CN106896379B - 全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法 - Google Patents

全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法 Download PDF

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Abstract

一种全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其步骤为：S1：通过地面站模拟与在轨卫星具有相同功能的卫星，作为物理虚星，物理虚星与在轨卫星之间的测量与通信链路构成物理星间链路；通过仿真模拟其它未在轨的卫星，作为仿真虚星，仿真虚星之间的测量与通信链路构成虚拟星间链路；S2：将虚拟星间链路和物理星间链路集成，组成整网运行的虚实结合的星间链路网络；S3：利用虚实结合的星间链路网络进行星间组网试验，完成对GNSS星间链路组网功能和性能的验证。本发明具有能够降低系统的建设风险、减少试验成本、达到试验验证效果等优点。

Description

全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法
技术领域
本发明主要涉及卫星导航及其应用领域，特指一种全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法。
背景技术
星间链路(Inter-Satellite Link，ISL)即连接卫星之间的通信与测量链路，主要由无线电发射和接收等设备组成。导航卫星星间链路用于导航卫星之间的双向测距和特定数据交换，能够有效解决GNSS系统布站受限问题，并提高GNSS系统的可靠性、抗毁灭性，从而增强系统的生存能力。全球主要卫星导航系统提供商美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的北斗卫星导航系统都在积极发展星间链路系统，并将其作为卫星导航系统发展的技术制高点。
目前，全球卫星导航地面试验系统主要有YUMA、GNST、GSTB、GATE、GSVF和国内最新提出的卫星导航地面试验验证的平行系统等。但这些地面试验系统主要面向卫星导航系统的导航业务，很少涉及星间链路的验证问题。这使得在全球各大卫星导航系统争相发展星间链路技术的建设阶段，研究星间链路地面试验验证方法及平台具有重大意义。
GNSS星间链路涉及多项关键技术，属于卫星导航系统前沿技术，其理论基础和核心关键技术需要进一步攻关，迭代论证；因此，具备星间链路的GNSS系统建设是一个长周期、高风险、高成本的过程；尤其在建设初期(或在试验星阶段)，卫星数量达不到GNSS卫星组网数量要求，不利于开展星间链路整网模式下关键技术的功能及性能等关键指标试验验证。在星间链路建设部署阶段，开展星间链路地面试验，获取关键试验数据，测试星间链路软硬件平台、验证星间链路关键技术是星间链路建设的重中之重。
为提高试验的覆盖性并达到试验目的，GNSS地面试验系统必须构建一个由空间段、地面段和用户段组成的整网闭环试验环境。由于在试验阶段，地面段和用户段的建设过程也存在滞后性，不能够保证GNSS组网节点数的要求。因此，地面试验系统既需要纳入现有的试验星、地面站和用户资源，同时也需要通过虚拟技术实现对未建设的卫星、地面站和星间链路特殊用户资源的仿真和模拟，构造一个虚实结合的星间链路组网地面试验验证系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够降低系统的建设风险、减少试验成本、达到试验验证效果的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其步骤为：
S1：通过地面站模拟与在轨卫星具有相同功能的卫星，作为物理虚星，物理虚星与在轨卫星之间的测量与通信链路构成物理星间链路；通过仿真模拟其它未在轨的卫星，作为仿真虚星，仿真虚星之间的测量与通信链路构成虚拟星间链路；
S2：将虚拟星间链路和物理星间链路集成，组成整网运行的虚实结合的星间链路网络；
S3：利用虚实结合的星间链路网络进行星间组网试验，完成对GNSS星间链路组网功能和性能的验证。
作为本发明的进一步改进：所述星间组网试验包括组网通信路由策略、工作体制、通信协议、星间双向测量、自主导航、星间/星地联合定轨与时间同步。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S1的具体流程为：
S101：根据实际在轨卫星轨道和地面站布局，计算地面站与在轨卫星的可见性，确定试验时间区间；
S102：根据实际在轨卫星及GNSS星座设计方案生成所有卫星试验时间区间内的轨道和钟差数据；
S103：根据实际在轨卫星与未在轨卫星的可见关系和星间路由策略，建立星间链路建链规划表与路由表；
S104：根据步骤S103形成的星间链路建链规划表与路由表，将与实际在轨卫星建链的未在轨卫星分配给地面站，形成物理虚星网；未与实际在轨卫星建链的卫星自动构成仿真虚星网。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中，将步骤S104形成的物理虚星网和仿真虚星网通过天地一体、软硬协同技术进行集成，形成虚实结合的星间链路网。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S4中，利用步骤S2形成星间链路网，进行星间链路整网通信性能评估、星间/星地双向测量精度分析、卫星自主导航性能评估、星地联合定轨与时间同步精度评估试验，测试星间链路通信与测量功能及性能；最终，综合各次试验结果，对GNSS星间链路关键技术指标进行评估。
作为本发明的进一步改进：所述星间组网试验的具体步骤为：
S10：根据GNSS星间链路所有的组网研制功能需求，对照有限功能形成试验用例，并量化试验用例，得到有限状态集合；
S20：取得Fs集合的子序列，设置GNSS系统初始状态，然后向系统输入；
S30：接收GNSS系统的输出，验证系统的变迁过程以及确认新状态；
S40：按照试验任务指标，测试星间链路功能及性能；
S50：重复步骤S20到步骤S40，试验验证所有的GNSS星间链路功能项，直到所有功能用例都试验完成。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中，先构建链路组网虚实结合地面试验验证系统；其中，试验星、地面站承担的物理虚星以及全球卫星导航系统仿真软件构建的仿真虚星共同构造一个完整的GNSS星座，并与其它地面站和特殊用户构建一个GNSS整网闭环运行环境；还包括：
时间同步设备，用来在开展试验时，保证各GNSS子系统的时间一致；
监控设备和控制中心，采用集中式管理技术实现对整个GNSS系统的控制和监测；
分析和存储设备，用来完成对星间链路试验要素和试验指标的统计分析，并对试验数据以及试验结果进行保存。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中，构建GNSS星间链路仿真测试与分析评估系统，所述GNSS星间链路仿真测试与分析评估系统包括试验任务管理与可视化子系统、网络数据分析与存储子系统、星间链路数学仿真子系统、星间链路网络协议仿真子系统、星间链路网络协议栈子系统、试验卫星数据交互子系统、时间基准与同步子系统这七个子系统。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，能够降低系统的建设风险，减少试验成本，是一种有效的GNSS星间链路组网地面试验验证方法；本发明主要是为解决全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)建设阶段卫星数量达不到整网运行需求时开展星间链路组网功能及性能试验等系列问题，为卫星导航系统阶梯式组网建设提供试验手段。
2、本发明的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，通过实物试验技术与仿真试验技术相结合的方法构建一个整网的运行环境，复现整个GNSS星间链路处理流程，完成对GNSS星间链路组网关键技术的功能及性能的试验验证。
3、本发明的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，在GNSS星间链路论证阶段不仅可以充分测试在轨试验卫星的功能和性能，同时也充分挖掘了系统不全时地面试验的验证能力，能够在试验阶段及时发现星间链路的设计缺陷，为及时改进或优化星间链路方案提供试验依据。
附图说明
图1是本发明方法的总体流程示意图。
图2是GNSS星间链路组网虚实结合试验实现示意图。
图3是本发明在具体应用实例中GNSS星间链路组网虚实结合试验方法的流程示意图。
图4是本发明在具体应用实例中GNSS星间链路组网虚实结合试验实现示意图。
图5是本发明在具体应用实例中GNSS星间链路组网虚实结合地面试验验证系统示意图。
图6是本发明在具体应用实例中GNSS星间链路仿真测试与分析评估软件平台的示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，根据GNSS星间链路建设需求，以少量实际在轨卫星和现有地面站资源为硬件基础，以GNSS星间链路仿真测试与分析评估软件平台为软件基础，实施以下流程：
S1：通过地面站模拟与在轨卫星具有相同功能的卫星，作为物理虚星，物理虚星与在轨卫星之间的测量与通信链路构成物理星间链路；通过数学仿真技术模拟其它未在轨的卫星，作为仿真虚星，仿真虚星之间的测量与通信链路构成虚拟星间链路；
S2：将虚拟星间链路和物理星间链路集成，组成整网运行的虚实结合的星间链路网络；
S3：利用虚实结合的星间链路网络进行星间组网试验，完成对GNSS星间链路组网功能和性能的验证。所述星间组网试验根据实际需要来选择，一般包括组网通信路由策略、工作体制、通信协议、星间双向测量、自主导航、星间/星地联合定轨与时间同步等。
在具体应用实例中，上述步骤S1的具体流程为：
S101：根据实际在轨卫星轨道和地面站布局，计算地面站与在轨卫星的可见性，以确定试验时间区间；
S102：根据实际在轨卫星及GNSS星座设计方案生成所有卫星试验时间区间内的轨道和钟差数据；
S103：根据实际在轨卫星与未在轨卫星的可见关系和星间路由策略，建立星间链路建链规划表与路由表；
S104：根据步骤S103形成的星间链路建链规划表与路由表，将与实际在轨卫星建链的未在轨卫星分配给地面站，形成物理虚星网；未与实际在轨卫星建链的卫星自动构成仿真虚星网。
在具体应用实例中，在上述步骤S2中，将步骤S104形成的物理虚星网和仿真虚星网通过天地一体、软硬协同技术进行集成，形成虚实结合的星间链路网。在上述步骤S3中，利用步骤S2形成星间链路网，进行星间链路整网通信性能评估、星间/星地双向测量精度分析、卫星自主导航性能评估、星地联合定轨与时间同步精度评估等试验，测试星间链路通信与测量功能及性能；最终，综合各次试验结果，对GNSS星间链路关键技术指标进行评估。
如图3所示，为在具体应用实例中基于GNSS星间链路虚实结合试验方法流程图。具体步骤为：
S10：根据GNSS星间链路所有的组网研制功能需求，对照有限功能形成试验用例，并量化试验用例，得到有限状态集合；
S20：取得Fs集合的子序列，设置GNSS系统初始状态，然后向系统输入；
S30：接收GNSS系统的输出，验证系统的变迁过程以及确认新状态；
S40：按照试验任务指标，测试星间链路功能及性能；
S50：重复步骤S20到步骤S40，试验验证所有的GNSS星间链路功能项，直到所有功能用例都试验完成。
上述步骤主要涉及两类试验：一类是星间链路网络传输性能指标试验，另一类是星间链路测量性能指标试验。其中，星间链路网络性能指标试验主要包括丢包率、误帧率、吞吐量，最大传输时延、最小传输时延、平均传输时延、路由跳数等指标的试验；星间链路测量性能指标试验主要包括星间链路双向测量精度、自主导航、星间/星地联合定轨与时间同步等试验。
如图4所示，为在具体应用实例中按照本发明的方法所构建的一个由空间段卫星、地面段、用户段和地面支持设备共同组成的GNSS星间链路组网虚实结合地面试验验证系统。其中，试验星、地面站承担的物理虚星以及全球卫星导航系统仿真软件构建的仿真虚星共同构造一个完整的GNSS星座，并与其它地面站和特殊用户构建一个GNSS整网闭环运行环境。时间同步设备、全球卫星导航系统仿真软件、数据库、监控设备、控制中心、评估与分析设备共同作为地面试验支持设备，保障地面试验的有效开展。其中：
时间同步设备，时间同步是实现TDMA技术的基础，也是整个GNSS系统运行时隙的保障。在开展试验时，时间同步设备保证试验卫星、物理虚星、仿真虚星、地面站和用户等各大GNSS子系统的时间一致。
监控设备和控制中心，监控设备和控制中心采用集中式管理技术实现对整个GNSS系统的控制和监测，包括：(1)实现对试验任务、方案规划与生成和运行模式的切换控制，以完成实际试验的开展；(2)实现对系统运行状态和虚实结合地面试验系统试验运行状态的监测，以配合完成试验结果的分析与评估。
分析和存储设备，完成对星间链路试验要素和试验指标的统计分析，并对试验数据以及试验结果进行保存。
如图5所示，为在具体应用实例中按照本发明的方法所构建的GNSS星间链路仿真测试与分析评估系统，包括试验任务管理与可视化子系统、网络数据分析与存储子系统、星间链路数学仿真子系统、星间链路网络协议仿真子系统、星间链路网络协议栈子系统、试验卫星数据交互子系统、时间基准与同步子系统七个子系统构成。具体功能如下：
星间链路网络业务数据模拟：能够模拟产生由在轨卫星、物理虚星构成的物理星间链路网络内多个星站节点测控、运控、测量等各类业务数据；也可以外部输入的形式，接入实际测控、运控各类业务数据。
星间链路数据交互接入：能够按照星间链路体制网络协议控制在轨卫星与虚拟卫星星间链路业务数据接入与交互。
星座轨道与星间观测数据模拟：能够按指定的星座参数生成全部星座卫星的轨道数据和星钟数据，能够按照链路规划配置信息生成星间链路观测值。
星间链路传输控制与路由仿真：能够动态分析星间链路网络拓扑结构，实时生成星间链路规划配置表、路由表，能够汇聚实际卫星星间链路业务数据和虚拟仿真数据，实现物理星间链路网络的数据传输控制与路由流程。
试验配置和任务规划：支持星间链路试验任务所规定试验项目的试验配置和任务规划；产生特定试验任务的建链规划和路由拓扑。
试验数据交互控制和存储：具有控制在轨卫星和地面站之间的试验数据接收、解析、存储和查询能力；具有根据试验场景模拟整网运行，产生星间网络业务数据、轨道和星间观测数据并进行存储的能力；
试验项目性能评估与分析：支持星间链路关键技术指标进行性能分析和评估；支持对试验数据和模拟数据进行星间链路载荷性能评估、信号质量分析评估、测量通信数据质量评估、链路体制与组网性能评估等。
如图6所示，为在具体应用实例中描述了整个GNSS星间链路组网虚实结合地面试验执行流程。执行流程可分为四步：
S1000：构建GNSS星间链路组网虚实结合地面试验闭环环境，收集各系统及设备的试验状态，根据任务选择最佳试验时段；
S2000：按照试验方法设计虚实结合试验，生成试验方案和试验指令；
S3000：下发试验方案和试验指令，GNSS虚实结合试验系统根据试验方案和试验指令进行执行，并对试验数据进行收集；
S4000：根据试验需求，分析试验结果，统计各项功能和性能结果，并建立跟新GNSS模型库。
通过上述步骤，就可以实现GNSS星间链路关键技术的功能和性能的试验验证。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其特征在于，步骤为：
S1：通过地面站模拟与在轨卫星具有相同功能的卫星，作为物理虚星，物理虚星与在轨卫星之间的测量与通信链路构成物理星间链路；通过仿真模拟其它未在轨的卫星，作为仿真虚星，仿真虚星之间的测量与通信链路构成虚拟星间链路；
S2：将虚拟星间链路和物理星间链路集成，组成整网运行的虚实结合的星间链路网络；
S3：利用虚实结合的星间链路网络进行星间组网试验，完成对GNSS星间链路组网功能和性能的验证；
所述步骤S1的具体流程为：
S101：根据实际在轨卫星轨道和地面站布局，计算地面站与在轨卫星的可见性，确定试验时间区间；
S102：根据实际在轨卫星及GNSS星座设计方案生成所有卫星试验时间区间内的轨道和钟差数据；
S103：根据实际在轨卫星与未在轨卫星的可见关系和星间路由策略，建立星间链路建链规划表与路由表；
S104：根据步骤S103形成的星间链路建链规划表与路由表，将与实际在轨卫星建链的未在轨卫星分配给地面站，形成物理虚星网；未与实际在轨卫星建链的卫星自动构成仿真虚星网。
2.根据权利要求1所述的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其特征在于，所述星间组网试验包括组网通信路由策略、工作体制、通信协议、星间双向测量、自主导航、星间/星地联合定轨与时间同步。
3.根据权利要求1所述的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其特征在于，所述步骤S2中，将步骤S104形成的物理虚星网和仿真虚星网通过天地一体、软硬协同技术进行集成，形成虚实结合的星间链路网。
4.根据权利要求1所述的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其特征在于，所述步骤S3中，利用步骤S2形成星间链路网，进行星间链路整网通信性能评估、星间/星地双向测量精度分析、卫星自主导航性能评估、星地联合定轨与时间同步精度评估试验，测试星间链路通信与测量功能及性能；最终，综合各次试验结果，对GNSS星间链路关键技术指标进行评估。
5.根据权利要求4所述的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其特征在于，所述星间组网试验的具体步骤为：
S10：根据GNSS星间链路所有的组网研制功能需求，对照有限功能形成试验用例，并量化试验用例，得到有限状态集合；
S20：取得由步骤S10中得到的Fs集合的子序列，设置GNSS系统初始状态，然后向系统输入；
S30：接收GNSS系统的输出，验证系统的变迁过程以及确认新状态；
S40：按照试验任务指标，测试星间链路功能及性能；
S50：重复步骤S20到步骤S40，试验验证所有的GNSS星间链路功能项，直到所有功能用例都试验完成。
6.根据权利要求1或2所述的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其特征在于，所述步骤S3中，先构建链路组网虚实结合地面试验验证系统；其中，试验星、地面站承担的物理虚星以及全球卫星导航系统仿真软件构建的仿真虚星共同构造一个完整的GNSS星座，并与其它地面站和特殊用户构建一个GNSS整网闭环运行环境；还包括：
时间同步设备，用来在开展试验时，保证各GNSS子系统的时间一致；
监控设备和控制中心，采用集中式管理技术实现对整个GNSS系统的控制和监测；
分析和存储设备，用来完成对星间链路试验要素和试验指标的统计分析，并对试验数据以及试验结果进行保存。
7.根据权利要求1或2所述的全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其特征在于，所述步骤S3中，构建GNSS星间链路仿真测试与分析评估系统，所述GNSS星间链路仿真测试与分析评估系统包括试验任务管理与可视化子系统、网络数据分析与存储子系统、星间链路数学仿真子系统、星间链路网络协议仿真子系统、星间链路网络协议栈子系统、试验卫星数据交互子系统、时间基准与同步子系统这七个子系统。
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