一种机载定位完好性监测方法及装置

1.本发明涉及航空导航技术领域，特别是涉及一种机载定位完好性监测方法及装置。


背景技术：

2.近年来，中国航天事业进入了新阶段，大量现代化通信产品不断涌入人类的生活，无线定位系统所提供的位置服务在人类日常生活工作中扮演的角色越来越重要。全球卫星导航系统(global navigation satellite system，gnss)凭借极佳的泛用性以及高效率、高精度和实时不间断监测等特性被市场深度接纳。现有gnss方案在大型商场、山区峡谷或城市隧道等复杂环境下会受到干扰：用户可见星数目减少，卫星几何构型变差，导致定位精度下降、完好性风险增大，定位结果的可用性和连续性无法保证。
3.gnss的发展面临诸多挑战，其中定位精度和完好性监测是最亟待解决的问题，由于地面的遮挡容易造成低海拔地区的用户能见度差异较大，几何多样性较差，以及长距离信号传输的误差和延迟，gnss信号的可用性受到很大的限制，制约着gnss的导航性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种机载定位完好性监测方法及装置，能够提高机载定位的精度。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种机载定位完好性监测方法，包括：
7.获取定位信号；所述定位信号包括gnss信号和ldacs信号；所述ldacs信号包括ldacs前向链路信号和ldacs反向链路信号；
8.消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，确定原始定位信号；
9.确定第一伪距观测量和第二伪距观测量；所述第一伪距观测量为根据原始gnss信号确定的卫星和用户之间的伪距观测量；所述第二伪距观测量为根据原始ldacs信号确定的用户和地面站之间的伪距观测量；
10.对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理；
11.根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果。
12.可选的，所述获取定位信号，包括：
13.获取定位信号；
14.对所述定位信号进行下变频处理，得到下变频处理后的定位信号；
15.将所述下变频处理后的定位信号进行模数转换处理，得到数字信号形式的定位信号。
16.可选的，消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，包括：
17.利用改进并行搜索算法对所述定位信号进行捕获处理；
18.在捕获成功后对捕获的定位信号进行跟踪处理，，以消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率。
19.可选的，所述改进并行搜索算法包括：
20.将定位信号确定为第一支路定位信号；
21.将第一支路定位信号与本地扩频码相乘，将乘积在一个周期内进行数据累加处理，确定周期内数据模值的位置为第一位置；
22.将定位信号进行码片偏移，得到第二支路定位信号；
23.将第二支路定位信号与本地扩频码相乘，将乘积在一个周期内进行数据累加处理，确定周期内数据模值的位置为第二位置；
24.判断第一位置和第二位置是否相同，得到第一判断结果：
25.若第一判断结果为是，则判定定位信号捕获成功；
26.若第一判断结果为否，则判定定位信号捕获不成功，更新定位信号，并返回步骤“将定位信号确定为第一支路定位信号”。
27.可选的，对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理，包括：
28.删除接收间隔大于第一接收间隔时对应的第一伪距观测量；
29.删除接收间隔大于第二接收间隔时对应的第二伪距观测量。
30.可选的，所述根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果，包括：
31.判断是否满足gnss定位条件，得到第二判断结果；所述gnss定位条件为存在至少4个剔除处理后的第一伪距观测量；且剔除处理后的第一伪距观测量对应的卫星均不同；
32.若第二判断结果为是，则根据剔除处理后的第一伪距观测量，利用一阶泰勒级数展开法和最小二乘法确定用户位置；
33.若第二判断结果为否，则判断是否满足ldacs定位条件，得到第三判断结果；
34.若第三判断结果为是，则根据剔除处理后的第二伪距观测量，利用伪距定位法确定用户位置；
35.若第三判断结果为否，返回步骤“获取定位信号”。
36.一种机载定位完好性监测装置，包括：依次连接的信号接收单元、基带信号处理单元、数据处理单元、异常信号监测单元和定位解算单元；
37.所述信号接收单元用于获取定位信号；所述定位信号包括gnss信号和ldacs信号；所述ldacs信号包括ldacs前向链路信号和ldacs反向链路信号；
38.所述基带信号处理单元用于消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，确定原始定位信号；
39.所述数据处理单元用于确定第一伪距观测量和第二伪距观测量；所述第一伪距观测量为根据原始gnss信号确定的卫星和用户之间的伪距观测量；所述第二伪距观测量为根据原始ldacs信号确定的用户和地面站之间的伪距观测量；
40.所述异常信号监测单元用于对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理；
41.所述定位解算单元用于根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果。
42.可选的，所述信号接收单元包括：射频前端和卫星天线；
43.所述射频前端与所述卫星天线和所述基带信号处理单元连接；
44.所述卫星天线用于接收所述定位信号；
45.所述射频前端用于对所述定位信号进行变频处理和模数转换处理。
46.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：
47.本发明提供的机载定位完好性监测方法及装置，方法包括：获取定位信号；消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，确定原始定位信号；确定第一伪距观测量和第二伪距观测量；所述第一伪距观测量为根据原始gnss信号确定的卫星和用户之间的伪距观测量；所述第二伪距观测量为根据原始ldacs信号确定的用户和地面站之间的伪距观测量；对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理；根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果。本发明通过异常剔除处理和消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，能够提高机载定位的精度。
附图说明
48.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。
49.图1为本发明实施例1机载定位完好性监测方法流程图；
50.图2为本发明实施例2机载定位完好性监测装置原理图；
51.图3为本发明实施例2中基带信号处理单元工作流程图；
52.图4为本发明实施例2中捕获算法工作流程图；
53.图5为本发明实施例2中跟踪算法工作流程图；
54.图6为本发明实施例2中ldacs地面站定位原理图；
55.图7为本发明实施例2中ldacs a2a辅助定位定位原理图。
具体实施方式
56.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。
57.本发明的目的是提供一种机载定位完好性监测方法及装置，能够提高机载定位的精度。
58.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。
59.由于gnss对欺骗攻击和故意干扰的脆弱性，以及在某些操作环境中性能下降等原因，现在的学者和机构正在寻求一种替代定位导航授时(alternative positioning navigation and timing，apnt)的解决方案，以在gnss无法满足高质量需求的情况下保证
高效安全的服务。目前，美国的下一代航空运输系统(next generation air transportation system，nextgen)以及欧洲的单一天空空中交通管理研究项目(single european sky atm research，sesar)都针对apnt开展研究并提出了一些备选方案，l波段数字航空通信系统(l-band digital aeronautical communications system，ldacs)正是其中一种。
60.ldacs是一种基于蜂窝的未来航空通信系统，旨在取代目前容量和可用安全措施有限的空地通信技术，其为空对地(airto ground，a2g)通信提供了一种数字宽带无线电链路，可实现飞机和地面基础设施之间的连接，支持地面站和机载端之间的数据和语音通信。ldacs工作在960mhz-1164mhz频段，具有点对多点连接的蜂窝结构，地面部分包含多个地面站，每个地面站控制着高达200海里的空域范围内的最多512个机载设备。当带有各自无线电通信单元的飞机飞越该区域时可通过时分多址(time division multiple access，tdma)和正交频分多址(orthogonal frequency division multiple access，ofdma)的全双工无线电链路连接到同一个地面站，机载端通过前向链路接收地面站发射的导航信息，同时通过反向链路向地面站传输导航信息。同时ldacs还支持空空(air-to-air，a2a)通信，接受其他机载端的导航信息。本发明结合ldacs技术，提供了一种一种机载定位完好性监测方法及装置，能够提高机载定位的精度，具体如下：
61.实施例1
62.如图1所示，本实施例提供了一种机载定位完好性监测方法，包括：
63.步骤101：获取定位信号；所述定位信号包括gnss信号和ldacs信号；所述ldacs信号包括ldacs前向链路信号和ldacs反向链路信号；
64.步骤102：消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，确定原始定位信号；
65.步骤103：确定第一伪距观测量和第二伪距观测量；所述第一伪距观测量为根据原始gnss信号确定的卫星和用户之间的伪距观测量；所述第二伪距观测量为根据原始ldacs信号确定的用户和地面站之间的伪距观测量；
66.步骤104：对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理；
67.步骤105：根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果。
68.所述获取定位信号，包括：获取定位信号；对所述定位信号进行下变频处理，得到下变频处理后的定位信号；将所述下变频处理后的定位信号进行模数转换处理，得到数字信号形式的定位信号。
69.具体的，测量和异常消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，包括：利用改进并行搜索算法对所述定位信号进行捕获处理；在捕获成功后对捕获的定位信号进行跟踪处理，，以消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率。
70.其中，所述改进并行搜索算法包括：将定位信号确定为第一支路定位信号；将第一支路定位信号与本地扩频码相乘，将乘积在一个周期内进行数据累加处理，确定周期内数据模值的位置为第一位置；将定位信号进行码片偏移，得到第二支路定位信号；将第二支路定位信号与本地扩频码相乘，将乘积在一个周期内进行数据累加处理，确定周期内数据模值的位置为第二位置判断第一位置和第二位置是否相同，得到第一判断结果：若第一判断
结果为是，则判定定位信号捕获成功；若第一判断结果为否，则判定定位信号捕获不成功，更新定位信号，并返回步骤“将定位信号确定为第一支路定位信号”。
71.所述对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理，包括：删除接收间隔大于第一接收间隔时对应的第一伪距观测量；删除接收间隔大于第二接收间隔时对应的第二伪距观测量。
72.所述根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果，包括：判断是否满足gnss定位条件，得到第二判断结果；所述gnss定位条件为存在至少4个剔除处理后的第一伪距观测量；且剔除处理后的第一伪距观测量对应的卫星均不同；若第二判断结果为是，则根据剔除处理后的第一伪距观测量，利用一阶泰勒级数展开法和最小二乘法确定用户位置；若第二判断结果为否，则判断是否满足ldacs定位条件，得到第三判断结果；若第三判断结果为是，则根据剔除处理后的第二伪距观测量，利用伪距定位法确定用户位置；若第三判断结果为否，返回步骤“获取定位信号”。
73.实施例2
74.本实施例提供了一种机载定位完好性监测装置，包括：依次连接的信号接收单元、基带信号处理单元、数据处理单元、异常信号监测单元和定位解算单元；所述信号接收单元用于获取定位信号；所述定位信号包括gnss信号和ldacs信号；所述ldacs信号包括ldacs前向链路信号和ldacs反向链路信号；所述基带信号处理单元用于消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，确定原始定位信号；所述数据处理单元用于确定第一伪距观测量和第二伪距观测量；所述第一伪距观测量为根据原始gnss信号确定的卫星和用户之间的伪距观测量；所述第二伪距观测量为根据原始ldacs信号确定的用户和地面站之间的伪距观测量；所述异常信号监测单元用于对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理；所述定位解算单元用于根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果。其中，所述信号接收单元包括：射频前端和卫星天线；所述射频前端与所述卫星天线和所述基带信号处理单元连接；所述卫星天线用于接收所述定位信号；所述射频前端用于对所述定位信号进行变频处理和模数转换处理。下面，对本实施例作具体说明：
75.1.信号接收单元：
76.信号接收单元由射频前端和测量型卫星天线组成。接收机通过射频前端接收地面端或者机载端传输的信号，并将接收到的信号下变频至中频，产生i、q两路中频模拟信号，然后通过a/d转化器完成数模转换和数字下变频输出i、q中频数字信号。
77.测量型卫星天线包括天线阵列和电源板等模块。其中，天线阵列将单极天线与贴片天线相结合，包括1个b1零相位阵元、1个b3零相位阵元，射频/rdss基带板包括b1/b3滤波放大电路。b1/b3滤波放大电路部分由接收机板5v馈电供电，以实现高精度测量控制。
78.2.基带信号处理单元：
79.基带信号处理单元是导航接收机的核心部分，该模块主要是为了尽量消除在传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，使得在接收端能够准确的恢复出原始信号。由于导航接收机与卫星之间存在相对运动，从而产生多普勒频移和码相位偏移，接收到的信号的载波频率和码相位与所发射的信号不一致，导致无法精确定位，因此需要对接收到的信
号进行一些相关处理来消除由于运动而造成的影响，即载波频率与码相位的捕获和跟踪。捕获与跟踪相辅相成，通过不断调整本地伪码序列的初始相位，使其与接收到的号航信号的码相位误差在0.5个码片范围内，则捕获成功，捕获模块停止工作跳转至跟踪模块，否则继续捕获。同时还要观察跟踪模块，若跟踪模块失锁则从跟踪模块再跳转至捕获模块重新进行捕获，如此周而复始的进行工作。基于高精度定位需求，本发明适当的增加捕获信号的累加数据长度，采用相关累积和非相关累积相结合的方法对gps信号进行跟踪。
80.2.1搜索
81.在实际生活当中，由于卫星与接收机之间的相对运动而引起载频和ca码上的多普勒频率对于卫星导航信号的捕获和跟踪来说是至关重要的。通常由接收机和卫星之间的相对运动而产生的多普勒频率的范围为5khz，因此在捕获过程中只需以载波频率为中心的5khz频率范围内对接收到的导航信号进行频率搜索，而对于码相位的搜索范围则是导航信号伪码序列的一个码周期即2046个码片。
82.2.2捕获
83.一旦搜索到信号，则捕获模块就会在正确的码相位和载波频率处产生一个波峰，为了判断该峰值是否代表真实的信号，必须设置一个门限值。如果波峰大于该门限值，则就是所需要的信号，否则就不是。现有的时域串行搜索捕获算法实现相对简单，但其捕获时间比较长，基于快速傅里叶变换((fast fourier transform，fft)的频域并行搜索捕获算法计算量大，硬件资源消耗大，因而本发明通过改进的并行搜索算法捕获信号，减少搜索次数和计算量的同时提高捕获精度。
84.本发明将接收到的导航信号分为0支路(接收到的原始信号)和0.5支路(将接收到的信号进行0.5码片的偏移)，两个支路信号分别与本地扩频码(ca码)相乘并累加数据，再将其延时一个周期即2046个点，统计两周期数据模值所在位置是否相同，若相同则捕获成功转接跟踪环节；若不相同则重新捕获直到捕获成功。
85.为方便讨论，只考虑接收到的信号，不考虑噪声及其他干扰，假设进入捕获模块进行捕获的输入信号：
[0086][0087]
其中i'表示时延，c(i)表示第i个码片，fd表示多普勒频率，tc表示码元宽度；φ表示初始相位。
[0088]
相关器累加输出的结果：
[0089][0090]
其中p表示匹配滤波器的长度；n为正整数。
[0091]
对其进行r点的fft：
[0092][0093]
n为数据个数，r为r点的fft变换，r为相关器累加输出结果。
[0094]
最后对其进行n点的延时相乘取均值：
[0095][0096]
其中，这是一个参数，ωd为角频率，fd为频率。
[0097]
改进型的并行搜索捕获算法对接收信号进行存储偏移，而本地c/a码保持不动，且不需要设置阈值门限，只需要记录每帧所在的位置，减少ifft计算大大缩短捕获时间，提高捕获效率和精度。
[0098]
2.3跟踪
[0099]
在确定了接收信号粗略估计的频率和码相位值后，对该信号进行跟踪处理。信号跟踪是为了找出导航数据的相位转换，得到较为准确的多普勒频率和码相位值。跟踪分为载波跟踪和码跟踪：载波跟踪是为了保证本地载波频率能够和有多普勒频移的gnss信号的频率保持一致，以便能够分离载波，得到精确的扩频码，同时也是为了让接收信号能够下变频到基带信号；码跟踪的目的是为了分离扩频码中的伪码，从而得到导航电文。
[0100]
由于鉴频器存在跟踪上限，若残留的频偏太大，超过了锁频环跟踪的极限，那么锁频环将无法工作，因此本发明在码片对齐以后，可以在不获取完整扩频增益的情况下，在一个码周期内部分增益，并获得较大范围的频偏。
[0101]
假设接收到的信号去除本地码以后的信号为：
[0102]
d(n)＝x(n)*c(n)
ꢀꢀ
(5)
[0103]
其中，x(n)为捕获信号，c(n)为本地载波信号。
[0104]
要想扩大频偏估计范围，要降低d(n)以及与之相关的后续数据的距离，即进行截断相关。本发明将累加长度缩减为1/4个码周期，因而跟踪范围扩大4倍，将一个完整的扩频码进行分段处理后可以得到多个频率，再将这些频率进行均值处理得到一个频点，作为对下一帧数据的补偿频率。
[0105]
扩展的频率跟踪范围可以表示为：
[0106][0107]
其中m为选用的多进制数字相位调制(multiple phase shift keying，mpsk)的进制数。
[0108]
多普勒频率经过锁频环进行跟踪补偿后仍残留有较小的频偏，使得解调时无法得到正确的导航信号，因而需要进一步的锁定补偿，即通过锁相环(pll)进行跟踪补偿。
[0109]
传统的软件接收机跟踪环路中，各个通道对卫星信号的跟踪是相互独立的，不同跟踪通道分别复制相应卫星的扩频伪码与调制载波信号，利用环路输出的观测向量及解调出的星历参数进行导航解算，但不同卫星到同一用户的几何位置关系决定了接收机基准振荡频率漂移在各个不同信号通道中会引入相同的频率干扰，动态应力作用在不同通道之间也是共同的。因此，将不同通道信号的跟踪与导航解算通过一个卡尔曼滤波器联系在一起，使得滤波器利用各个通道输出的信号参量结果直接对接收机的状态参量进行估计，再利用校正后的状态结果直接控制各通道nco生成下一周期本地复制信号，实现对多个通道卫星信号的联合跟踪，降低环路的噪声带宽，提高环路对更高用户动态应力的容忍能力，获得更好的信号跟踪性能，同时减少各个跟踪环路中的相关积分运算次数，大大缩短跟踪时间。
[0110]
在接收机信号处理过程中，k时刻信号发射时刻估计值与跟踪环路中本地复制伪
码信号相位关系可以表示为:
[0111][0112]
其中t
s，k
为信号发射时间，t
u，k
为接收机对当前信号跟踪的时间，c为光速，xr为接收机k时刻所在位置的真实值，而xs为信号发射所在位置，
[0113]
根据多普勒信号的生成原理，可得k时刻接收信号的真实多普勒频移表示形式为：
[0114][0115]
其中v
r，k
是为信号发射速度，v
s，k
为接收机对当前信号跟踪的速度，f1为信号频率，t表示转置。
[0116]
本地复制信号的估计多普勒频移表示形式为：
[0117][0118]
其中，为估计的信号发射速度，为估计的接收机位置，δf
u，k
为k时刻接收机频率。
[0119]
矢量跟踪环路复制信号具体控制方式fk为：
[0120][0121]
其中，为多普勒频移导致的速度的真实值与估计值之差，为信号发射速度的真实值与估计值之差。
[0122]
3.数据处理单元
[0123]
数据处理单元用于计算gnss信号所得卫星和用户之间的伪距观测量或者ldacs信号所得用户和地面站之间的伪距观测量，输入为基带信号处理单元输出的gnss信号伪码或者ldacs信号伪码。
[0124]
接收到的信号通过捕获和跟踪后还需经过位同步和帧同步才能获得导航信息，位同步的目的是找到导航数据比特的相位边沿以实现将接收信号按照一比特接着一比特划分开来。而帧同步的目的则是找到导航电文的子帧边沿以实现每30个数据比特被划分成一个个有意义的字，从而从字中解译出所需的导航电文参数。
[0125]
对于gnss信号，基带处理单元输出gnss观测值的伪码，通过数据处理单元的位同步解算导航电文，通过帧同步得到星历信息解算卫星三维位置，从而得到卫星和用户之间的伪距观测量并输入异常信号监测单元；对于ldacs信号，基带信号处理单元输出ldacs观测值的伪码，通过数据处理单元的位同步解算导航电文，通过帧同步得到伪距观测量、其他用户位置等a2a信息，并将得到的用户和地面站之间的伪距观测量输入异常信号监测单元；由于接收机和卫星时钟不同步，加上测量时会有电离层误差、对流层误差及其它测距误差，实际测量的卫星和接收机之间(或接收机与接收机之间)的距离值并不是真正的距离，因而叫做伪距。伪距的观测方程如下：
[0126]
ρ＝r+cδ
t
+ci+ct+ε
p
(11)
[0127]
其中，ρ是伪距，r是接收机和卫星的实际距离，c是光速，δ
t
是钟差，其中包含了接收机常规钟差项、时钟延迟、坐标点接收机天线相位中心的信号传播延迟以及未建模误差的钟差噪声项，i是电离层延时，t是对流层延时，ε
p
是噪声。
[0128]
对于gnss信号，不考虑噪声项，等式(11)中等号右边对流层延迟、实际距离和钟差项均为常数，可通过接收同一时刻同一颗卫星的l1和l2信号上的伪距测量值并进行线性组合计算电离层延时来矫正伪距。
[0129][0130]
其中，ρ
gnss
为校正后的gnss信号所得卫星和用户之间的伪距观测量，ρ1为载波l1信号上的伪距观测量，ρ2为载波l2信号上的伪距观测量，f1为载波l1的频率，f1＝1575.42mhz，f2为载波l2的频率。
[0131]
对于ldacs信号，不考虑噪声项，基于ldacs机载端的数据的轨道星历为常数，不需要考虑对流层对信号造成的延时，可通过接收同一机载端和地面站测距源正向链路和反向链路上的伪距测量值进行线性组合计算电离层延时来矫正伪距。
[0132][0133]
其中，ρ
ldacs
为校正后的ldacs信号所得用户和地面站之间的伪距观测量，ρf为地面站测距源通过正向链路传输给机载端的伪距观测量，ρr为机载端通过反向链路传输给地面站的伪距观测量，ff为正向链路的频率，fr为反向链路的频率。
[0134]
4.异常信号监测单元
[0135]
异常信号监测单元根据数据处理单元输出的gnss信号所得卫星和用户之间的伪距观测量或者ldacs信号所得用户和地面站之间的伪距观测量判断信号接收是否正常、伪距值是否合理。如果超过10分钟无法接收到某一卫星数据，则该卫星数据接收异常，发出异常警告信号并对异常卫星采取剔除处理。之后对数据接收正常的卫星信号，进行合理性判断，设定一定时间间隔，将这段时间间隔内所有历元的伪距或机载端相对位置的差值平均处理作为判断合理性的参考值。若某一历元的差值与参考值的差异超出预定门限值，则判断为异常，发出异常警告信号并对异常卫星采取剔除处理，停止使用该卫星进行定位。合理性判断计算公式如下：
[0136][0137]
其中，为伪距的均值，ρ(i)为i时刻的伪距，ρ(i-1)为i-1时刻的伪距。
[0138]
对于理想信号，先后两个历元的差值和载波相位差值应相等，但由于受到多径等因素的影响，会造成其结果不一致，故本发明将前后历元中伪距差值的最大差值设置为伪距合理性的门限值t，即：
[0139][0140]
其中，n为正整数。
[0141]
则某一时刻m的合理性监测公式如下：
[0142][0143]
其中，ρ(m)为m历元的伪距，ρ(m-1)为m-1历元的伪距。
[0144]
判断当前历元m是否满足上述公式，如满足则该历元符合合理性，可利用该历元进行定位解算，否则该历元不符合伪距合理性，不可利用该历元进行定位解算，剔除不合理的值。
[0145]
5.定位解算单元
[0146]
定位解算单元接收异常信号监测单元输入的正确的伪距值进行定位解算，并根据正常的伪距值数量将定位解算分为伪距定位法和ldacs信号辅助定位法输入为软件接收机异常信号监测单元输出的正确的观测量数据，输出为精确的定位结果。
[0147]
ldacs通信系统受到现代地面移动通信网络的启发，许多方面的功能可通过类似的方法实现。如果ldacs机载端接收机移动接收器能够接收到足够数量的地面站信号源，利用三边测量或多边测量则能够确定其位置。在巡航高度，飞机通常会在其无线电视界内接收到多个地面站通过前向链路在不同频率上同步传输的数据，因此飞机可以对所有可见的地面站进行独立的距离测量。可以利用类似卫星定位的原理对ldacs机载端进行定位，基于到达时间测距原理进行测距定位，因此在定位算法上可与gnss信号一样利用伪距定位法定位。当存在4个不同的gnss信号所得卫星和用户之间的伪距观测量或者ldacs信号所得用户和地面站之间的伪距观测量时，利用伪距定位法解算用户位置，当存在3个ldacs信号，利用ldacs a2a信息辅助定位，否则不可定位。
[0148]
5.1伪距定位法
[0149]
当存在4个不同的正确卫星伪距值时，通过伪距定位法进行定位解算，根据式(11)可将第n颗卫星测量得的实际距离可以表示成
[0150][0151]
其中，r为真实距离，ρn为第n颗卫星的伪距，xn为第n颗卫星的x坐标，为地面站x坐标；为第n颗卫星的y坐标；为地面站y坐标；an为第n颗卫星的z坐标；为地面站z坐标，δ
t
为卫星接收机时钟差；ε
p
为对流层和电离层总延迟。
[0152]
此方程中有四个未知数，至少需四个地面站数据。从上式可以看出，伪距观测方程为非线性方程，使用最小二乘法进行位置解算之前需要将伪距方程线性化，因此本发明选择运用一阶泰勒级数展开的方法进行定位解算。
[0153]
伪距方程进行一阶泰勒级数展开为：
[0154][0155][0156][0157]
[0158][0159]
δ
t
为高阶项。通过泰勒一阶展开计算得到的解是一种近似解，具有一定的线性范围，需通过一定次数的迭代计算来不断逼近真实值。
[0160]
常采用几何精度因子(gdop)来评定定位精度，其代表测距误差造成的接收机与空间卫星间的距离矢量放大因子，gdop越小表明定位精度越高。gdop基于卫星状态矩阵通过方向余弦法来计算，假设α、β、γ分别为飞机与x、y、z轴间的夹角，则第一状态矩阵q、第二状态矩阵dop和第三状态矩阵gdop为：
[0161][0162][0163]
矩阵中每个元素下标代表矩阵中的位置。
[0164][0165]
计算测距源位置的协方差矩阵σ为：
[0166]
σ＝(q
t
wq)-1
(26)
[0167]
其中，w是权重矩阵，反映了测距源误差的不确定度。
[0168]
定位误差可建模为：
[0169][0170]
其中为测距误差相关模型，表示接收机处信号跟踪所导致的测量噪声。
[0171]
由最小二乘法得到使得测距误差平方和最小的位置估计
[0172][0173]
其中，x表示由最小二乘法得到的x坐标。
[0174]
测距残差矢量表示为：
[0175][0176]
其在无故障条件下，残差向量的加权范数服从自由度为n-2的中心χ2分布(n为可视卫星总数)。
[0177]
此时测距精度高具有准确的位置估计值及其协方差矩阵的模型，其位置估计可以建模为：
[0178]
[0179]
其中为用户的位置估计值，由协方差矩阵σ通过公式(26)建模而得；为用户位置估计模型误差。y表示真实的位置；表示估计的位置。
[0180]
5.2ldacs a2a辅助定位法
[0181]
当地面站测距源被遮挡的情况较为严重时，机载端接收到的地面站测距源数量少于4个，无法利用伪距定位法解算用户位置，则利用ldacs a2a辅助定位法解算用户位置。
[0182]
假设已知的范围误差分布建模为零均值高斯，测距范围可建模为标准偏差为的无偏估计：
[0183][0184]
基于此，低空飞行情况下根据高空测距源进行测距的位置估计可以建模为：
[0185][0186]
其中为用户的位置估计值，由协方差矩阵σ通过公式(1)建模而得；σ为用户位置估计模型的协方差矩阵。
[0187]
由于地面站测距源被遮挡的情况较为严重，其几何形状使定位难以实现，故本发明提出混合定位算法来获得最佳定位精度。本发明使用bancroft的直接位置计算方法计算粗略位置，然后运用高斯-牛顿迭代算法迭代收敛至精确位置解，本算法的具体流程如下：
[0188]
首先，创建测距源位置和伪距的初始矩阵x和yn：
[0189][0190][0191]
其中sn为第n个测距源的三维坐标，ρn为第n个测距源的伪距。
[0192]
接下来，定义矩阵a、b和c创建一元二次方程方程组：
[0193][0194][0195][0196]
aλ2+2bλ+c＝0
ꢀꢀꢀ
(38)
[0197]
通过迭代方程(38)，所得的两个解λ1和λ2即为最终的定位解。
[0198]
本实施例定义参数q
i,k
来描述第k次定位估计时i号飞机的定位置信度，其取值范围是(0,1]。当接收到地面端信号时，修正当前的定位估计，并令q
i,k
＝1表示当前定位可信；当地面端信号时，令q
i,k
＝0.95，表示定位置信度随所处环境变化而逐渐缩小。
[0199][0200]
其中，表示第k次定位时由(38)解算出的结果，||*||为运算符。
[0201]
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。对于实施例公开的系统而言，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。
[0202]
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。

技术特征：
1.一种机载定位完好性监测方法，其特征在于，包括：获取定位信号；所述定位信号包括gnss信号和ldacs信号；所述ldacs信号包括ldacs前向链路信号和ldacs反向链路信号；消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，确定原始定位信号；确定第一伪距观测量和第二伪距观测量；所述第一伪距观测量为根据原始gnss信号确定的卫星和用户之间的伪距观测量；所述第二伪距观测量为根据原始ldacs信号确定的用户和地面站之间的伪距观测量；对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理；根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果。2.根据权利要求1所述的一种机载定位完好性监测方法，其特征在于，所述获取定位信号，包括：获取定位信号；对所述定位信号进行下变频处理，得到下变频处理后的定位信号；将所述下变频处理后的定位信号进行模数转换处理，得到数字信号形式的定位信号。3.根据权利要求1所述的一种机载定位完好性监测方法，其特征在于，消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，包括：利用改进并行搜索算法对所述定位信号进行捕获处理；在捕获成功后对捕获的定位信号进行跟踪处理，，以消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率。4.根据权利要求1所述的一种机载定位完好性监测方法，其特征在于，所述改进并行搜索算法包括：将定位信号确定为第一支路定位信号；将第一支路定位信号与本地扩频码相乘，将乘积在一个周期内进行数据累加处理，确定周期内数据模值的位置为第一位置；将定位信号进行码片偏移，得到第二支路定位信号；将第二支路定位信号与本地扩频码相乘，将乘积在一个周期内进行数据累加处理，确定周期内数据模值的位置为第二位置；判断第一位置和第二位置是否相同，得到第一判断结果：若第一判断结果为是，则判定定位信号捕获成功；若第一判断结果为否，则判定定位信号捕获不成功，更新定位信号，并返回步骤“将定位信号确定为第一支路定位信号”。5.根据权利要求1所述的一种机载定位完好性监测方法，其特征在于，对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理，包括：删除接收间隔大于第一接收间隔时对应的第一伪距观测量；删除接收间隔大于第二接收间隔时对应的第二伪距观测量。6.根据权利要求1所述的一种机载定位完好性监测方法，其特征在于，所述根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果，包括：
判断是否满足gnss定位条件，得到第二判断结果；所述gnss定位条件为存在至少4个剔除处理后的第一伪距观测量；且剔除处理后的第一伪距观测量对应的卫星均不同；若第二判断结果为是，则根据剔除处理后的第一伪距观测量，利用一阶泰勒级数展开法和最小二乘法确定用户位置；若第二判断结果为否，则判断是否满足ldacs定位条件，得到第三判断结果；若第三判断结果为是，则根据剔除处理后的第二伪距观测量，利用伪距定位法确定用户位置；若第三判断结果为否，返回步骤“获取定位信号”。7.一种机载定位完好性监测装置，其特征在于，包括：依次连接的信号接收单元、基带信号处理单元、数据处理单元、异常信号监测单元和定位解算单元；所述信号接收单元用于获取定位信号；所述定位信号包括gnss信号和ldacs信号；所述ldacs信号包括ldacs前向链路信号和ldacs反向链路信号；所述基带信号处理单元用于消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，确定原始定位信号；所述数据处理单元用于确定第一伪距观测量和第二伪距观测量；所述第一伪距观测量为根据原始gnss信号确定的卫星和用户之间的伪距观测量；所述第二伪距观测量为根据原始ldacs信号确定的用户和地面站之间的伪距观测量；所述异常信号监测单元用于对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理；所述定位解算单元用于根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果。8.根据权利要求7所述的一种机载定位完好性监测装置，其特征在于，所述信号接收单元包括：射频前端和卫星天线；所述射频前端与所述卫星天线和所述基带信号处理单元连接；所述卫星天线用于接收所述定位信号；所述射频前端用于对所述定位信号进行变频处理和模数转换处理。

技术总结
本发明提供了一种机载定位完好性监测方法及装置，方法包括：获取定位信号；消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，确定原始定位信号；确定第一伪距观测量和第二伪距观测量；所述第一伪距观测量为根据原始GNSS信号确定的卫星和用户之间的伪距观测量；所述第二伪距观测量为根据原始LDACS信号确定的用户和地面站之间的伪距观测量；对所述第一伪距观测量和所述第二伪距观测量进行异常剔除处理；根据异常剔除处理后的第一伪距观测量和异常剔除处理后的第二伪距观测量进行定位解算，确定用户的定位结果。本发明通过异常剔除处理和消除定位信号传输过程中产生的码相位偏移和多普勒频率，能够提高机载定位的精度。度。度。


技术研发人员：王志鹏 郭凯 方堃 常晓佳 王洪文 周嘉旗
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.02.03
技术公布日：2023/8/5