一种对流层延迟完好性监测方法与装置的制造方法

一种对流层延迟完好性监测方法与装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种对流层延迟完好性监测方法与装置。该方法包括接收多颗卫星的数据信息，根据多颗卫星的数据信息获取所有卫星的伪距误差中的最大伪距误差，根据该最大伪距误差确定每颗可见卫星的对流层水平标准差，并根据每颗可见卫星的对流层水平标准差计算得到每颗可见卫星的对流层水平误差，根据每颗可见卫星的对流层水平误差、每颗可见卫星的对流层垂直误差，获取每颗可见卫星的对流层误差。本发明的方法，实现了对对流层误差的准确计算，提高了地面增强系统获得定位误差修正值的准确性，进而提高了飞机进场与着陆过程中GPS定位系统的定位准确性和完好性，提高了飞机飞行的安全性。
【专利说明】
一种对流层延迟完好性监测方法与装置
技术领域
[0001] 本发明涉及卫星导航技术，尤其涉及一种对流层延迟完好性监测方法与装置。
【背景技术】
[0002] 飞机的进场与着陆在整个飞行过程非常重要，为了提高飞机的进场与着陆过程中 的定位准确性和完好性，国内外发展了诸多卫星导航增强系统，主要分为广域增强系统 (Wide Area Augmentation System，简称 WAAS)和局域增强系统（Local Area Augmentation System，简称LAAS)，其中局域增强系统又称地面增强系统(Ground Based Augmentation System，简称GBAS)。卫星导航增强系统用于为全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS)提供定位误差修正值，以提高GPS定位系统的定位准确性和 完善性。在卫星导航增强系统中沿信号传播路径方向的误差源可以分为电离层误差、对流 层误差和多径误差，在实际应用中，可以通过双频测量大幅度消除电离层误差，根据测量地 区的地形特点设置合理的遮蔽角来消除多径误差。
[0003] 对于对流层误差来说，一般可以分为垂直误差和水平误差，但是现有技术在计算 对流层误差时主要考虑垂直误差，而忽略水平误差，使得对整个对流层的误差计算不准确， 并且多项研究发现，对流层的水平误差对电离层的误差有一定的影响，这样使得卫星导航 增强系统获得信号误差不准确，提供给用户的定位误差修正值也不准确，使得飞机在进场 与着陆的过程中无法实现准确定位，造成飞机飞行的危险性。
[0004] 故而，现有技术所计算对流层误差不准确，造成卫星导航增强系统提供给飞机用 户的定位误差修正值不准确，无法满足飞机在进场与着陆过程中准确定位。

【发明内容】

[0005] 本发明提供一种对流层延迟完好性监测方法与装置，提高了对流层误差计算的准 确性，进而确保了 GPS定位系统的定位准确性和完善性，同时通过每隔一段时间计算一次 GPS定位系统的垂直保护级VPL，提高了地面增强系统对GPS定位系统实施监管的准确性，增 强了 GPS定位系统的可靠性。
[0006] 第一方面，本发明提供一种对流层延迟完好性监测方法，包括：
[0007] 接收多颗卫星的数据信息；
[0008] 根据所述多颗卫星的数据信息获取所有卫星的伪距误差中的最大伪距误差；
[0009] 根据所述最大伪距误差确定每颗可见卫星的对流层水平标准差，并根据每颗所述 可见卫星的对流层水平标准差计算得到每颗所述可见卫星的对流层水平误差；
[0010] 根据每颗所述可见卫星的对流层水平误差、每颗所述可见卫星的对流层垂直误 差，获取每颗所述可见卫星的对流层误差。
[0011] 进一步地，根据所述多颗卫星的数据信息获取所有卫星的伪距误差中的最大伪距 误差，具体包括：
[0012]
.获取所述多颗卫星的伪距误差;其中，所述h为第j颗卫 星的伪距误差，所述kB是参考站的配置参数，
为地面子系统中接收机的总数目，所述ao、所述ai和所述a2为所述参考站中不同接收机精度 指标对应的不同参数，所述θ〇为所述参考站中不同接收机精度指标对应的卫星高度角参考 值，所述Θ:为第j颗卫星的高度角；
[0013] 根据所述多颗卫星的伪距误差，获取所述最大伪距误差。
[0014] 进一步地，所述根据所述最大伪距误差确定每颗所述可见卫星的对流层水平标准 差，并根据每颗所述可见卫星的对流层水平标准差计算得到每颗所述可见卫星的对流层水 平误差，具体包括：
[0015]
获取所述第i颗可见卫星的对流层水平标准差 〇"。1^?-*_;其中，所述以_\为所述最大伪距误差，所述~为所有可见卫星的个数，所述1^?1为 所述参考站中不同接收机精度指标对应的无故障漏检倍数；
[0016] 根据公式〇1^。1)2[1]=?1)1^\〇_-_- 1^。1)\(1也+21：￥也)获取所述第：[颗可见卫星的对 流层水平误差0trcip2[1];其中：
，所述FPPl[1]为所述第i颗可 见卫星的方向转换因子，所述Re为地球半径，所述h电离层高度，所述ho为对流层高度，所述 xalr为飞机与所述参考站之间的距离，所述τ为滤波时间，所述Vair为所述飞机的水平速度。
[0017] 进一步地，所述方法还包括：
[0018] 根据公式 ~ ^pr~gnd~xli\ ^ ^tr〇pl[i] ^trop2[i] + 计算所述参考站的接 收通路无故障时所述第i颗可见卫星对应的误差源的第一总标准差，所述误差源包括 所述第i颗可见卫星对应的对流层垂直误差Otropm]、所述第i颗可见卫星对应的对流层水平 误差〇trcip2[1]、所述第i颗可见卫星对应的电离层误差~_[,]、所述第i颗可见卫星对应的多 径误差0 pr-air[1#P所述第i颗可见卫星对应的所述参考站中接收机的误差(v-gnd- x[1];
[0019]
计算所述参考站 的接收通路存在故障时的所述误差源的第二总标准差;其中，所述Μ为地面子系统中所 有参考站中接收机的数目之和，U为所述地面子系统中所有参考站的数量；
[0020]
分别计算所述第一总标准差对应的垂直 保护级和所述第二总标准差对应的垂直保护级，并根据所述第一总标准差对应的垂直保护 级和所述第一总标准差对应的垂直保护级确定最大垂直保护级;其中SverU为卫星几何矩 阵的垂直分量，所述<@为所述第一总标准差或者所述第二总标准差；
[0021]判断所述最大垂直保护级是否大于预设的垂直保护级；
[0022]若是，则发出报警信息。
[0023 ]第二方面，本发明还提供一种对流层延迟完好性监测装置，包括：
[0024]接收模块，用于接收多颗卫星的数据信息；
[0025]第一获取模块，用于根据所述多颗卫星的数据信息获取所有卫星的伪距误差中的 最大伪距误差；
[0026]第一计算模块，用于根据所述最大伪距误差确定每颗可见卫星的对流层水平标准 差，并根据每颗所述可见卫星的对流层水平标准差计算得到每颗所述可见卫星的对流层水 平误差；
[0027]第二获取模块，用于根据每颗所述可见卫星的对流层水平误差、每颗所述可见卫 星的对流层垂直误差，获取每颗所述可见卫星的对流层误差。
[0028] 进一步地，所述第一获取模块，具体用于根据
获取所述多颗
卫星的伪距误差，并根据所述多颗卫星的伪距误差，获取所述最大伪距误差；其中，所述W 为第j颗卫星的伪距误差，所述kB是参考站的配置参数，
所述Μ为地面子系统中接收机的总数目，所述ao、所述ai和所述a2为所述参考站中不同接收 机精度指标对应的不同参数，所述θ〇为所述参考站中不同接收机精度指标对应的卫星高度 角参考值，所述为第j颗卫星的高度角。
[0029] 进一步地，所述第一计算模块，具体用于根据公 第i颗可见卫星的对流层水平标准差Onon-nom-trop，并根据公式〇tr〇p2[i] =Fppli X 〇nt)n-nt)m-trop X (Xair+2Tvair)获取所述第i颗可见卫星的对流层水平误差Otrc)p2[i];其中，所述y max为所述最大 伪距误差，所述N为所有可见卫星的个数，所述Kffmd为所述参考站中不同接收机精度指标对 应的无故障漏检倍数，
，所述Fppl[1]为所述第i颗可见卫星 的方向转换因子，所述I为地球半径，所述h为电离层高度，所述h〇为对流层高度，所述Xair 为飞机与所述参考站之间的距离，所述τ为滤波时间，所述为所述飞机的水平速度。
[0030] 进一步地，所述装置还包括：
[0031] 第二计算模块，用于根据公式 Mll +<邓]巾]丨# 算所述参考站的接收通路无故障时所述第i颗可见卫星对应的误差源的第一总标准差 所述误差源包括所述第i颗可见卫星对应的对流层垂直误差σ_ρ1[1]、所述第i颗可见 卫星对应的对流层水平误差〇trcip2[1]、所述第i颗可见卫星对应的电离层误差、所述第 i颗可见卫星对应的多径误差(V-air[1]和所述第i颗可见卫星对应的所述参考站中接收机的 k差Opr-gnd-x[i];
[0032]第三计算模块，用于根据公式
[0033]
计算所述参考站的接收通 路存在故障时的所述误差源的第二总标准差〇；匕1;其中所述U为所述地面子系统中所有参 考站的数量；
[0034] 第四计算模块，
分别计算所述第一 总标准差对应的垂直保护级和所述第二总标准差对应的垂直保护级，并根据所述第一总标 准差对应的垂直保护级和所述第一总标准差对应的垂直保护级确定最大垂直保护级;其中 Smm为卫星几何矩阵的垂直分量，所述为所述第一总标准差或者所述第二总标准差；
[0035] 报警模块，用于判断所述最大垂直保护级是否大于预设的垂直保护级，若是，则发 出报警信息。
[0036] 本发明提供的一种对流层延迟完好性监测方法与装置，通过接收多颗卫星的数据 信息；根据所述多颗卫星的数据信息获取所有卫星的伪距误差中的最大伪距误差;根据所 述最大伪距误差确定每颗可见卫星的对流层水平标准差，并根据每颗所述可见卫星的对流 层水平标准差计算得到每颗所述可见卫星的对流层水平误差;根据每颗所述可见卫星的对 流层水平误差、每颗所述可见卫星的对流层垂直误差，获取每颗所述可见卫星的对流层误 差，即在计算对流层误差时，考虑到了对流层水平误差对对流层误差的影响，实现了对对流 层误差的准确计算，提高了地面增强系统获得定位误差修正值的准确性，进而提高了飞机 进场与着陆过程中GPS定位系统的定位准确性和完好性，提高了飞机飞行的安全性。
【附图说明】
[0037] 为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一 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。
[0038] 图1为地面增强系统的体系结构和组成示意图；
[0039] 图2为本发明提供的对流层延迟完好性监测方法实施例一的流程示意图；
[0040] 图3为本发明提供的对流层延迟完好性监测方法实施例二的流程示意图；
[0041 ]图4为本发明提供的对流层延迟完好性监测方法实施例三的流程示意图；
[0042] 图5为本发明提供的对流层延迟完好性监测方法实施例四的流程示意图；
[0043] 图6为本发明提供的对流层延迟完好性监测装置实施例一的结构示意图；
[0044] 图7为本发明提供的对流层延迟完好性监测装置实施例二的结构示意图。
【具体实施方式】
[0045] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附 图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分 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作出创 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。
[0046] 在GPS增强系统中，由于地面增强系统比广域增强系统的定位精度高，它利用地面 信号发射器向用户广播定位误差修正值，具有为飞机提供全天候、满足各类难度更大、性能 要求更加严格的精密进场与着陆要求的服务，并且能够实时检测GPS定位系统运行的完好 性，当GPS定位系统出现故障时，地面增强系统会及时报警，用于提醒用户此时GPS定位系统 不可用，进而保证了飞机进场与着陆的安全性，因此本发明提高的方法主要用在地面增强 系统中。
[0047] 图1为地面增强系统的体系结构和组成示意图，如图1所示，地面增强系统包括地 面子系统10、用户系统40(即飞机系统）和卫星系统30,其中空间系统30主要包括各种导航 卫星，该导航卫星用于向地面子系统10发送卫星信号20;用户系统40可以包括用户接收机 (即机载接收机），该机载接收机一方面可以接收卫星系统30发送的卫星信号20,以根据该 卫星信号20确定用户（即飞机）当前的位置，另一方面可以接收地面子系统10的广播信号50 (该广播信号为每颗可见卫星的定位误差修正值）；地面子系统10可以包括地面站设备和伪 卫星，其中地面站设备可以包括参考站、安装在参考站中的参考接收机和参考站中的处理 单元。整个地面增强系统10的工作过程为:地面子系统10使用多个安装在参考站上的参考 接收机接收所有卫星的卫星信号20,并将该卫星信号20发送给参考站中的处理单元，处理 单元对卫星信号20进行相应的滤波和计算处理，获得每颗可见卫星的定位误差修正值，最 后利用广播将上述定位误差修正值作为广播信号50发送给用户系统40中的机载接收机，由 于卫星信号20在发射的过程中容易受到干扰，使得用户系统40根据卫星系统30发送的卫星 信号20获得的定位信息存在误差，不能反映用户（即飞机)当前的实际位置，此时，机载接收 机通过接收地面增强系统10发送的每颗可见卫星的定位误差修正值，对卫星系统30发送的 定位信息进行校正，获得更高的定位精度。同时地面增强系统10还可以根据误差源的标准 差计算GPS定位系统的垂直保护级(Vertical Protect Level，简称VPL)(具体内容可参照 下面实施例），当该垂直保护级VPL大于等于GPS定位系统的警戒VPL时，地面增强系统报警， 说明此时导航系统不可用，进而保证了飞机进场与着陆的安全性。
[0048]当卫星信号通过对流层时，卫星信号的传输路径发生变化，使得卫星信号通过对 流层时产生了延迟，即无法准时到达参考接收机，因此通常将对流层误差称为对流层延迟。
[0049] 本发明提供的一种对流层延迟完好性监测方法与装置，可以应用于上述地面增强 系统中，用于解决现有技术中计算对流层误差不准确的问题，使得地面增强系统获得更加 准确的定位误差修正值，进而提高了 GPS定位系统在飞机进场与着陆过程中的定位准确性 和完好性。
[0050] 图2为本发明提供的对流层延迟完好性监测方法实施例一的流程示意图，本实施 例的方法可以集成到上述地面增强系统中的处理单元中，也可以作为单独的处理模块集成 到上述地面增强系统中，通过计算获得所有卫星的伪距误差中的最大伪距误差，来计算每 个可见卫星对应的对流层水平误差，进而获得每个可见卫星对应的对流层误差，提高了计 算每个可见卫星对应的对流层误差的准确性。如图2所示，本实施例的方法可以包括：
[0051] 步骤101、接收多颗卫星的数据信息。
[0052] 需要说明的是，整个卫星系统中卫星可以形成多个星系，如GPS定位系统包括24颗 卫星，北斗定位系统包括16颗卫星，其中每个星系中的卫星分布在不同的轨道上，本实施例 以GPS定位系统为例进行阐述，但本发明的方法还可以适用于其他的定位系统，具体实施方 法与GPS定位系统的实施方式相同。
[0053] 需要说明的是，星系中的所有卫星相对于参考站并不都是可见的，即参考站可以 观测到的卫星为可见卫星，参考站观测不到的卫星为不可见卫星。本发明的方法首先是通 过计算所有卫星（即可见卫星和不可见卫星）的伪距误差，获取所有卫星伪距误差中的最大 值，接着用该最大伪距误差计算每颗可见卫星对应的对流层水平标准差、对流层水平误差 和对流层误差。
[0054]具体地，GPS定位系统中的多颗卫星向参考站中的参考接收机发送对应的多颗卫 星的数据信息，该数据信息可以是GPS定位系统中的卫星发送的导航电文和星历，其中导航 电文可以包括:GPS定位系统时间、时钟校正值、该卫星自身精确的轨道数据等系统状态信 息，导航电文用于计算卫星当前的位置和信号传输的时间，从而使参考接收机在接收导航 电文后能确定卫星的位置。星历中包括了描述该卫星的位置和速度的表达式，参考站中的 参考接收机接收卫星发送的导航电文和星历，并将该导航电文和星历传输给参照站中对应 的处理单元，该处理单元根据上述导航电文和星历可以计算出该卫星的位置坐标和高度 角，该卫星的位置坐标为该卫星在地心坐标系下的位置坐标，该卫星的高度角为该卫星与 对应的参考站之间形成的高度角。
[0055]需要说明的是，本实施例中的多颗卫星可以是该星系中的所有卫星。
[0056]步骤102、根据所述多颗卫星的数据信息获取所有卫星的伪距误差中的最大伪距 误差。
[0057]需要说明的是，GPS卫星能够按照星载时钟发射某一信号，该信号可以理解为该卫 星发送的导航电文和星历，该信号从卫星发射到参考站的参考接收机天线接收经过了 At 时间，即该信号的传输时间为△ t，接着该传输时间At乘以电磁波在真空中的速度c，可以 得到该卫星与参考接收机的空间几何距离为d，即d= Δ t X c。但在实际中，由于卫星时钟与 参考接收机时钟不同步的误差、卫星的星历误差、参考接收机测量噪声以及信号在传输过 程中的电离层误差、对流层误差和多径误差等的影响，使得由上述方法求得的卫星与参考 接收机之间的距离不是卫星与参考接收机之间的实际几何距离，因此，将上述方法获得的 卫星与参照站之间的距离d称为卫星的伪距。当计算出伪距之后，可以结合参考站中的参考 接收机接收到的多颗卫星的导航电文和星历，估算出每颗卫星的伪距误差。接着选出所有 卫星伪距误差的最大值，得到最大伪距误差。
[0058]可选的，由于误差源在不同时间产生的误差是不一样的，因此，为了提高计算每颗 卫星伪距误差的精度，参考站中的处理单元可以每隔一段时间计算一次该卫星的伪距误 差，即在对应的时间段内获得多颗卫星的伪距误差的最大值，用于计算不同时刻每颗可见 卫星对应的对流层水平误差。
[0059]步骤103、根据所述最大伪距误差确定每颗可见卫星的对流层水平标准差，并根据 每颗所述可见卫星的对流层水平标准差计算得到每颗所述可见卫星的对流层水平误差。 [0060]具体地，首先参考站中的处理单元根据上述方法获得多颗卫星的最大伪距误差， 并用该最大误差来计算每颗可见卫星对应的对流层水平标准差，本发明对如何根据最大伪 距误差得到每颗可见卫星对应的对流层水平标准差的具体方式并不做限定，只要能够根据 最大伪距误差得到每颗可见卫星对应的对流层水平标准差即可。接着根据上述每颗可见卫 星对应的对流层水平标准差获得每颗可见卫星对应的对流层水平误差，同样的本发明对如 何根据每颗可见卫星对应的对流层水平标准差获得每颗可见卫星对应的对流层水平误差 的具体方式不做限制，只要能够根据每颗可见卫星对应的对流层水平标准差获得每颗可见 卫星对应的对流层水平误差即可。
[0061]可选的，由于误差源在不同时间产生的误差是不一样的，因此，为了提高计算每颗 可见卫星在不同的时刻对应的对流层水平误差的精度，参考站中的处理单元可以每隔一段 时间计算一次该卫星对应的对流层水平标准差和对流层水平误差，用于实时监测每颗可见 卫星在不同时刻的对流层水平误差。
[0062]步骤104、根据每颗所述可见卫星的对流层水平误差、每颗所述可见卫星的对流层 垂直误差，获取每颗所述可见卫星的对流层误差。
[0063] 具体地，参考站中的处理单元可以根据公式
[0064]
获得第i颗可见卫星对应的对流层垂直误差 〇_[)1[1]，其中〇11为地面子系统传输的折射不准确度，是地面子系统的固有参数，1 1()为电流层 高度，为第i颗可见卫星的高度角，Ah为飞机与参考站之间的距离。然后根据上述公式获 得每颗可见卫星对应的对流层垂直误差，最后根据每颗可见卫星的对流层水平误差和对流 层垂直误差计算获得每颗可见卫星对应的对流层误差。由上述可知，本实施例在计算对流 层误差时不仅考虑了对流层水平误差，并且在计算对流层水平标准差时，代入了所有卫星 的最大伪距误差，进而增大了对流层水平误差在整个对流层误差中的占比，使得地面增强 系统发给用户的定位误差修正值更加精确，而且提高了地面增强系统的敏感性。
[0065] 本发明提供的对流层延迟完好性监测方法，通过接收多颗卫星的数据信息，获取 所有卫星的伪距误差中的最大伪距误差，并根据该最大伪距误差确定每颗可见卫星对应的 对流层水平标准差，并根据该对流层水平标准差计算得到每颗可见卫星对应的对流层水平 误差，根据该对流层水平误差、对流层垂直误差，获得每颗可见卫星对应的对流层误差，即 在计算对流层误差时，考虑到了对流层水平误差对对流层误差的影响，实现了对对流层误 差的准确计算，提高了地面增强系统获得定位误差修正值的准确性，进而提高了飞机进场 与着陆过程中的定位准确性和完好性，提高了飞机飞行的安全性。
[0066] 图3为本发明提供的对流层延迟完好性监测方法实施例二的流程示意图，本实施 例给出了参考站中的处理单元根据多颗卫星的数据信息获取所有卫星的伪距误差中的最 大伪距误差的具体过程。在上述实施例的基础上，如图3所示，上述S102具体包括：
[0067] 步骤201、
获取所述多颗卫星的伪距误差。
[0068]步骤202、根据所述多颗卫星的伪距误差，获取所述最大伪距误差。
[0069]具体地，参考站中的处理单元首先计算第j颗卫星相对于参考站的高度角其计 算原理为现有技术，在此不再赘述，kB是参考站的配置参数。接着根据公式：
[0070.
计算获得第j颗卫星对应的Opr-gnd ( Θ j )，其中 cv-gnd(0j)由接收机宽带噪声、空间信号的残余误差等组成，M为地面子系统中所有参考接 收机的总数目（由于地面子系统包括多个参考站，每个参考站中包括多个参考接收机，ΒΡΜ 是地面子系统中所有参考站中参考接收机的总数目）。其中ao、ai和a 2为参考站中不同接收 机精度指标对应的不同参数，θ0为参考站中不同接收机精度指标对应的卫星高度角，其中 参数ao、ai、a2和θ0为与参考站接收机的精度指标有关，其中常见参考站接收机的精度指标 为Α、Β和C，具体参考站接收机类型与上述参数的对应关系如下表1所示：
[0071] 表格1 GPS/LAAS空间信号精度需求
[0072]

[0073] 当得到后，参考站中的处理单元可以根据公式 颗卫星的伪距误差。依次类推，即根据上述公式就可以求得所有卫星(见颗）的伪距误差，获 得沁个伪距误差，并根据公式=^?1(叫，《2，……I/%)，获得Nl颗卫星的伪距误差中的最大 {直 tVax 〇
[0074] 可选的，由于在发送、传输和接收电文的过程中，卫星的时钟误差、电离层误差、对 流层误差、多径误差、接收机等误差源产生的误差在不同时刻一直变化，使得第j颗卫星的 伪距误差在不同时刻对应的值不相同，因此为了消除上述误差源产生的处于变化状态的误 差对伪距误差的影响，提高伪距误差的准确性，本发明通过每隔一段时间计算一次每颗卫 星的伪距误差，并求得该时刻所有卫星的伪距误差的最大值，具体实施过程可以参见下面 的例子：
[0075]例如，每隔400s计算一次每颗卫星的伪距误差并计算在对应的时刻所有卫星 伪距误差的最大值ymax，这样在一天(86400s)内可以计算获得216(86400s/400s = 216)个最 大伪距误差ymax，如果从一天开始的第Is到第400s时，计算一次所有卫星的伪距误差，并求 得该所有伪距误差中的最大值记为y maxl，接着在第800s时，计算一次所有卫星的伪距误差， 并求得该所有伪距误差中的最大值记为ymax2,依次类推，这样在每隔一段时间计算一次每 颗卫星的伪距误差，获得不同时间对应的所有卫星的最大伪距误差，消除了误差源产生的 误差随时间变换对最大伪距误差的影响，提高了计算最大伪距误差的准确性。
[0076]需要说明的是，在参考站中的处理单元计算每颗可见卫星的对流层水平误差的标 准差时，也可以每隔一段时间计算一次，这里所间隔的时间段和上述每隔一段时间计算一 次伪距误差所间隔的时间段相同，即在第400s时计算一次所有卫星的伪距误差，获得此时 所有卫星伪距误差的最大值，对应地，在该第400s时计算一次每颗可见卫星对应的对流层 标准差。
[0077]本发明提供的对流层延迟完好性监测方法，通过计算所有卫星的伪距误差，求得 所有卫星伪距误差中的最大伪距误差，用该最大伪距误差计算每颗可见卫星对应的对流层 水平标准差，从而提高了计算对流层水平标准差的准确性，使得用该对流层水平标准差获 得的对流层水平误差也更加准确性，进而提高了计算对流层误差的准确性;进一步地，本发 明还可以通过每隔一段时间计算一次最大伪距误差，获得不同时间段内的最大伪距误差， 进而实时或者周期准确计算出对流层水平标准差，进一步地提高了计算对流层误差的准确 性。
[0078] 图4为本发明提供的对流层延迟完好性监测方法实施例三的流程示意图，本实施 例涉及的是参考站中的处理单元根据每颗可见卫星的对流层水平标准差获得每颗可见卫 星的对流层水平误差的具体过程。在上述实施例的基础上，如图4所示，进一步地，上述S103 具体可以包括：
[0079] 步骤301.
获取所述第i颗可见卫星的对流层水平标 /隹 〇non-nom-trop 〇
[0080] 具体地，在某时刻，参考站中的处理单元根据上述步骤计算获得所有卫星的伪距 误差的最大伪距误差Umax，
·计算获得对流层水平标准差，需 要说明的是，由该公式所得到的每颗可见卫星在同一时刻对应的对流层水平标准差相同，N 为所有可见卫星的个数，所述Kffmd为所述参考站中不同接收机精度指标对应的无故障漏检 倍数。
[0081 ]可选的，由上述可知，由于误差源产生的误差在不同时间对应的值不相同，使得不 同时刻卫星的最大伪距误差ymax不相同，进而使得不同时间内对流层水平标准差也不相同， 为了提高对流层水平标准差的准确性，也可以每隔一段时间（比如每隔400s)计算一次每颗 卫星的伪距误差，进而获得每颗可见卫星在不同时刻对应的对流层水平标准差。
[0082]步骤302、根据公式〇trc)P2[i] =FPPu X trQp X (xair+2i：vair)获取所述第i颗可见 卫星的对流层水平误差〇to)P2[i]。
[0083] 具体地，参考站中的处理单元将上述步骤计算获得的〇nc)n-nt)m- trQp代入公式otrc)p2[i] = FPpl[i] X〇_-_-trcipX (Xair+2TVair)，计算获得第i颗可见卫星对应的对流层水平误差 〇trop2[1]，其中FPP1[1]为第i颗可见卫星的方向转换因子，即第i颗可见卫星沿参考站方向作投 影，该投影从倾斜方向转换为垂直方向的转换因子称为F PP1[1]。该FPP1[1]可以根据公式
计算获得，其中，I为地球半径，In电离层高度，ho为对流层高 度，Xair为飞机与参考站之间的距离，τ为滤波时间（通常T = 100s)，Vair为飞机的水平速度， 本发明在计算第i颗可见卫星垂直方向到倾斜方向的转换因子FPPm]时，不仅考虑了电离层 高度对其的影响，还考虑了对流层高度对其的影响，用上述公式就可以获得第i颗可见卫星 垂直方向到倾斜方向的转换因子Fppl [ i ]，提高了第i颗可见卫星垂直方向到倾斜方向的转换 因子Fppl[1]的精度，进而提高了 i第颗卫星对应的对流层水平误差〇top2[1]的精度。
[0084]可选的，由上述描述可知，对流层水平标准差在不同时刻其值不相同，使得不同时 刻对应的对流层水平误差也不相同，因此，为了提高对流层水平误差的精度，本发明每隔一 段时间（例如每个400s)计算一次每颗可见卫星对应的对流层水平误差，即在不同的时间段 内可以参照不同的对流层水平误差，提高了对对流层水平误差的实时监管和准确计算，进 而提高了对流层水平误差的准确度。
[0085] 本发明提供的对流层延迟完好性监测方法，通过最大伪距误差计算每颗可见卫星 对应的对流层标准差，再根据上述每颗可见卫星对应的对流层标准差获得每颗可见卫星对 应的对流层水平误差，提高了计算对流层水平误差的准确性;进一步地，本发明还可以通过 每隔一段时间计算一次对流层水平标准差，进而获得对应时间段内的每颗可见卫星对应的 对流层水平误差，实现了对对流层水平误差的实时监管和准确计算，进一步地提高了计算 对流层误差的准确性。
[0086]图5为本发明提供的对流层延迟完好性监测方法实施例四的流程示意图。本实施 例涉及的是通过每隔一段时间分别计算一次参考站的接收通路无故障（即H0故障状态)时 导航系统对应的垂直保护级(Vertical Protect Level，简称VPL)和参考站的接收通路有 故障（即H1故障状态)时导航系统对应的VPL，根据上述计算获得的两个垂直保护级VPL判断 导航系统是否工作正常的具体过程，实现了对导航系统完好性的实时监测。在上述实施例 的基础上，如图5所示，本实施例的方法可以包括：
[0087]步骤 401、根据公式<則=?-挪-潮 神] 考站的接收通路无故障时所述第i颗可见卫星对应的误差源的第一总标准差σ；2_。
[0088]需要说明的是，为了使飞机安全飞行，飞机导航系统必须在定位误差超过某一边 界时，发出报警，称这一边界称为保护等级，其中水平方向的保护等级为水平保护级 (Horizontal Protect Level，简称HPL)，垂直方向的保护水平为垂直保护级（Vertical Protect Level，简称VPL)。即，在GPS定位系统正常工作时，地面增强系统计算出的GPS定位 系统的水平保护等级和垂直保护等级均应该小于对应的警戒保护等级，在飞机精密进场和 着陆的过程中，由于VPL受误差影响较明显，因此通常通过计算VPL来评估GPS定位系统的可 用性。
[0089]其中，在地面增强系统计算VPL时，VPL不仅受到上述的对流层误差、电流层误差和 多径误差的影响，同时还受到参考接收机的工作状态的影响，虽然参考接收机产生故障的 概率较小，但在飞机精密进场与着陆这种特殊的应用条件下还是要考虑参考接收机产生故 障时的情况，因此，在地面增强系统计算VPL时，作如下两个假设:假设一、参考站的接收通 路无故障（即H0故障模式)时的VPL，假设二、参考站的接收通路有故障（即H1故障模式)时的 VPL〇
[0090]具体地，在计算VPL之前首先需要计算误差源的总标准差，该总标准差包括参考站 的接收通路无故障时第i颗可见卫星对应的误差源的第一总标准差和参考站的接收通 路存在故障时的所述误差源的第二总标准差p
[0091] 其中，参考站可以通过公式 <训二σ〗,.-gm/-职+ σ九，丨w + σ?河,]+ σ;".-叫 。。上述误差源包括第i颗可见卫星对应的对流层垂直误差Gtrcipl[1]、第i颗可见卫星对应 的对流层水平误差〇trc)P2[i]、第i颗可见卫星对应的电离层误差〇i_[i]、第i颗可见卫星对应 的多径误差〇pr- air[i]和第i颗可见卫星对应的参考站中接收机的误差〇pr-gnd- x[i]。其中，对流 层垂直误差〇trcipl[1]和对流层水平误差〇trcip2[1]的获取方式可以参照上述实施例的具体描 述，在此不再赘述。另外，第i颗可见卫星对应的电离层误差可以根据公式 〇vig X (Xair+2TVair)计算可得
，Gvig[i]为第i颗可见卫星对应的垂
直电离层梯度;第i颗可见卫星对应的多径误差可以根据公
，第i颗可见卫星对应的可以根据飞机接收机的设 计标准决定，当飞机接收机的设计标准为A时，(<^_丨;| < 0_36m，当飞机接收机的设 计标准为B时，（cri"4l] +<_)%< 0,15m ;接收机的误差〇pr-gnd-x⑴可以从该第i颗可见卫星 的导航电文中获得。至此，可以计算得到参考站的参考接收通路无故障时第i颗可见卫星对 应的误差源的第一总标准差
[0092] 可选的，由上述实施例的描述可知，各误差源在不同时间产生的误差是不相同的， 因此为了提高误差源的第一总标准差的准确性，本发明每隔一段时间（例如每隔400s)计算 一次上述各误差源对应的误差，进而获得对应时间段的误差源的第一总标准差
[0093]
计算所 述参考站的接收通路存在故障时的所述误差源的第二总标准差#m。
[0094] 具体地，在参考站中的处理单元分别计算获得各误差源对应的误差之后，可以根
参考站的接收通路存在 故障时第i颗可见卫星对应的误差源的第二总标准差为地面子系统中参考站的数 量。
[0095] 可选的，由上述可知，各误差源在不同时间产生的误差是不相同的，因此为了提高 误差源的第二总标准差的准确性，本发明每隔一段时间（例如每隔400s)计算一次上述各误 差源对应的误差，进而获得对应时间段的误差源的第二总标准差
[0096]
分别计算所述第一总标准差对 应的垂直保护级和所述第二总标准差对应的垂直保护级，并根据所述第一总标准差对应的 垂直保护级和所述第一总标准差对应的垂直保护级确定最大垂直保护级。
[0097] 具体地，参考站中的处理单元根据
算H0故障状态下的导航系统的垂直保护级VPLApr-HQ，其中Svertj为第i颗可见卫星几何矩阵 的垂直分量，Dv由飞机精密进场的等级决定的，当飞机为二级精密进场时，Dv = 0，当飞机为 三级精密进场时，Dv等于处理单元滤波获得的第30s与第100s对应的位置定位误差的差值， 为上述步骤计算获得的第i颗可见卫星在H0故障状态下的误差源的第一总标准差， Kffmd为参考接收机无故障漏检倍数。同时，
计算H1故障状态下的导航系统的垂直保护级VPLApr-Η?,σ,?Μ为第i颗可见卫星在H1故障状态 下的误差源的第二总标准差。
[0098] 当参考站获得H0故障状态下的导航系统的垂直保护级VPLApr-H0和H1故障状态下的 导航系统的垂直保护级VPL Apr-H1之后，根据公式VPLmax=max [ VALApr-ho，VALApr-H1 ]将两种状态 下保护等级的最大值作为导航系统的最大垂直保护级VPLmax。
[0099] 可选的，由上述可知，由于各误差源对应的误差随时间变换，导致不同时刻的误差 源的总标准差也不相同，使得导航系统的垂直保护级VPL也是随着时间变换的，因此，为了 提高VPL计算的准确性，使得VPL可以准确判断不同时刻的导航系统是否正常工作，本实施 例每隔一段时间计算一次H0故障状态下的VPL Apr-HQ和H1故障状态下的VPLApr-H1，这样就可以 准确判断导航系统在不同的时间段内是否工作正常，提高对导航系统实时监管的准确性。 例如，如上述所示，每隔400s计算一次导航系统的H0故障状态下的VPL Apr-H()和H1故障状态下 的VPLApr-H1，这样可以避免误差随时间变换导致导航系统的垂直保护级不准确的问题，进而 提高对导航系统实时监管的准确性。
[0100]步骤404、判断所述最大垂直保护级是否大于预设的垂直保护级。
[0101] 步骤405、若是，则发出报警信息。
[0102] 具体地，当参考站中的处理单元获得最大垂直保护级VPLmax之后，将导航系统的 VPLmax与地面增强系统中的警戒限VAL进行比较，如果VPL max小于垂直警戒限VAL时，说明此 时导航系统运行正常;如果VPLmax大于等于垂直警戒限VAL时，说明此时导航系统出现故障， 则导航系统报警，并告知用户，此时导航系统不可用，地面增强系统检测导航系统出现的故 障，并及时进行维修，保证导航系统的正常运行。
[0103] 可选的，由于导航系统的垂直保护级VPL在不同时刻对应的值不相同，因此为了提 高对导航系统运行情况的时间准确监管，本发明每隔一段时间（例如每个400s)计算一次导 航系统的VPL max，用于判断导航系统在不同时刻运行是否正常，进而提高了对导航系统的实 施准确监管，增强了导航系统在飞机进场和着陆过程中的可靠性，保证了飞机进场和着陆 过程的安全。
[0104] 本发明提供的对流层延迟完好性监测方法，通过分别计算接收机在有故障和无故 障两种情况下对应的导航系统的垂直保护级VPL，并将上述两个直保护级中的最大值作为 导航系统的最大垂直保护级，当判断该最大垂直保护级大于导航系统的预设垂直保护级 时，地面增强系统进行报警，并及时检测和维修导航系统出现的故障，实现了对导航系统的 实时监管，提高了导航系统运行的完好性和可靠性，进而保证了飞机进场和着陆过程的安 全;进一步地，本发明还可以通过每隔一段时间监控计算一次导航系统的垂直保护级，进而 实时或者周期准确监控导航系统的完好性和可靠性，进一步提高了飞机进场和着陆过程的 安全性。
[0105] 图6为本发明提供的对流层延迟完好性监测装置实施例一的结构示意图，如图6所 示，本实施例的对流层延迟完好性监测装置100可以包括:接收模块101、第一获取模块102、 第一计算模块103、第二获取模块104。其中，
[0106] 上述接收模块101，用于接收多颗卫星的数据信息。
[0107] 上述第一获取模块102,用于根据所述多颗卫星的数据信息获取所有卫星的伪距 误差中的最大伪距误差。
[0108] 上述第一计算模块103,用于根据所述最大伪距误差确定每颗可见卫星的对流层 水平标准差，并根据每颗所述可见卫星的对流层水平标准差计算得到每颗所述可见卫星的 对流层水平误差。
[0109] 上述第二获取模块104,用于根据每颗所述可见卫星的对流层水平误差、每颗所述 可见卫星的对流层垂直误差，获取每颗所述可见卫星的对流层误差。
[0110] 本发明提供的对流层延迟完好性监测装置，可以执行上述方法实施例，其实现原 理和技术效果类似，此处不再赘述。
[0111] 进一步地，上述第一获取模块102，具体用于根据 获取所述多 颗卫星的伪距误差，并根据所述多颗卫星的伪距误差，获取所述最大伪距误差；其中，所述
h为第j颗卫星的伪距误差，所述kB是参考站的配置参数 所述Μ为地面子系统中参考接收机的总数目，所述aQ、所述ai和所述a2为所述参考站中不同 接收机精度指标对应的不同参数，所述θ〇为所述参考站中不同接收机精度指标对应的卫星 高度角参考值，所述为第j颗卫星的高度角。
[0112] 进一步地，上述第一计算模块103，具体用于根据
述第i颗可见卫星的对流层水平标准差Onon-nom-trop，并根据公式〇trQp2[i]=FppliX〇 nQn-nQm-trop X (Xair+2Tvair)获取所述第i颗可见卫星的对流层水平误差Otrc)p2[i];其中，所述y max为所述最 大伪距误差，所述N为所有可见卫星的个数，所述Kff-为所述参考站中不同接收机精度指标 对应的无故障漏检倍数，
，所述Fppl[1]为所述第i颗可见卫 星的方向转换因子，所述I为地球半径，所述h电离层高度，所述hQ为对流层高度，所述xair 为飞机与所述参考站之间的距离，所述τ为滤波时间，所述为所述飞机的水平速度。
[0113] 本发明提供的对流层延迟完好性监测装置，可以用于执行上述所示方法实施例的 技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
[0114] 图7为本发明提供的对流层延迟完好性监测装置实施例二的结构示意图，如图7所 示，在上述实施例的基础上，上述对流层延迟完好性监测装置100还包括第二计算模块105、 第三计算模块106、第四计算模块107和报警模块108。其中，
[0115]上述第二计算模块105，用于根据公式
[0116]
算所述参考站的接收通路无 故障时所述第i颗可见卫星对应的误差源的第一总标准差所述误差源包括所述第i颗 可见卫星对应的对流层垂直误差〇trciPm]、所述第i颗可见卫星对应的对流层水平误差 σ^ρ2[1]、所述第i颗可见卫星对应的电离层误差〇,_[,]、所述第i颗可见卫星对应的多径误 差〇 pr-air[i]和所述第i颗可见卫星对应的所述参考站中接收机的误差〇pr-g nd-x[i]。
[0117] 上述第三计算模块106，用于根据公式
[0118]
算所述参考站的接收通 路存在故障时的所述误差源的第二总标准差;其中，U为上述地面子系统中所有参考站 的数量。
[0119] 上述第四计算模块107
|分别计算所 述第一总标准差对应的垂直保护级和所述第二总标准差对应的垂直保护级，并根据所述第 一总标准差对应的垂直保护级和所述第一总标准差对应的垂直保护级确定最大垂直保护 级;其中SverM为卫星几何矩阵的垂直分量，所述成@为所述第一总标准差或者所述第二总 标准差。
[0120] 上述报警模块108,用于判断所述最大垂直保护级是否大于预设的垂直保护级，若 是，则发出报警信息。
[0121 ]本发明提供的对流层延迟完好性监测装置，可以用于执行上述方法实施例，其实 现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
[0122]最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽 管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依 然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进 行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术 方案的范围。
【主权项】
1. 一种对流层延迟完好性监测方法，其特征在于，包括： 接收多颗卫星的数据信息； 根据所述多颗卫星的数据信息获取所有卫星的伪距误差中的最大伪距误差； 根据所述最大伪距误差确定每颗可见卫星的对流层水平标准差，并根据每颗所述可见 卫星的对流层水平标准差计算得到每颗所述可见卫星的对流层水平误差； 根据每颗所述可见卫星的对流层水平误差、每颗所述可见卫星的对流层垂直误差，获 取每颗所述可见卫星的对流层误差。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多颗卫星的数据信息获取所 有卫星的伪距误差中的最大伪距误差，具体包括： 根据公￥￥取所述多颗卫星的伪距误差；其中，所述h为第j颗卫星的 伪距误差，所述kB是参考站的配置参数，所対所述Μ为地 面子系统中接收机的总数目，所述ao、所述ai和所述&2为所述参考站中不同接收机精度指标 对应的不同参数，所述θ〇为所述参考站中不同接收机精度指标对应的卫星高度角参考值， 所述h为第j颗卫星的高度角； 根据所述多颗卫星的伪距误差，获取所述最大伪距误差。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述最大伪距误差确定每颗所述 可见卫星的对流层水平标准差，并根据每颗所述可见卫星的对流层水平标准差计算得到每 颗所述可见卫星的对流层水平误差，具体包括： 根据公式获取所述第i颗可见卫星的对流层水平标准差 〇"。1^?-*_;其中，所述以_\为所述最大伪距误差，所述~为所有可见卫星的个数，所述1^?1为 所述参考站中不同接收机精度指标对应的无故障漏检倍数；根据公式σ?_2[1]=ΡΡρ1ιΧ 〇non-n〇m-tr〇p X (Xair+2TVair)获取所述第i颗可见卫星的对流层水平误差OtrQp2[i];其中，所述所述FPP1[1]为所述第i颗可见卫星的方向转换因子，所述Re为 地球半径，所述h电离层高度，所述h〇为对流层高度，所述Xalr为飞机与所述参考站之间的距 离，所述τ为滤波时间，所述为所述飞机的水平速度。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 根据公式计算所述参考站的接收通路 无故障时所述第i颗可见卫星对应的误差源的第一总标准差0；^。，所述误差源包括所述第i 颗可见卫星对应的对流层垂直误差〇trciPm]、所述第i颗可见卫星对应的对流层水平误差 σ^ρ2[1]、所述第i颗可见卫星对应的电离层误差〇,_[,]、所述第i颗可见卫星对应的多径误 差〇pr-air[i]和所述第i颗可见卫星对应的所述参考站中接收机的误差〇pr-g nd-x[i]; 根据公式计算所述参考站的接 收通路存在故障时的所述误差源的第二总标准差σ,匕1;其中所述U为所述地面子系统中所 有参考站的数量； 根据公￥;|分别计算所述第一总标准差对应的垂直保护 级和所述第二总标准差对应的垂直保护级，并根据所述第一总标准差对应的垂直保护级和 所述第一总标准差对应的垂直保护级确定最大垂直保护级；其中SverU为卫星几何矩阵的 垂直分量，所述<?为所述第一总标准差或者所述第二总标准差； 判断所述最大垂直保护级是否大于预设的垂直保护级； 若是，则发出报警信息。5. -种对流层延迟完好性监测装置，其特征在于，包括： 接收模块，用于接收多颗卫星的数据信息； 第一获取模块，用于根据所述多颗卫星的数据信息获取所有卫星的伪距误差中的最大 伪距误差； 第一计算模块，用于根据所述最大伪距误差确定每颗可见卫星的对流层水平标准差， 并根据每颗所述可见卫星的对流层水平标准差计算得到每颗所述可见卫星的对流层水平 误差； 第二获取模块，用于根据每颗所述可见卫星的对流层水平误差、每颗所述可见卫星的 对流层垂直误差，获取每颗所述可见卫星的对流层误差。6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一获取模块，具体用于根据公式?取所述多颗卫星的伪距误差，并根据所述多颗卫星的伪距误差，获取所 述最大伪距误差;其中，所述为第j颗卫星的伪距误差，所述kB是参考站的配置参数，所述所述Μ为地面子系统中参考接收机的总数目，所述a〇、所 述&1和所述a2为所述参考站中不同接收机精度指标对应的不同参数，所述θ〇为所述参考站 中不同接收机精度指标对应的卫星高度角参考值，所述h为第j颗卫星的高度角。7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块，具体用于根据公式突取所述第i颗可见卫星的对流层水平标准差〇_-_-_，并根据公式 〇troP2[i] =FPpii X nom-trop X (xair+2Tvair；)获取所述第i颗可见卫星的对流层水平误差 (^。必出其中^斤述^^为所述最大伪距误差^斤述^^为所有可见卫星的个数^斤述心^为所 述参考站中不同接收机精度指标对应的无故障漏检倍数，所述 丄'，所述Fppl[1]为所述第i颗可见卫星的方向转换因子，所述1为 地球半径，所述h为电离层高度，所述ho为对流层高度，所述Xair为飞机与所述参考站之间的 距离，所述τ为滤波时间，所述为所述飞机的水平速度。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 第二计算模块，用于根据公式甿· _ +<邓]+<一^ 述参考站的接收通路无故障时所述第i颗可见卫星对应的误差源的第一总标准差所 述误差源包括所述第i颗可见卫星对应的对流层垂直误差Gtrcipl[1]、所述第i颗可见卫星对应 的对流层水平误差〇 trcip2[1]、所述第i颗可见卫星对应的电离层误差〇1_m、所述第i颗可见 卫星对应的多径误差〇 pr-air[1]和所述第i颗可见卫星对应的所述参考站中接收机的误差 〇pr-gnd_x[i]; 第三计算模块，用于根据公￥计 算所述参考站的接收通路存在故障时的所述误差源的第二总标准差其中所述U为所 述地面子系统中所有参考站的数量； 第四计算模块，用于根据公另ov别计算所述第一总标 准差对应的垂直保护级和所述第二总标准差对应的垂直保护级，并根据所述第一总标准差 对应的垂直保护级和所述第一总标准差对应的垂直保护级确定最大垂直保护级；其中 Smm为卫星几何矩阵的垂直分量，所述为所述第一总标准差或者所述第二总标准差； 报警模块，用于判断所述最大垂直保护级是否大于预设的垂直保护级，若是，则发出报 警信息。
【文档编号】G01S19/20GK105866802SQ201610176414
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】王志鹏, 朱衍波, 辛蒲敏
【申请人】北京航空航天大学