CN107368659A - 卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其步骤为：S1：建立基于模型可信度评估的体系化、层次化模型有效性验证方法，形成覆盖卫星导航系统单元级、模块级、子系统级和系统级模型的模型验证的标准工具库；S2：建立基于国际时空参考框架的模型验证方法，确保卫星导航仿真系统时空基准与实际系统时空参考框架的一致性；S3：建立自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证方法，完成卫星导航仿真系统基础模型的可信度验证；S4：建立基于实测数据误差分离与反推解算相结合的两步法模型验证方法，对卫星导航观测数据仿真模型进行可信度验证。本发明具有操作简便、易实现、可信度高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到卫星导航系统领域，特指一种适用于卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法。
背景技术
卫星导航高保真仿真系统是利用系统建模与仿真技术建立能够真实反应卫星导航系统工作原理及运行机制的仿真平台，为实际系统技术方案论证、技术指标验证、研制方法及应用效果等各个方面提供试验验证与测试评估支持，是导航领域科研工作者、卫星导航系统建设者、卫星导航用户的基础工具。卫星导航高保真仿真系统的分析结果直接影响实际工作的决策或应用。因此，仿真模型的可信度评估技术已成为系统仿真研究中的重要组成部分。只有在仿真模型可信度得到保证的情况下，利用仿真系统产生的分析结果才具有指导意义。
在系统建模与仿真过程中，受认知水平、开发时间代价、经济实用性、可实现性等种种条件限制，仿真模型一般只能是实际对象的一种逼近。逼近程度越高，保真度越高。根据仿真模型与实际对象的逼近程度，可以分为低保真度、中保真度和高保真度仿真模型。随着保真度的提高，需要考虑的因素越来越多，模型越来越复杂，验证难度也就越来越大。
目前，现有的主要卫星导航系统生产商都非常注重卫星导航高保真仿真系统的研究与应用。例如，美国的全球定位系统GPS、欧洲的卫星导航系统Galileo等卫星导航系统都投入巨资建立了各自的系统仿真平台，例如GPS的高保真仿真系统HFSS(High FidelitySimulation System)，Galileo的GSSF(Galileo System Simulation Facility)。这些仿真系统在各自卫星导航系统建设、运行与维护等阶段作为试验验证与分析评估工具，都发挥了重要作用。但是，由于涉及系统敏感信息(如军码或授权服务)或者出于技术保密等原因，这些高保真仿真系统大多数是对外禁运的。即使如非军方控制的Galileo系统，其对外开放的GSSF软件也仅仅是非常简单的部分(目的是为了展示Galileo系统性能的优越性，高级版本对外保密)。这些高保真仿真系统如何建模，以致于如何确保“高保真”都没有对外公开。除此之外，每个卫星导航系统都有其自身特殊之处，如工作机制、信号体制、系统组成等均具有较大差异。因此，如何确保高保真模型的“真”就成为其他卫星导航系统(如北斗系统)建模与仿真必须要解决的关键问题。
卫星导航系统高保真仿真系统能够模拟实际卫星导航的运行状态，并综合考虑卫星导航信号在实际传播过程中所受的各种因素影响，仿真生成卫星轨道数据、卫星钟差数据及观测数据等资料，用于卫星导航系统方案论证、评估卫星导航系统性能、验证导航定位授时数据处理算法等。但实际建模仿真过程中，卫星导航系统高保真仿真模型涉及卫星轨道动力学、高精度频率基准、无线电测量与通信、空间环境、天体物理、导航与定位等多学科交叉的理论与技术。
传统的模型一致性验证方法主要是对模型行为的评估。通过在相同输入条件下，比较模型与原型系统输出，从而分析仿真模型与原型系统的一致性，并以一致性分析结果作为模型有效性的判断依据。这种方法是一种“黑盒”方法。该方法对系统级模型是有效的，但对于粒度更小的单元模型则无能为力。
因此，为了保证仿真质量，减少由于仿真结果错误或不准确性所带来的分析决策风险，必须对卫星导航系统高保真仿真模型进行可信度评估。
现有技术是一种系统级验证方法，存在以下几个缺点：
1、难以对卫星导航高保真仿真系统中单元级模型进行验证，无法精确定位验证中发现的问题；
2、导航星座卫星轨道、星载原子钟、空间环境及导航电文等基础仿真模型抽象程度高、计算过程复杂，现有技术无法进行有效验证；
3、卫星导航观测数据包含伪距、载波相位、多普勒频移、伪距变率等多项观测值，各观测值的仿真模型间相互耦合，导致观测数据仿真的验证过程繁杂。同时，导航信号在空间的传播除包含卫星和卫星信号接收机之间的几何距离部分，还包含信号传播过程中受到各类因素影响带来延迟部分。延迟部分包括卫星钟差、接收机钟差、卫星轨道误差、卫星天线相位中心偏移、接收机天线相位中心偏移、卫星硬件延迟、接收机硬件延迟、电离层延迟、相对论效应、多路径效应、对流层延迟及观测噪声等。众多因素对卫星导航观测数据仿真的影响及观测数据本身的复杂性导致如何验证卫星导航观测数据仿真值的有效性成为了一个难题。
4、卫星导航时空基准转换模型验证困难。时空基准模型是构建卫星导航仿真系统的基础，其有效性是仿真系统模型精度的重要保障。由于地球及其周围环境是一个非周期、不稳定的系统，涉及地球固体潮、海洋潮、地球自转、岁差、章动及日月系动力学等多种因素，导致时空基准转换模型的建立非常困难；同时，精确地球自转参数(EOP)的获取具有延迟性，只能获得预报的EOP参数，该因素使得时空基准转换模型的建立更加困难。在众多因素影响下如何进行仿真系统时空基准的基准溯源和模型验证也就成为一个核心难题。
5、目前影响卫星导航定位精度的主要有导航电文精度和空间环境影响两大因素。其中导航电文的精度主要由卫星轨道和钟差精度决定，空间环境主要受电离层和多路径效应影响。这些因素都是卫星导航仿真系统建模的主要对象，是确保卫星导航高保真仿真系统具有与实际系统一致表现的重要基础。但是，卫星轨道、钟差、电离层和多路径受多种不确定因素影响，要想获得高保真模型本身就相当困难，如何对仿真模型进行有效性验证也就成为了一个核心难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就在于，针对现有技术存在的技术问题，提供一种操作简便、易实现、可信度高的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法。
本发明的技术方案如下：
一种卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其步骤为：
S1：建立基于模型可信度评估的体系化、层次化模型有效性验证方法，形成覆盖卫星导航系统单元级、模块级、子系统级和系统级模型的模型验证的标准工具库；
S2：建立基于国际时空参考框架的模型验证方法，确保卫星导航仿真系统时空基准与实际系统时空参考框架的一致性；
S3：建立自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证方法，完成卫星导航仿真系统基础模型的可信度验证；
S4：建立基于实测数据误差分离与反推解算相结合的两步法模型验证方法，对卫星导航观测数据仿真模型进行可信度验证。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S4的详细过程为：
S401：将实测数据进行误差分离，对相应误差仿真模型进行可信度评估；对于具有多个仿真模型的误差因素，采用多种模型互差内符合法进行有效性验证；
S402：结合观测数据的实时反推解算对卫星导航观测数据模型进行闭合验证。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S1中，在建模时考虑的众多因素中，每一个因素通过数学建模形成高保真仿真模型体系的单元级模型；所述单元级模型通过组合形成具有独立功能的模块级模型，多个功能模块组成子系统级模型，多个子系统集成就组成了功能完善的仿真系统。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中是以IERS为参考标准对仿真系统的时空基准进行模型一致性验证和参数一致性验证。
作为本发明的进一步改进：在模型一致性验证方面，以协议IERS坐标框架为参考标准的标准IAU算法作为比对对象，其功能主要包含两部分，一部分与地球自转、位置和姿态有关，根据IAU不同协议实现星体在不同坐标系中的坐标变换；另一部分则用于处理日期和时间，实现不同时间系统之间的转换。
作为本发明的进一步改进：在参数一致性验证方面，利用SOFA软件和IERS提供的标准EOP文件作为测试对象；IERS每隔一段时间更新一次当前EOP值和预报EOP值，仿真系统从IERS获取EOP文件中该时段预报EOP值计算相应的时空转换数据；同时，SOFA软件利用IERS提供的该时段EOP最终处理结果计算相应的时空转换数据；统计分析二者计算结果，验证仿真系统时空基准与实际时空参考框架的参数一致性。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中建立的自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证结构，该结构采用层次分析法及其改进方法模糊层次分析法，将复杂问题分解成若干个层次。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，能够系统性地解决卫星导航系统高保真仿真模型的有效性验证问题。本发明建立的基于模型可信度评估的体系化、层次化模型有效性验证框架相比传统的模型验证方法，能够验证的模型颗粒度更小，覆盖的模型范围更广。
2、本发明的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，分别建立针对卫星导航系统的时空基准模型和基础模型的可信度验证方法，从底层确保卫星导航仿真系统与实际系统的一致性；针对应用较为广泛的观测数据，建立两步法模型验证方法，为卫星导航系统涉及的观测数据提供可靠、实时的验证手段。
3、本发明的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，为卫星导航高保真仿真模型的可信度评估、应用提供了一种验证方法，能够确保卫星导航仿真系统能够真实反映实际卫星导航系统运行情况，能够确保卫星导航系统试验验证与测试评估结果可信。
4、本发明经过对卫星导航高保真仿真系统模型组成、模型参数特性、行为特性等方面的深入分析，提出了不同模型，采用不同方法的策略，建立了一整套的方法体系及卫星导航模型验证的标准工具库，形成了覆盖单元级、模块级、子系统级和系统级模型的有效性验证方法体系，有效地解决了上述问题。
5、本发明提出的自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证方法，融合了传统参数假设检验、历史精密数据比对、第三方成熟软件比对、仿真理论值比对等模型验证方法的优点，弥补了单一验证方法的不足。
6、为了完成对观测数据的验证，考虑到观测数据中的每项误差在仿真系统中均有相应的仿真模型与其相对应，分离实际观测数据中的各误差项，对相应误差仿真模型进行可信度评估；对于具有多个仿真模型的误差因素，采用多种模型互差内符合法进行有效性验证。同时，结合观测数据的实时反推解算对卫星导航观测数据仿真值进行闭合验证。利用该方法可以实现数据仿真的有效性验证。
7、本发明以IERS作为参考标准，创新性地提出基于国际时空参考框架的模型验证方法，利用SOFA(Standards Of Fundamental Astronomy，源程序中的基础天文学算法都使用标准的IAU算法)软件从模型一致性和参数一致性两方面对时空基准转换模型进行验证。因此，为了保证仿真质量，减少由于仿真结果错误或不准确性所带来的分析决策风险，本发明提出了一种针对卫星导航系统高保真仿真模型的体系化、层次化的可信度验证方法体系，为卫星导航系统高保真仿真模型的可信度评估、模型误差定位提供了一种方法。
附图说明
图1是本发明应用之后卫星导航高保真仿真模型有效性验证方法体系图。
图2是本发明卫星导航高保真仿真模型有效性验证总体流程图。
图3是本发明在具体应用实例中基于国际时空参考框架的卫星导航时空基准转换模型验证方法示意图。
图4是本发明在具体应用实例中自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证结构图。
图5是在具体应用实例中基础仿真模型的有效性验证效果图；其中(a)是轨道计算误差；(b)钟差计算误差；(c)电离层延迟误差；(d)多路径效应误差。
图6是本发明在具体应用实例中观测数据仿真有效性验证方法示意图。
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。
本发明的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其步骤为：
S1：建立基于模型可信度评估的体系化、层次化模型有效性验证方法，形成覆盖卫星导航系统单元级、模块级、子系统级和系统级模型的模型验证的标准工具库；
S2：建立基于国际时空参考框架的模型验证方法，确保卫星导航仿真系统时空基准与实际系统时空参考框架的一致性；
S3：建立自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证方法，完成卫星导航仿真系统基础模型的可信度验证；
S4：建立基于实测数据误差分离与反推解算相结合的两步法模型验证方法，对卫星导航观测数据仿真模型进行可信度验证。
在具体应用实例中，上述步骤S4的详细过程为：
S401：将实测数据进行误差分离，对相应误差仿真模型进行可信度评估；对于具有多个仿真模型的误差因素，采用多种模型互差内符合法进行有效性验证；
S402：结合观测数据的实时反推解算对卫星导航观测数据模型进行闭合验证。
如图1所示，为应用了本发明上述方法之后的卫星导航高保真仿真模型有效性验证方法体系结构的原理示意图。卫星导航高保真仿真模型系统建立时需要考虑多种因素，在进行模型有效性验证时，经过对卫星导航高保真仿真模型系统模型的组成、模型参数特性、行为特性等方面进入深入分析，针对不同的模型采用不同方法进行验证的策略。
根据图1方法体系中的验证方法对卫星导航高保真仿真模型进行有效性验证时，在建模时考虑的众多因素中，每一个因素通过数学建模形成高保真仿真模型体系的单元级模型。单元级模型通过组合形成具有独立功能的模块级模型，多个功能模块组成子系统级模型，多个子系统集成就组成了功能完善的仿真系统，总体流程如图2所示，建立了卫星导航模型验证的标准工具库，形成了覆盖单元级、模块级、子系统级和系统级模型的有效性验证方法体系，具有2种以上验证手段的模型覆盖率达100％。
如图3所示，为在具体应用实例中基于国际时空参考框架的卫星导航时空基准转换模型验证方法，在本实例中的方法主要是以IERS为参考标准对仿真系统的时空基准进行模型一致性验证和参数一致性验证。
模型一致性验证方面，以协议IERS坐标框架为参考标准的标准IAU算法作为比对对象。SOFA(Standards Of Fundamental Astronomy)软件源程序中的基础天文学算法都是使用标准的IAU算法，其功能主要包含两部分，一部分与地球自转、位置和姿态有关，可根据IAU不同协议实现星体在不同坐标系中的坐标变换；另一部分则用于处理日期和时间，可以实现不同时间系统之间的转换。对仿真模型和SOFA软件对应算法模块，采用同条件输入，验证仿真系统时空基准模型的正确性。
参数一致性验证方面，利用SOFA软件和IERS提供的标准EOP文件作为测试对象。IERS每隔一段时间更新一次当前EOP值和预报EOP值。仿真系统从IERS获取EOP文件中该时段预报EOP值计算相应的时空转换数据；同时，SOFA软件利用IERS提供的该时段EOP最终处理结果计算相应的时空转换数据。统计分析二者计算结果，验证仿真系统时空基准与实际时空参考框架的参数一致性。
如图4所示，为本发明在具体应用实例中自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证结构，该结构是借鉴层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)及其改进方法模糊层次分析法(Fuzzy analytic hierarchy process，FAHP)将复杂问题分解成若干个层次的思想而提出的，该方法融合了传统参数假设检验、历史精密数据比对、第三方成熟软件比对、仿真理论值比对等模型验证方法的优点，弥补了单一验证方法的不足。
如图5所示，为本发明在具体应用实例中利用自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证方法对基础仿真模型进行有效性验证的效果图。从图中可以看出，经有效性验证后，仿真模型计算结果与实际系统事后精密数据相比，轨道计算精度达到厘米级，钟差计算精度优于0.1ns(1σ)，电离层延迟量精度优于0.1m(1σ)，多路径效应建模精度优于0.1m(1σ)。
如图6所示，为本发明在具体应用实例中基于实测数据误差分离与反推解算相结合的两步法模型验证方法，该方法主要解决卫星导航观测数据仿真由于数据类型多、考虑因素复杂、模型相互耦合等导致的验证难题，突破了实测数据误差分离、多种模型互差内符合、观测数据实时反解处理等关键技术，为卫星导航系统涉及的观测数据提供可靠、实时的验证手段。
由上可知，本发明针对卫星导航系统模型类别多，高保真仿真模型指标要求高，传统方法无法满足模型有效性验证覆盖需求的难题，提出了基于模型可信度评估的体系化、层次化模型有效性验证方法，建立了卫星导航模型验证的标准工具库，形成了覆盖单元级、模块级、子系统级和系统级模型的有效性验证方法体系，具有2种以上验证手段的模型覆盖率达100％。
本发明针对导航星座卫星轨道、星载原子钟、空间环境及导航电文等基础仿真模型存在的模型抽象程度高、计算过程复杂、缺乏有效验证手段等核心难题，发明了自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证方法，解决了卫星轨道太阳光压摄动模型、星载原子钟、空间环境电离层和多路径效应等关键模型的验证难题，提高了仿真模型的可信度，进而解决了顶层模型的验证难题。经有效性验证后，仿真模型计算结果与实际系统事后精密数据相比，轨道计算精度达到厘米级，钟差计算精度优于0.1ns(1σ)，电离层延迟量精度优于0.1m(1σ)，多路径效应建模精度优于0.1m(1σ)。
本发明针对卫星导航观测数据仿真由于数据类型多、考虑因素复杂、模型相互耦合等导致的验证难题，发明了基于实测数据误差分离与反推解算相结合的两步法模型验证方法，突破了实测数据误差分离、多种模型互差内符合、观测数据实时反解处理等关键技术，为卫星导航系统涉及的观测数据提供可靠、实时的验证手段。与实测数据比较，C/A码伪距误差小于1m，P码伪距误差小于0.3m，载波相位误差小于0.01m。
本发明针对卫星导航时空基准转换模型的验证难题，发明了基于国际时空参考框架的模型验证方法，同时解决了仿真系统时空基准的模型验证和基准溯源等两大难题，确保了仿真系统时空基准与实际时空参考框架的一致性。坐标转换精度优于0.001m，时间转换优于0.01ns。
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)
1.一种卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其特征在于，步骤为：
S1：建立基于模型可信度评估的体系化、层次化模型有效性验证方法，形成覆盖卫星导航系统单元级、模块级、子系统级和系统级模型的模型验证的标准工具库；
S2：建立基于国际时空参考框架的模型验证方法，确保卫星导航仿真系统时空基准与实际系统时空参考框架的一致性；
S3：建立自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证方法，完成卫星导航仿真系统基础模型的可信度验证；
S4：建立基于实测数据误差分离与反推解算相结合的两步法模型验证方法，对卫星导航观测数据仿真模型进行可信度验证。
2.根据权利要求1所述的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其特征在于，所述步骤S4的详细过程为：
S401：将实测数据进行误差分离，对相应误差仿真模型进行可信度评估；对于具有多个仿真模型的误差因素，采用多种模型互差内符合法进行有效性验证；
S402：结合观测数据的实时反推解算对卫星导航观测数据模型进行闭合验证。
3.根据权利要求1或2所述的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其特征在于，所述步骤S1中，在建模时考虑的众多因素中，每一个因素通过数学建模形成高保真仿真模型体系的单元级模型；所述单元级模型通过组合形成具有独立功能的模块级模型，多个功能模块组成子系统级模型，多个子系统集成就组成了功能完善的仿真系统。
4.根据权利要求1或2所述的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其特征在于，所述步骤S2中是以IERS为参考标准对仿真系统的时空基准进行模型一致性验证和参数一致性验证。
5.根据权利要求4所述的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其特征在于，在模型一致性验证方面，以协议IERS坐标框架为参考标准的标准IAU算法作为比对对象，其功能主要包含两部分，一部分与地球自转、位置和姿态有关，根据IAU不同协议实现星体在不同坐标系中的坐标变换；另一部分则用于处理日期和时间，实现不同时间系统之间的转换。
6.根据权利要求4所述的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其特征在于，在参数一致性验证方面，利用SOFA软件和IERS提供的标准EOP文件作为测试对象；IERS每隔一段时间更新一次当前EOP值和预报EOP值，仿真系统从IERS获取EOP文件中该时段预报EOP值计算相应的时空转换数据；同时，SOFA软件利用IERS提供的该时段EOP最终处理结果计算相应的时空转换数据；统计分析二者计算结果，验证仿真系统时空基准与实际时空参考框架的参数一致性。
7.根据权利要求1或2所述的卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其特征在于，所述步骤S3中建立的自底向上、逐层递进的加权检验综合模型验证结构，该结构采用层次分析法及其改进方法模糊层次分析法，将复杂问题分解成若干个层次。
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| CN107368659B (zh) | 2018-06-01 |
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Legal Events
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