CN106940446A

CN106940446A - 一种卫星导航系统可用性评估方法及装置

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Publication number: CN106940446A
Application number: CN201710154849.8A
Authority: CN
Inventors: 赵广燕; 关孝蒙; 孙宇锋; 胡薇薇; 李丹
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2017-07-11
Anticipated expiration: 2037-03-15
Also published as: CN106940446B

Abstract

本发明提供了一种卫星导航系统可用性评估方法及装置，包括：建立模拟卫星导航系统的仿真模型，获取所述仿真模型的初始数据；根据所述仿真模型和所述初始数据模拟所述卫星导航系统的运行状态；获取所述卫星导航系统在运行状态下的运行数据；根据所述运行数据采用可用度评估公式进行可用度的评估。本发明的技术方案采用卫星导航系统在运行状态下的运行数据，实时预测卫星导航系统星座的可用性，实现提高卫星导航系统可用性的精度以及对可用性进行实时评估，具有简单、便利的优点，可用于工程使用和推广。

Description

一种卫星导航系统可用性评估方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种卫星导航系统可用性评估方法及装置。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)是为用户提供位置、速度和时间信息的天基无线电导航定位系统。作为国家信息体系建设的重要基础设施，对国家安全、国民经济发展以及国防现代化建设等各个领域具有重大影响。近年来，导航技术及其应用迅猛发展，已经成为信息技术领域的支柱产业。卫星技术对信息革命产生了巨大推动，在军事侦察、通信广播、遥感、导航、定位、授时、地球资源、气象、测绘和环境监测等方面有着出色的表现。因此，导航系统的建设与应用受到世界各国的广泛关注。

卫星导航系统的空间结构复杂，由分布于地球不同地点的设备以及按照规定位置在空间运行的卫星协调工作，完成不同领域、不同需求的任务，卫星导航系统内部存在着复杂的功能故障关系。卫星导航系统中任何一颗卫星的失效都可以导致其无法提供正常的导航服务，进而影响卫星导航系统的可用性。目前评估卫星导航系统的可用性依赖于卫星导航系统的星座构型设计、分阶段部署和备份策略选择，在卫星导航系统的星座设计阶段完成，即卫星导航系统的固有可用性。因此，这种评估卫星导航系统的可用性方式存在不准确、不全面的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种卫星导航系统可用性评估方法及装置，采用卫星导航系统在运行状态下的运行数据，实时预测卫星导航系统星座的可用性，实现提高卫星导航系统可用性的精度以及对可用性进行实时评估，具有简单、便利的优点，可用于工程使用和推广。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种卫星导航系统可用性评估方法，包括：

建立模拟卫星导航系统的仿真模型，获取所述仿真模型的初始数据；

根据所述仿真模型和所述初始数据模拟所述卫星导航系统的运行状态；

获取所述卫星导航系统在运行状态下的运行数据；

根据所述运行数据采用可用度评估公式进行可用度的评估。

进一步的，所述卫星导航系统的仿真模型包括：结构模型、状态模型、任务需求模型、轨位中断模型、维修模型和保障模型；

所述结构模型中存储有：卫星导航系统单元信息表和卫星导航系统单元层次结构信息表；

所述状态模型包括：非静止轨道卫星子模型、静止轨道卫星状态子模型和地面站状态子模型；

所述非静止轨道卫星子模型中存储有：非静止轨道卫星初始状态信息表；所述静止轨道卫星状态子模型中存储有：静止轨道卫星状态信息表；所述地面站状态子模型中存储有：地面站位置数据信息表；

所述任务需求模型中存储有：任务需求信息表；

所述轨位中断模型包括：轨位计划性中断子模型和轨位非计划性中断子模型；

所述轨位计划性中断子模型中存储有：计划性中断信息表；所述轨位非计划性中断子模型中存储有：非计划性中断信息表；

所述维修模型中存储有：预防性维修信息表、修复性维修信息表和维修资源需求信息表；

所述保障模型包括：空间段保障子模型和地面段保障子模型；

所述空间段保障子模型中存储有：空间段保障信息表；所述地面段保障子模型中存储有：地面段保障信息表和地面保障资源信息表。

进一步的，所述非静止轨道卫星子模型的轨道参数包括：轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、右升节点经度、近地点幅角和真近角点。

进一步的，所述根据运行数据采用可用度评估公式进行可用度的评估，包括：分别对卫星导航系统的单点可用性、卫星导航系统的服务区可用性、卫星导航系统的星座可用性和卫星导航系统的移动目标可用性进行评估。

进一步的，所述卫星导航系统的单点可用性采用下式的评估公式进行可用度的评估：

其中，Δt为采样间隔，T为卫星导航系统的运行周期，Φ_i为第i个仿真步长下卫星导航系统的可用状态，Φ_i＝Φ_iw·Φ_ik·Φ_ij·Φ_ir；Φ_iw为空间段可用状态函数，Φ_ik为主控站可用状态函数，Φ_ij为监测站可用状态函数，Φ_ir为注入站可用状态函数。

进一步的，所述卫星导航系统的服务区可用性采用下式的评估公式进行可用度的评估：

其中，A(l,t)为t时刻下第l个网格的可用状态函数，L为根据经纬度划分的网格的数量，K为采样的数量，Δt为采样间隔，t₀为采样的初始时刻。

进一步的，所述卫星导航系统的星座可用性采用下式的评估公式进行可用度的评估：

A₃(l,t)＝bool{X(l,t)}；

其中，X(l,t)为第l网格t时刻确定的可用性判据，当X(l,t)满足用户需求时星座可用性A₃(l,t)为1；否则，星座可用性A₃(l,t)为0。

进一步的，所述卫星导航系统的移动目标可用性采用下式的评估公式进行可用度的评估：

其中，Φ(x_i,y_i)表示第i个时间节点对应位置的可用状态函数， N为采集的时间节点的总数。

另一方面，本发明提供了一种卫星导航系统可用性评估装置，该装置包括：

建模单元，用于建立模拟卫星导航系统的仿真模型，获取所述仿真模型的初始数据；

模拟单元，用于根据所述仿真模型和所述初始数据模拟所述卫星导航系统的运行状态；

获取单元，用于获取所述卫星导航系统在运行状态下的运行数据；

评估单元，用于根据所述运行数据采用可用度公式进行可用度的评估。

进一步的，所述评估单元包括：

单点可用性评估模块，用于对卫星导航系统的单点可用性进行评估；

服务区可用性评估模块，用于对卫星导航系统的服务区可用性进行评估；

星座可用性评估模块，用于对卫星导航系统的星座可用性进行评估；

移动目标可用性评估模块，用于对卫星导航系统的移动目标可用性进行评估。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种卫星导航系统可用性评估方法及装置，根据在轨星座的当前运行数据，实时预测卫星导航系统星座的可用性，提高卫星导航系统可用性的精度。采用卫星当前运行数据评估卫星的可靠性，解决了以往方法计算星座可用性不准确、不全面的问题，以及不能对星座可用性进行实时评估的问题，并且具有简单、便利的优点，适用于工程使用和推广。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种卫星导航系统可用性评估方法的流程示意图；

图2是本发明的一种卫星导航系统可用性评估方法中卫星导航系统结构模型示意图；

图3是本发明的一种卫星导航系统可用性评估方法中卫星导航系统仿真流程示意图；

图4是本发明的一种卫星导航系统可用性评估方法的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。

全球卫星导航系统(GNSS)是为用户提供位置、速度和时间信息的天基无线电导航定位系统。作为国家信息体系建设的重要基础设施，对国家安全、国民经济发展以及国防现代化建设等各个领域具有重大影响。导航系统的建设与应用受到世界各国的广泛关注。卫星导航系统的空间结构复杂，其内部存在着较为复杂的功能故障关系。卫星导航系统中任何一颗卫星的失效都可以导致其无法提供正常的导航服务，进而影响卫星导航系统的可用性。目前评估卫星导航系统的可用性存在不准确、不全面的问题。为解决上述问题，本发明实施例提供一种卫星导航系统可用性评估方法及装置。

本发明实施例提供一种卫星导航系统可用性评估方法，参见图1，该方法包括：

S101：建立模拟卫星导航系统的仿真模型，获取所述仿真模型的初始数据；

在本步骤中，建立模拟卫星导航系统的仿真模型包括：建立卫星导航系统的结构模型，该结构模型包括卫星导航系统的组成单元、层次结构、组成单元。层次结构包括导航系统各组成单元在功能结构层次上的组织关系，为仿真建模提供系统组成结构和可靠性特性数据参考和支撑。具体包括结构分解和结构模型数据描述。由于导航系统是典型的复杂系统且具备空间段设备、地面段设备和用户段设备等多种具有不同组成和特点的设备类型，结构模型应采用自上向下展开的分层的方法对导航系统的结构模型进行划分，参见图2，可以分为大系统层、系统层、子系统层、模块层和设备层。考虑到设备的故障信息的获取，将空间段分解到卫星一级，地面段分解到供电设备一级。

建立卫星导航系统的状态模型：状态模型包括卫星导航系统中各卫星、地面站的初始状态，通过卫星运行规律得到各卫星随时间变化的动态星下点经纬度及覆盖范围。具体包括卫星状态描述，以及卫星覆盖区域计算。卫星在空间运动过程中，轨道时刻发生变化。卫星的轨道属性由6个轨道参数确定，分别为轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、右升节点经度、近地点幅角、真近角点。这些属性决定了卫星轨道的大小和形状、轨道的方位和卫星在轨道的位置。卫星的覆盖范围是以星下点为中心，大小与卫星的视场角有关。每颗卫星的覆盖范围主要取决于卫星天线子系统的设计、轨道精度和卫星高度。星座的覆盖范围主要取决于每颗卫星的覆盖范围和星座的网型结构。

建立卫星导航系统的任务需求模型：任务需求模型包括用户的真实使用状况，存储用户发出请求类型、位置以及任务的开始时间、结束时间等。卫星导航系统按照使用功能的不同，可以将其应用概括为以下几个方面：高精度导航、高精度定位、高精度授时。只有当卫星导航系统的空间段、用户段、地面段都处于正常工作状态时，卫星导航系统的才能完成任务。用户段完好，则卫星导航系统分为空间段用户段两部分的串联模型，有源定位系统要求空间段对任务区域覆盖重数N≥3，另外还须保证高轨道卫星覆盖重数至少为1，倾斜轨道卫星覆盖重数至少为1；无源定位系统，要求空间段对任务区域中轨道卫星覆盖重数P≥4。

建立卫星导航系统的轨位中断模型：轨位中断模型包括卫星导航系统空间段修复过程，包含停运类型、中断时间以及所处轨道面信息等。根据停运类型的不同，空间轨位中断模型可以分为轨位计划性中断模型和轨位非计划性中断模型。

建立卫星导航系统的维修模型：系统的维修包括卫星导航系统对故障部件所进行的维修活动，将输入的故障单元转化为输出的修复单元。存储对维修参数，包括维修目的、维修的类型、维修所需的时间 (以分布的形式给出)、维修所需的资源等以及保障模型。

建立卫星导航系统的保障模型：保障过程是一个包含各种动态因素的复杂过程，包括备件的存储与供应、保障设备、设施、人员、资料故障，这就需要保障系统对故障单元进行维修保障活动，以恢复其正常的功能。

S102：根据所述仿真模型和所述初始数据模拟所述卫星导航系统的运行状态；

在本步骤中，对卫星导航系统进行离散化仿真，仿真的流程参见图3，

输入任务开始时刻，结束时刻，确定仿真时间，对各单元进行故障以及维修时间抽样。然后判定某时刻是否有单元故障，若无故障，并且仿真时间未达到，则判断覆盖重数是否满足要求；若单元发生故障，首先判断其单元属性，属于空间段还是地面段；空间段选择修复措施，自修复不需要资源直接进行修复，替换卫星需要轨内是否有备份星，备件满足的话进行修复；地面段确定其维修类型，直接维修或者换件维修，选择直接维修，确定是否需要维修资源若不需要，直接维修，若需要，确定当前维修资源是否满足，不满足的话加入维修等待队列，满足的话执行维修；若是换件维修，需要确定维修资源是否满足，不满足的话加入维修等待，满足的话直接维修。维修完成后判断覆盖重数是否满足要求，若不满足进入任务等待状态，满足的话执行任务；判断任务是否结束，任务未结束检测单元是否故障，结束的话相关统计参数。

S103：获取所述卫星导航系统在运行状态下的运行数据；

S104：根据所述运行数据采用可用度评估公式进行可用度的评估。

在本步骤中，模拟卫星导航系统各个时间段下的运行状态并采用可用度评估公式进行可用度的评估，获取卫星导航系统的各种可用度。包括：分别对卫星导航系统的单点可用性、卫星导航系统的服务区可用性、卫星导航系统的星座可用性和卫星导航系统的移动目标可用性进行评估。

从上述描述可知，本发明实施例提供的一种卫星导航系统可用性评估方法，采用卫星导航系统在运行状态下的运行数据，实时预测卫星导航系统星座的可用性，实现提高卫星导航系统可用性的精度以及对可用性进行实时评估。

在一种可选实施方式中，提供了上述S101的一种具体实施方式。

根据卫星导航系统结构模型中的层次、结构组成特点，所需数据采用以下数据表格描述：卫星导航系统单元信息表；卫星导航系统单元层次信息表。

卫星导航系统单元信息表：若要模拟系统中各设备单元故障的发生机制，需要通过对系统中设备的可靠性参数进行故障抽样。因此，卫星导航系统单元信息表描述的是导航系统所有组成单元的可靠性参数，所包含的要素包括故障分布类型和参数，如表1所示。

表1卫星导航系统单元数据表

单元名称：表示结构模型中包含系统的单元。

故障模式：指单元的不同故障类型。

参数名称：指功能模型中故障参数，如失效率、MTBF等。

分布类型：包括指数分布；正态分布；对数正态分布；均匀分布；威布尔分布等。

参数：表示分布类型对应的参数。

单元初始工作时刻：指每颗卫星或设备的服役开始时刻，由于每个卫星的发射时间不同，抽样开始时间不同。

卫星导航系统单元层次信息表：单元层次结构信息主要描述的是导航系统内不同组成单元之间的关系，包括了结构上的层次和数量关系。要反映出底层部件故障对其上层单元的影响，需要清晰地描述系统中全部组成部分的数量和逻辑构成关系，应包含单元与其他单元逻辑关系、单元数量、单元类型三个要素，单元层次结构信息表，如表2 所示。

表2卫星导航系统单元层次结构信息表

单元ID	单元名称	父单元名称	单元配套数	单元类型
						…	…	…	…

父单元名称和单元名称：分别表示一对父子关系单元各自标识，父单元和子单元名称必须在单元数据表中给出。

单元配套数：指当前父单元所属该单元的配套数量。

单元类型：确定了单元是系统、分系统、模块还是单元。

所述非静止轨道卫星子模型中存储有：非静止轨道卫星初始状态信息表；

卫星的状态模型是用来描述各单元的状态以计算其覆盖区域，以完成对任务区域的覆盖度计算。卫星导航系统包括空间段卫星和地面站设备，空间段卫星又可细分为非静止轨道卫星和静止轨道卫星，每种单元的运行规律和状态并不相同。因此，每种单元应分开建立状态模型。根据运行状态的不同，可将状态模型分为非静止轨道卫星模型、静止轨道卫星状态模型和地面站状态模型。

通过对卫星轨道属性的研究可知，要想描述非静止轨道卫星状态，模型中应该包括描述轨道的大小和形状、轨道的方位和卫星在轨道的位置的6个轨道参数，包括轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、右升节点经度、近地点幅角、真近角点。此处6个参数的确定可以计算任意时刻卫星的星下点位置。然后，通过卫星视场角及轨道的高度，可以计算卫星的覆盖范围。非静止轨道卫星初始状态数据表，如表3所示。

表3非静止轨道卫星初始状态数据表

所述静止轨道卫星状态子模型中存储有：静止轨道卫星状态信息表；

由于静止轨道卫星位于赤道上方某一固定经度的轨位上，与地球做同步运转，相对于地球的位置不变，因此，其运动规律不同于非静止轨道卫星。静止轨道卫星状态模型包括轨道高度、经度2个要素。另外，通过给定视场角可以计算该类型卫星的覆盖范围。静止轨道卫星状态数据表，如表4所示。

表4静止轨道卫星状态数据表

单元ID	经度(°)	轨道高度(m)	视场角(°)
				…	…	…	…

所述地面站状态子模型中存储有：地面站位置数据信息表；

除了卫星运行过程中，系统完成任务需要地面站的参与。地面站能够参与系统工作的前提是卫星处于地面站的接收范围，即卫星能够覆盖地面站所在地理位置。地面段状态模型的描述应包含经度、纬度、高度3个要素，地面站位置信息数据表，如表5所示：

表5地面站位置信息数据表

单元ID	经度(°)	纬度(°)	地面高度(m)
				…	…	…	…

由上述三组状态模型可知，卫星的运行状态模型确定了各时刻卫星的星下点及覆盖范围，地面站状态确定了其地理位置，从而判断卫星对地面单元覆盖重数是否满足任务条件。

所述任务需求模型中存储有：任务需求信息表；

卫星导航定位系统是利用卫星为用户提供快速导航定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、全球卫星导航定位系统。按照使用功能的不同，可以将其应用概括为以下几个方面：高精度导航、高精度定位、高精度授时。

对于不同类型的任务，面向不同的用户群体，包括静止用户、移动用户以及区域用户等。此时，需要提供用户的地理位置信息，运动信息以及时间信息。如果完整描述用户的需求，需要经纬度坐标、高度、速度、加速度以及开始工作时刻5类要素。任务需求模型表，如表6所示：

表6任务需求模型表

任务类型：分为导航、定位和授时三种类型。

坐标：对于定位和授时任务类型，坐标指任务发起点的空间位置经纬度、或者任务发起区域的空间经纬度坐标；对于导航任务类型坐标可表示一个点，指任务发起点的空间位置、或者表示一段距离，指任务发起点坐标至任务结束点坐标。

高度：表示用户所处地面水平面高度。

速度：对于导航任务类型，用户端速度影响卫星服务区切换，需要给出速度参数。

加速度：对于导航用户，除用户速度外，需要描述用户的状态，加速、减速或匀速。

工作时刻：任务开始、结束时间，用于确定仿真时间。

利用任务需求模型可以求得卫星的可用性水平。

所述轨位计划性中断子模型中存储有：计划性中断信息表；

轨位计划性中断指卫星运行和维护活动和卫星到寿更换使其所在轨位停运，造成卫星不能提供服务的状态，此时，需要一定的时间修复卫星所在轨位。因此，轨位计划性中断的数据描述应包含计划性停运类型、日历时间间隔、修复时间、所处轨道面4个要素，如表7所示：

表7轨位计划性中断模型数据表

停运单元：用于指明计划性中断所在的单元名称，由结构模型给出，在单元数据表中已定义。

停运类型：计划性中断所对应的停运类型包括运营维护和寿命末期。

日历时间间隔：预防性维修在日历时间上的时间间隔。

修复时间：进行该计划性中断作业所消耗的时间。

轨道面名称：指卫星所处轨道面。

所述轨位非计划性中断子模型中存储有：非计划性中断信息表；

轨位非计划性中断模型是描述偶然故障引起的短期硬故障和长期硬故障造成轨位停运后的中断修复措施以及中断修复时间。轨位非计划性中断模型的描述应包括停运单元、非计划停运类型、中断修复数据以及所处轨道面4类要素，如表8所示，

表8轨位非计划性中断模型数据表

其中，MTTI表示轨位平均中断修复时间。

停运单元：用于指明非计划性中断所在的单元名称，由结构模型给出，在单元数据表中已定义。

停运类型：非计划性中断所对应的停运类型包括短期硬故障和长期硬故障。

MTTI分布类型：单元的平均中断时间分布函数类型。

MTTI参数1：单元的中断时间分布函数形状参数1。

MTTI参数2：单元的中断时间分布函数形状参数2。

轨道面名称：指卫星所处轨道面。

修复资源数据，如表9所示：

表9修复资源数据表

单元ID	停运单元名称	停运类型	是否需要卫星	卫星数量
						…	…	…	…

停运单元：开展修复工作的单元名称。

停运类型：描述停运单元的故障类型，包含短期硬故障和长期硬故障。

是否需要卫星：选择是否需要卫星。

卫星数量：该单元开展轨位中断修复工作所需的卫星数量。

卫星导航系统的地面维修包括预防性维修和修复性维修。根据导航系统地面站故障类型及修复策略，维修模型可用预防性维修数据表、修复性维修数据表、维修资源需求数据表描述。

导航系统预防性维修数据表：预防性维修模型描述系统各单元的维修检查间隔时间、所需资源，并按照系统运行状况等安排预防性维修的间隔。预防性维修数据表，如表10所示。

表10地面站预防性维修数据表

地面站维修单元名称：用于指明预防性维修作业所在的单元名称，在单元数据表中已定义。

地面站预防性维修类型：指预防性维修作业类型，包括运营维护等。

日历时间间隔：预防性维修在日历时间上的时间间隔。

持续时间：进行该预防性维修作业所消耗的时间。

维修站点名称：单元所处维修地点。

导航系统修复性维修数据表：描述对于某单元开展地面修复性维修所需的时间参数，如表11所示：

表11地面站修复性维修模型数据表

地面站修复性维修单元名称：开展修复性维修工作的单元名称。

MTTR分布类型：单元的维修时间分布函数类型。

MTTR参数1：单元的维修时间分布函数形状参数1。

MTTR参数2：单元的维修时间分布函数形状参数2。

维修站点名称：单元所处维修地点。

维修资源需求数据表：描述某单元开展修复性维修工作所需的设备、人员等维修资源，如表12所示：

表12地面站维修资源需求数据表

维修单元名称	维修方式	资源名称	资源数量
				…	…	…	…

地面站维修单元名称：开展维修工作的单元名称。

维修方式：描述维修单元的维修类型。

资源名称：该单元开展相应级别的维修工作所需的维修资源。

资源数量：该单元开展相应级别的维修工作所需的维修资源数量。

所述空间段保障子模型中存储有：空间段保障信息表；

空间段保障模型：卫星导航系统空间段的修复所需要的备份星存在于卫星的轨道面、地面发射基地等。保障模型的目的就是描述不同保障级别的组织形式。

把空间段保障级别分为两类，分别是：轨道面级和地面基地级，即不能完成修复即向地面申请备份星。空间段保障数据表描述的是各级备份星配置和地面补网时间的相关信息，如表13所示：

表13空间段保障数据表

轨道面名称：修复轨位所处轨道面。

级别：描述站点的保障级别，通常指轨道面级。

轨内存储数量：指设置轨内备份星的数量。

轨内补网时间：指轨位修复过程中，轨内备份星到达指定轨位并调试完成开始工作的时间间隔。

上级名称：描述轨道面与地面间的保障组织关系。

地面存储数量：指地面发射基地备份星的数量。

地面补网时间：描述地面与轨道面之间补网准备、发射、调试所需时间。

地面段保障模型：在地面保障模型中，保障站点的名称、数量和类型均根据导航系统的实际运行状况制定。

所述地面段保障子模型中存储有：地面段保障信息表和地面保障资源信息表，如表14所示：

表14地面保障站点数据表

站点名称	站点级别	上级站点名称	站点间保障时间
				…	…	…	…

站点名称：用来对装备进行维修保障的站点。

站点级别：描述站点的保障级别，包含了轨道面级、站级、发射基地级。

上级站点名称：表示该站点的上级站点，描述站点间的保障组织关系。

站点间保障时间：描述与上级站点之间的运输时间。

保障资源模型定义了各个站点的资源属性。维修资源指设备发生故障进行维修所需要的保障资源，应包含资源名称、资源数量2个要素，如表15所示：

表15地面保障资源数据表

站点名称	资源名称	资源数量
			…	…	…

资源名称：维修过程所需资源，包括人力、设备等

资源数量：该站点所配备资源数量。

在一种可选实施方式中，提供了上述S104的一种具体实施方式。

(1)单点可用性：由于星座为周期性运行，单点可用性分析采用运行周期为观测时段，然后按照一定的采样间隔确定该点是否可用。根据卫星导航系统可用性的定义，即系统在任意一个时刻可为用户提供正常导航服务状态的程度。n个时刻的瞬时可用性统计得单点可用度为：

将仿真时间n等分，Φ_i为第i个仿真步长下系统的可用状态，则

Φ_i＝Φ_iw·Φ_ik·Φ_ij·Φ_ir；

其中，Φ_iw为空间段可用状态函数，Φ_ik为主控站可用状态函数，Φ_ij为监测站可用状态函数，Φ_ir为注入站可用状态函数。

可用度统计公式为：

其中，Δt为采样间隔，T为卫星导航系统的运行周期。

(2)服务区可用性：对于服务区的可用性分析，一般采用网格法，按一定的经纬度间隔将服务区范围划分为地面网格，然后统计所有网格的单点可用性结果，进行加权平均。按一定经纬度间隔划分的L个网格的单点可用性统计得到服务区可用性为：

(3)理想星座可用性：理想星座可用性是基于一个理想星座，没有卫星故障，即星座的固有可用性，是星座可用性的上限，此时其可用性就等于0或1。在l点、t时刻，理想星座的可用性表示如下：

A₃(l,t)＝bool{X(l,t)}；

其中，X(l,t)为第l网格t时刻用户需求所确定的可用性判据，满足时A₃(l,t)等于1，有一条需求不满足则A₃(l,t)等于0。

(4)移动目标可用性：对于移动目标来说，导航系统要完成定位、测速等功能，因此要对目标在移动线路上实时统计各单点瞬时可用性。在导航系统应用于民用航空领域时，除了对导航的可用度有明确的要求，对其是否连续可用也有很高的要求。对于特定的时间段和特定的飞行路线，连续性是否满足指标要求也要作为可用性分析的判决条件，即在瞬时连续性的基础上，还需将用户连续性按照对应的飞行阶段进行统计得到分析结果。如果把定位覆盖性看作连续性分析的判决条件，那么连续可用性满足要求表明覆盖性可用性满足要求。

则移动目标的可用度统计公式可表示为：

本发明的技术方案还可以评估卫星导航系统的：单轨位可用性、理论可用性、实际可用性、精度可用性、完好性可用性、连续可用性和有卫星损坏与无卫星损坏情况下的可用性。

从上述描述可知，本发明实施例提供的一种卫星导航系统可用性评估方法，建立了基于仿真的卫星导航系统总体可用性模型及其框架，包括对系统的任务建模、维修中断建模、保障方式建模以及关系模型等，以实现对导航系统运行、组网、补网、中断等全过程的模拟。可以模拟卫星导航系统的全过程，因此模型具有很强的描述能力。基于所建立的模型，可以不同的角度评估卫星导航系统可用度。为卫星的导航系统提高可靠性，制定维修优化以及保障策略打下基础。

为获得较为真实的卫星导航系统可用性度量结果，选用当前发展最为成熟、已获得数据较多的卫星导航系统GPS。GPS实现了全球、全天候的工作，并能为用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间，不受天气的影响。GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户部分三大部分组成。

GPS空间段是由卫星星座组成的，其基本参数如下：GPS近圆形轨道，轨道高度约20100米，由24颗卫星组成，分布于6各轨道面。轨道倾角55°，轨道之间相差60°，即轨道的升交点赤经相差60°。

24轨位基准卫星星座的卫星分布信息，如表16所示：

表16 GPS轨位分布表

分布于不同地理位置的数个地面站组成了GPS运行控制系统 (OCS)，它由三个子系统组成：主控站(MCS)，备份主控站(BMCS)，一个具有四个地面天线的网络系统(GAs)，以及26个全球分布式监测站网络(MS)。

GPS主控站是GPS卫星星座的中央控制节点。主控站负责星座指挥和控制的各个方面，包括：常规卫星总线和有效载荷状态监测；卫星维护和异常分辨；GPS空间信号的性能管理；导航数据上传操作，按要求维持性能与精确性和完好性性能标准一致并检测和响应GPS的导航信号故障。万一长期工作的主控站运行中断，GPS操作可以被转移到备用主控站。

本次建模拟选取地区的经纬度坐标是(40，116)，地面海拔高度为20m。执行单点定位任务。

根据描述的单点定位任务，建立任务模型，如表17所示：

表17任务需求表

GPS卫星导航系统空间段由MEO卫星构成，卫星的空间运行环境相似，因此认为每颗卫星的平均可用性参数可认为是相同的，地面段由主控站、监测站、注入站组成。列举导航系统组成单元的故障信息及失效数据，如表18所示：

表18单元信息表

导航系统的各组成单元的维修数据由经验数据统计得来。其计划性停运及中断，如表19所示。

表19卫星计划性中断表

非计划性停运及中断数据，如表20所示

表20卫星非计划性中断表

根据实际使用过程中的保障时间备份策略，现列举空间段星座中的备份星，采取B、D、F三个轨道面内各存储一颗备份星，地面发射基地2颗备份星的配置，如表21所示：

表21 GPS备份星保障表

最后，通过设置仿真流程与仿真时间，进行计算仿真该地区的单点服务可用度。

最终，利用可用度统计模型：

Φ_i＝Φ_iw·Φ_ik·Φ_ij·Φ_ir

统计得到GPS卫星导航系统可用度为99.95％。

本发明实施例提供一种卫星导航系统可用性评估装置，参见图4，该装置包括：

建模单元10，用于建立模拟卫星导航系统的仿真模型，获取所述仿真模型的初始数据；

模拟单元20，用于根据所述仿真模型和所述初始数据模拟所述卫星导航系统的运行状态；

获取单元30，用于获取所述卫星导航系统在运行状态下的运行数据；

评估单元40，用于根据所述运行数据采用可用度公式进行可用度的评估。

进一步的，所述评估单元40包括：

通过上述描述可知，本发明所述的一种卫星导航系统可用性评估装置，根据在轨星座的当前运行数据，实时预测卫星导航系统星座的可用性，提高卫星导航系统可用性的精度，并且具有简单、便利的优点，适用于工程使用和推广。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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精神和范围。

Claims

1.一种卫星导航系统可用性评估方法，其特征在于，所述方法包括：

获取所述卫星导航系统在运行状态下的运行数据；

根据所述运行数据采用可用度评估公式进行可用度的评估。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星导航系统的仿真模型包括：结构模型、状态模型、任务需求模型、轨位中断模型、维修模型和保障模型；

所述任务需求模型中存储有：任务需求信息表；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非静止轨道卫星子模型的轨道参数包括：轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、右升节点经度、近地点幅角和真近角点。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据运行数据采用可用度评估公式进行可用度的评估，包括：分别对卫星导航系统的单点可用性、卫星导航系统的服务区可用性、卫星导航系统的星座可用性和卫星导航系统的移动目标可用性进行评估。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述卫星导航系统的单点可用性采用下式的评估公式进行可用度的评估：

A_{1} = \frac{Σ_{i = 1}^{n} Φ_{i} \cdot Δ t}{T};

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述卫星导航系统的服务区可用性采用下式的评估公式进行可用度的评估：

A_{2} = \frac{1}{L \cdot K} Σ_{l = 1}^{L} Σ_{t = t_{0}}^{t_{0} + K Δ t} A (l, t);

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述卫星导航系统的星座可用性采用下式的评估公式进行可用度的评估：

A₃(l,t)＝bool{X(l,t)}；

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述卫星导航系统的移动目标可用性采用下式的评估公式进行可用度的评估：

A_{4} = \frac{Σ_{i = 1}^{n} Φ (x_{i}, y_{i})}{N};

其中，Φ(x_i,y_i)表示第i个时间节点对应位置的可用状态函数，N为采集的时间节点的总数。

9.一种卫星导航系统可用性评估装置，其特征在于，所述装置包括：

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述评估单元包括：