagram of which is shown in Fig. 3. Numerical calculation is carried out according to relations (28-45).

Модуль обнаружения и исключения отказов (1.2.3) предназначен для расчета алгоритма по соотношениям (27, 47-52) с использованием данных от модуля вычисления координат по измерениям РСБН (1.2.1). The module for detecting and eliminating failures (1.2.3) is designed to calculate the algorithm according to relations (27, 47-52) using data from the module for calculating coordinates from RSBN measurements (1.2.1).

Блок индикации (1.3) предназначен для формирования признаков "нормальная работа", "обнаружен отказ", "исключен отказ" с указанием одного или нескольких использованных средств коррекции: "ГНСС", "псевдоспутники ГНСС", "РСБН". The display unit (1.3) is designed to form the signs "normal operation", "failure detected", "failure excluded" indicating one or more correction tools used: "GNSS", "GNSS pseudo-satellites", "RSBN".

Claims (3)

1. Способ для контроля целостности измерений бортовой аппаратуры глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) с применением измерений радиосистемы ближней навигации и псевдоспутников, заключающийся в том, что на борту летательного аппарата выполняют непрерывный контроль измерений приемника глобальной навигационной спутниковой системы; получают дополнительные дальномерные измерения от псевдоспутников глобальной навигационной спутниковой системы, рассчитывают дополнительные дальномерные измерения, сформированные на основе измерений высоты, полученных штатными бортовыми измерителями, и координат местоположения летательного аппарата, вычисленных по дальномерным измерениям бортового приемника радиосистемы ближней навигации; обнаружение отказа в измерениях приемника глобальной навигационной спутниковой системы осуществляется на основе вероятностной проверки гипотезы об отсутствии отказа в измерениях; при обнаружении отказа в измерениях запускается процедура исключения отказа.1. A method for monitoring the integrity of the measurements of the onboard equipment of the global navigation satellite system (GNSS) using measurements of the short-range navigation radio system and pseudo-satellites, which consists in the fact that on board the aircraft, continuous monitoring of the measurements of the receiver of the global navigation satellite system is performed; receive additional ranging measurements from pseudo-satellites of the global navigation satellite system, calculate additional ranging measurements generated on the basis of height measurements obtained by regular on-board meters and aircraft location coordinates calculated from ranging measurements of the on-board receiver of the short-range navigation radio system; detection of failure in the measurements of the receiver of the global navigation satellite system is carried out on the basis of probabilistic testing of the hypothesis about the absence of failure in the measurements; when a measurement failure is detected, a failure elimination procedure is started. 2. Устройство для осуществления способа контроля целостности измерений бортовой аппаратуры глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) с применением измерений радиосистемы ближней навигации и псевдоспутников, состоящее из блока преобразования измерений, обеспечивающего синхронизацию измерений, блоков вычислений и индикации; первый вход блока преобразования измерений предназначен для поступления измерений бортового приемника радиосистемы ближней навигации, второй вход блока преобразования измерений, предназначен для поступления измерений бортовых измерителей высоты, третий вход блока преобразования измерений предназначен для поступления измерений от наземных псевдоспутников, в состав блока вычислений входит модуль вычисления координат по измерениям радиосистемы ближней навигации, первый вход которого соединен с первым выходом блока преобразования измерений, первый выход модуля вычисления координат соединен с первым входом модуля вычисления высоты, второй вход модуля вычисления высоты соединен со вторым выходом блока преобразования измерений; в состав блока вычислений входит модуль обнаружения и исключения отказов в измерениях ГНСС, первый вход которого соединен с выходом модуля вычисления высоты, а второй вход соединен с третьим выходом блока преобразования измерений; первый выход блока вычисления соединен с входом блока индикации.2. A device for implementing a method for monitoring the integrity of measurements of the onboard equipment of the global navigation satellite system (GNSS) using measurements of a short-range navigation radio system and pseudo-satellites, consisting of a measurement conversion unit that provides synchronization of measurements, calculation and display units; the first input of the measurement conversion unit is intended for receiving measurements from the onboard receiver of the short-range navigation radio system, the second input of the measurement conversion unit is intended for receiving measurements from onboard height meters, the third input of the measurement conversion unit is intended for receiving measurements from ground-based pseudo-satellites, the calculation unit includes a module for calculating coordinates according to measurements of a short-range navigation radio system, the first input of which is connected to the first output of the measurement conversion unit, the first output of the coordinate calculation module is connected to the first input of the altitude calculation module, the second input of the height calculation module is connected to the second output of the measurement conversion unit; the calculation unit includes a module for detecting and eliminating failures in GNSS measurements, the first input of which is connected to the output of the height calculation module, and the second input is connected to the third output of the measurement conversion unit; the first output of the calculation block is connected to the input of the indication block. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что бортовой измеритель высоты представляет собой баровысотомер, радиовысотомер или лазерный высотомер.3. The device according to claim 2, characterized in that the airborne altimeter is a bar altimeter, radio altimeter or laser altimeter.

Images