专利名称：卫星导航系统的实时完整性监测设备及方法
卫星导航系统的实时完整性监测设备及方法本发明的领域涉及卫星导航系统，更具体地说，所涉及的技术领域可向使用者提供关于卫星系统发出的误差校正信息的可信性测量。这里《卫星导航系统》可理解为各种指定用于广域导航的系统，比如称为GPS的现 有系统GNSS (全球导航卫星系统)，GL0NASS或未来的GALILEO系统，以及其各种等效系统 和扩展系统。本领域人员都知道卫星导航系统的定位原理。例如，在GPS系统中，由卫星所发射 的射频信号被编码并且利用该信号发送到定位接收机的时间来确定此卫星与该接收机之 间的距离，最好叫作准-距离。为了在精确性、完整性、连续性和可操作性方面改进现有的卫星系统，设计了一些 增补系统。完整的性能特别重要，因为它对于与使用者安全性相关的应用有影响。欧洲的 卫星增强系统EGNOS改善了两种卫星系统GPS和GL0NASS的性能。它向使用者传送了完整 性的消息，这就使得使用者能够评估出其位置坐标方面所具备的信任程度，并因此而最终 也能起作用。EGNOS传送准-距离的校正及其偏差型的精确度，并且进行了改正_与电磁波通过电离层及对流层有关的误差；-与GPS卫星及地球同步卫星有关的误差(慢校正轨道误差和时钟误差)。-快速变化的误差，比如由于《选择可用性SA》所造成的时钟误差(快校正)。作为所计算的准_距离误差数据来说，可引用称为SREW的数据英文是《最差用 户定位的卫星剩余误差》。这些数据表示从服务区的用户最差情况所看到的卫星轨道及时 钟误差。数据UDRE (英文为《User Differential Range Error)))是SREW的主要估算。人 们还可指出电离层误差，英文表示为《Grid Ionospheric Vertical Delay》的GIVD。利用 标网格分割了电离层。对于每个网格点，都传输相关电离层延迟的一个估算。很少有机会 完全在一个网格点上进行测量的用户将要对用户穿过点的四个相邻网格点中的每一个所 提供的值都进行内推法插值。此外，用户将不必垂直看到卫星，但是能很确实地进行倾斜测 量。仅仅与接收机有关的误差源(时钟误差，偏心率，多重行程)是持续的。然后使用 者计算《增强》的位置，也就是借助于准_距离的校正而改正的位置。该位置的精确度是使 其与参考位置相比较而推算出来的。准-距离的校正使得用户能够实时计算其误差传播位 置的精度。例如在民用航空方面，人们可从位置精度推导出保护级别。这些保护水平是些严 格的信赖间隔。这些保护水平不应超过飞行阶段所规定的警戒水平。导航系统的完整性， 可操作性和连续性都是利用位置误差，保护水平及警戒水平估算的。附

图1描述了卫星导航系统的一种结构其包括差动定位系统GNSS和一些增强系 统SBAS (星基增强导航系统)及GBAS (地基增强导航系统)。航空器装载了与增强系统相 关的接收机。EGNOS是一种SBAS型系统，其包括地面基础设施SBAS G和地球同步卫星SBAS S。 地面基础设施包括分布在广大地理区域上的多个接收站，它们接收卫星GNSS的数据并确 定准-距离，还有一个控制与处理中心站1，其利用接收站SBAS G所发送的准-距离来确定按信号SBAS分组的校正及完整性。地球同步卫星使该中心站的信号连通到航空器的接收 机。系统GBAS包括一些地面无线电信标，指定用于应答那些在确定的作用半径范围 内要求很高精度的局部需求。这些无线电信标例如都位于机场(航空站)区域内。系统 GBAS还包括装载在航空器上的接收机。系统GNSS向航空器及地面无线电信标提供信息用 于计算准_距离。地面无线电信标提供准_距离的校正信息和有关各个可看到的卫星GNSS 的差动定位完整性的信息。无线电信标GBAS提供比中心站SBAS更精确的校正。另外，无 线电信标GBAS都处于航空控制服务的授权之下，因此可以根据完整性和所要求的方位精 度而控制这些无线电信标的发射。大家都了解卫星系统的很多非完整性的探测方案而且每个都能提供对于几率 很小的也就是约10_7量级事件的系统完整性的实时指示。作为实例，可列举美国专利US 7089452B2其描述了基于利用矩量技术估计器的卫星系统GPS完整性的估算技术。现有技 术只是能够确定卫星系统保持或未保持验证。这些技术仅仅进行系统完整性级的事后控 制。这种类型方案的主要不利之处在于操作者只能在一旦超过临界阈值时降低系统的作 用。这些技术不能控制卫星导航系统完整性状态的变化以及最终预计的故障状况。大家知道，增强卫星系统能够保持对于发生率很低事件所要求的规范标准。这些 检验都是在进展过程中通过一些较笨拙和令人厌烦的方法进行的。一旦开始操作就再也不 能进行这些检验了。按照现有技术，它们要求进行一些其检测时间几乎达到无限长的测量。 实际上，为了实现完整性容限的测量，传统的推论统计学力求建立对于可进行观察范围的 一种随机变量特性模型。为了得到恰当的统计，必需复原足够的去相关化的数据以便不用 测量冗余信息。据估计，必需进行在每次测量中实施约5分钟周期的采样。然而，既然人们 所力求探测的事件发生率较低，这就导致了要采集对于数千年测量的几十亿个取样。此外，卫星系统都是按10_7完整性水平验证的，这是针对整个卫星系统及特定一 个系统发射信息来说的。现有技术不能针对卫星系统整个寿命周期掌握10_7完整性的测量 并且没有计算每次定位的特定扰动要素。因而本发明的目的就是改进导航系统的监测技术，用于指示出很低几率事件的完 整性以便很好地计算面对严格规定的完整性容限而尤其是用于航空应用方面。更确切地说，本发明是一种计算设备，可提供估算卫星导航系统完整性指示(11) 的方案，其特征在于，包括通过测量由导航系统所计算的数据实时地估算相对于很小几率 定位误差的系统完整性指示(11)的装置，系统相对很低几率定位误差的完整性指示，该装 置包括由定位系统计算的数据的接收装置，定位误差分布模型的估算装置，估算表征该分布模型特性的参数的装置，根据表征该分布模型特性的参数应用极限值理论以模型化几率很小的定位误差 分布的计算装置，对于几率很小的定位误差实时估计完整性指示(11)的装置，以及发送完整性指示(11)的装置。本发明是一种针对卫星导航系统完整性容限(marge d’ integrite)估算问题的解
4决方案，这是对于几率很小的一些事件来说的。该发明提出一种更接近的解决方案其不同 于那些基于推理统计方法的解决方案，因为利用该方法不能提供针对很小几率事件的实时 指示。所说的很小几率事件可理解为是一些方位误差，其出现的几率应该是在150秒周期 内小于10_7。极端事件的分析与传统的推理统计有很大不同，甚至是因为所研究的变量性 质而造成的。实际上，它力求预报《分布尾段》形式的特性状态。极端值的分布是渐近地认 识到的并且利用渐近法的近似值而提升了有效性。利用了观察范围的要素分布，人们能够 实时建立尾段要素分布模型，这属于出现几率很小的范围，而且人们还能够使完整性容限 实现量化。本发明提供了一种实时估算卫星导航系统性能变化的方法。因此它能够预报系 统工作性能的降低并最终可以预计到机能障碍的情况。阅读下面非限制性的说明并参照几个附图可更好地理解本发明并显示出了其它 一些优点，附图中有图1表示一种增强型卫星导航系统结构，其包括两种类型的增强系统，可提供卫 星导航系统完整性的指示例如EGNOS的SBAS型的空间段和GBAS型地面段；图2表示利用准_距离数据作为输入数据确定卫星导航系统完整性信息的原理；图3表示依据卫星导航系统定位计算所观察到的剩余误差的分布，分布的尾段表 示几率很小的剩余误差并且通过对估算的分布模型应用极限值理论来建模。如图1所示，本发明涉及计算设备，可提供有关卫星导航系统的完整性指示。本发 明特别用于增强型的卫星导航系统GBAS型地面计算站，人们尤其在航空站(机场)内可看 到它，而且也能被应用到SBAS型增强系统的控制与处理中心。导航系统完整性计算站包括测量由导航系统计算的定位剩余误差的装置。进行完 整性指示计算的输入数据可来自于-方位域，其利用由保护级别半径区所标定的方位误差；-准-距离域，其利用了由控制与处理中心站所计算的误差校正。图2概括地表示出了确定方位误差值的原理。作为非限制性实例，本发明的完整 性计算站包括卫星系统的差动定位射频信号接收机，这些接收机可确定计算站的算的位 置。计算站还包括一个接收机，校正值3和4提供给该接收机，因此可确定计算站的校准方 位值。计算站还包括含有计算站实际方位值的存储装置，该值是利用测量学技术估算的。因 此计算机可计算出实际方位与计算站计算的方位之间的差。该差值2被称为《容限》并可 以确定导航系统的完整性。定义完整性阈值5，其中该完整性阈值5小于容限2的几率应该 小于10_7。本发明的计算站包括计算装置，其可以估算实时测量的余量分布。由这种分布可 推导出随后被计算装置利用的参数以便采用极限值理论。作为非限制性实例，如图3所 示，所利用的分布模型是一种高斯分布。很明显，本发明并不限于使用这种估计器并且是 在不同的相适合的实施方式情况下，该发明还可使用其它一些估计器。本领域人员都知道 Pickands型估计器，最大似然法或者矩量法。为了实现极限值理论而随后采用的参数与所 用的分布模型有关。本发明还涉及可以估算导航系统的完整性指示的方法，其特征在于，它利用了本 发明的设备以实时实施以下步骤，以便估算导航系统相对于几率应很小的X定位误差的完 整指示
-测量由定位系统所计算的X数据，-计算系统的X定位的计算误差的H分布模型，-确定表征H分布模型特性的参数(a，b，C)，a是可确定分布的最大可能值的参 数，b是表示极值展开的参数，而c是表示分布中极值权重的参数，_利用计算装置根据以如下方式应用于极端值理论的参数(a，b，c)，在概率域内 模型化H(X)分布尾段，
权利要求
一种可提供估算卫星导航系统完整性指示的方法，其特征在于，实时实施以下步骤以便估算该系统相对于应该是几率很小的定位误差(2)的完整性指示 测量由该系统所计算的数据， 计算该系统定位计算误差(2)的H分布模型， 确定表征(H)分布模型特性的参数(a，b，c)，a是确定分布的最大可能值的参数，b是指示极值展开的参数，而c则是指示极值在该分布中权重的参数， 在概率域内，由计算装置根据以如下方式应用极限值理论的参数(a，b，c)模型化所述分布(H)的尾段 实时比较定位误差分布与可提供完整性指示的容差阈值， 实时发送该系统的完整性指示(11)。FPA00001235496000011.tif
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测定相对于参考位置的位置误差以便计 算系统定位计算的误差分布模型。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测定相对于实际距离的准_距离误差 以便计算系统的定位计算的误差分布模型。
4.根据权利要求2和3之一所述的方法，其特征在于，实时测量由导航系统所计算的数 据，使得采样充分地去相关性以便测定不同的信息。
5.根据权利要求1至4中至少一项所述的方法，其特征在于，实时模型化所估算剩余误 差(21)与出现几率很小的容许剩余误差(22)之间的容限。
6.根据权利要求1至5中至少一项所述的方法，其特征在于，模型化出现几率很小的系 统定位计算剩余误差(21)。
7.卫星导航系统的地面计算站，其特征在于，它实施根据权利要求6所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种计算设备，可提供估算卫星导航系统完整性指示(11)的方案，其特征在于，包括通过测量由导航系统所计算的数据实时地估算相对于很小几率定位误差的系统完整性指示(11)的装置，该装置包括由定位系统计算的数据的接收装置，定位误差分布模型(H)的估算装置，估算表征该分布模型(H)特性的参数的装置，根据表征该分布模型特性的参数应用极限值理论以模型化几率很小的定位误差分布的计算装置，对于几率很小的定位误差实时估计完整性指示(11)的装置，以及发送完整性指示(11)的装置。
文档编号G01S1/00GK101971047SQ200980108782
公开日2011年2月9日 申请日期2009年3月10日 优先权日2008年3月11日
发明者J-C·莱维 申请人:塔莱斯公司