CN107423508B - 卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法，其步骤为：S1：以卫星导航系统验证、设计、建设及应用四个阶段的功能、性能验证/评估为驱动，确定卫星导航系统的验证/测试与评估项目，形成待测项的验证/测试与评估方法；S2：根据驱动数据，确定生成驱动数据的卫星导航物理系统或实体；对卫星导航物理系统实体/功能进行抽象，形成系统级仿真模型，该类模型是卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系的基础；S3：建立卫星导航系统验证/测试与评估模型、系统级仿真模型后，进行自闭合验证；对自闭合验证项及方法进行抽象，形成自闭合验证模型。本发明具有原理简单、易实现、效果好等优点。

Description

卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法

技术领域

本发明主要涉及到卫星导航系统领域，特指一种卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法，主要是为解决全球卫星导航系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)在建设、维护阶段对系统主要业务、信息接口、关键单机的仿真测试与评估问题，也可用于构建卫星导航地面试验系统。

背景技术

卫星导航系统一般由空间段、地面段和用户段三大部分组成，其建设是一个长期、复杂的系统工程。在卫星导航系统的建设过程中，为验证新的技术体制，以及缩短地面运控系统与空间导航卫星的联调联试周期，在卫星导航系统建设完成前，能够完成系统主要业务、信息接口、关键单机的试验验证以及系统间的调试，构建一个近乎真实的卫星导航仿真系统是非常必要的。

空间段由数十颗按照设定星座构型排列的卫星组成，为导航用户提供时间基准和空间基准。近年来，随着GNSS系统对抗的不断升级，对空间段提出了更多的改进和要求，主要包括星间链路技术的引进、多系统广域差分与完好性的提升、自主导航技术的增加等。在卫星导航系统建设和系统改进前，对新技术体制进行充分的、全方位的测试和验证，可以尽可能的缩短空间段的建设和系统改进过程，降低人力资源和资金资源的耗费。

地面段主要由一个主控站、数个注入站和监测站组成，是卫星导航系统的管理控制和数据处理中心，其控制指令的正确性及数据处理精度、关键单机的性能都将直接影响整个卫星导航系统的功能和性能指标。因此，无论是在卫星导航系统的建设过程中，还是在系统应用过程中，都需要对地面段，尤其是主控站的功能和性能进行全方位、多层次的优化论证和试验验证。

用户段主要包括种类众多、形式多样的导航终端设备，是卫星导航系统应用的最终体现。随着卫星导航的应用推广，导航终端设备已广泛地应用于军事领域和人们的日常生活中。为保证导航终端设备应用的可靠性和正确性，在投入使用前需对其主要功能和性能进行单项指标测试和综合测试。

针对上述卫星导航系统的功能、性能验证/测试与评估需求，理论上可采用真实卫星导航系统进行试验，但出于经济、安全、可能性及试验重复性方面的考虑，人们往往不希望直接在真实卫星导航系统上进行试验，而希望在模型上进行试验；此外，在卫星导航导航系统尚未建成前，为预见其性能，验证方案设计的可行性，用真实系统进行试验也是不可能的。因此，在卫星导航系统的验证、设计过程中，能够完成系统初期设计、新的技术体制的验证，在卫星导航系统建设完成前，能够完成系统性能的试验验证评估，系统主要业务、信息接口、关键单机的测试与评估，以及在系统应用过程中，能够对系统的功能、性能进行监测评估，建立完善的卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系，进而构建一个近乎真实的卫星导航仿真评估系统是非常必要的。

现有的卫星导航系统指标体系主要是针对系统性能的评估指标和评估方法而建立的系统性能分级控制指标体系，建立的指标体系覆盖范围有限，且仅说明了针对卫星导航系统性能的评估指标及其评估方法，并未建立完成系统性能评估所需的仿真模型及保证系统性能评估方法有效性的验证模型，即未建立完善的系统性能评估体系。现有的卫星导航系统数学模型基本均为针对单个因素建立的数学模型，适用性并未说明。因此，针对卫星导航系统试验验证与测试评估尚未建立完善、明确的数学模型体系。

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，本发明提供一种原理简单、易实现、效果好的卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法，其步骤为：

S1：以卫星导航系统验证、设计、建设及应用四个阶段的功能、性能验证/评估为驱动，确定卫星导航系统的验证/测试与评估项目，形成待测项的验证/测试与评估方法；

S2：根据开展卫星导航系统验证、设计、建设及应用四个阶段的验证/测试与评估项需要的驱动数据，确定生成驱动数据的卫星导航物理系统或实体；对卫星导航物理系统实体/功能进行抽象，形成系统级仿真模型，该类模型是卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系的基础；

S3：建立卫星导航系统验证/测试与评估模型、系统级仿真模型后，进行自闭合验证；对自闭合验证项及方法进行抽象，形成自闭合验证模型。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S1中，采用自顶向下、逐层细化的方法对测试与评估模型进行构建，具体包括如下步骤：

S101：根据卫星导航系统的组成及相互关系建立一级颗粒度模型，将验证/测试与评估数学模型分为系统级验证/测试与评估模型、卫星级验证/测试与评估模型、地面级验证/测试与评估模型和用户级验证/测试与评估模型4类；

S102：根据卫星导航系统评估项的类型，在一级颗粒度模型的基础上建立二级颗粒度模型；二级颗粒度模型包括多个层次结构，层级越高的模型颗粒度越大，其是在建立的一级颗粒度模型的基础上，根据评估项的类型进行逐层细化；

S103：在二级颗粒度模型最底层结构模型的基础上建立三级颗粒度模型，得到卫星导航系统的最小验证/测试与评估项；

S104：针对三级颗粒度模型，根据验证/测试与评估方法的不同建立不同II型逼真度的多种模型。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S2的具体步骤为：

S201：将全球卫星导航系统对应的系统层建立为一级颗粒度模型，属于最高层次的宏观模型；

S202：根据卫星导航系统的组成及特点建立二级颗粒度模型，将一级颗粒度模型分为卫星子系统、地面运控子系统、应用子系统、空间环境子系统和时空基准子系统5个子系统；

S203：根据卫星导航系统各组成部分的功能对二级颗粒度模型进行细化，建立三级颗粒度模型；三级颗粒度模型为具有独立功能的模块，三级颗粒度模型包括多个层次结构的功能模块；

S204：在三级颗粒度模型的基础上进行功能细化，建立具备最小功能的单元层模型，形成四级颗粒度模型；

S205：针对四级颗粒度模型，根据功能实现方法的不同建立不同II型逼真度的多种模型。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S3的具体步骤为：

S301：根据被验证模型的类型，将自闭合验证模型分为验证/测试与评估模型验证模型、系统级仿真模型验证模型、信号源验证模型3类；

S302：在第一步建立的3类验证模型的基础上，针对验证/测试与评估模型和系统级仿真模型中建立的不同颗粒度和II型逼真度模型，建立其验证模型。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明结合卫星导航系统组成特点对卫星导航系统中的数学模型及体系进行分析，建立了卫星导航系统数学模型体系的基本要素及构建准则，为卫星导航系统数学模型体系的构建提供理论依据；

2、本发明以卫星导航系统论证、设计、建设、应用四个阶段的功能、性能验证/测试为驱动，建立一种卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系，采用自顶向下、逐层细化的方法将卫星导航系统级验证/测试与评估所涉及的物理实体或系统进行模型化，满足不同阶段卫星导航系统功能、性能验证/测试对数学模型的覆盖完备性需求；

3、卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系按照数学模型的颗粒度和逼真度进行构建，给出可供选择的多种模型，满足不同级别的卫星导航系统功能、性能验证/测试对数学模型不同精度的需求，同时，便于根据卫星导航系统的验证/测试需求从本发明建立的数学模型体系中快速提取所需的数学模型，形成满足不同验证/测试需求的多种数学模型体系；

4、本发明按照层次化、不同颗粒度及逼真度的构建方法形成的数学模型体系为增量式构建卫星导航仿真测试与评估系统提供模型框架，避免系统构建过程及模型的缺失，对构建其他复杂大系统的数学模型体系具有借鉴意义。

附图说明

图1是本发明卫星导航系统测试与评估模型体系构建的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中测试与评估模型分层细化图。

图3是本发明在具体应用实例中系统级仿真模型分层细化图。

图4是本发明在具体应用实例中不同逼真度模型的建立图。

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。

本发明中的卫星导航系统数学模型体系可表示为如下集合结构：

S＝<F，M，R>

其中，F为数学模型体系的功能；M为数学模型体系中的数学模型；R为数学模型体系的构建准则。它们的含义如下：

1、数学模型体系的功能F；

F体现了数学模型体系满足的需求，是数学模型体系的构建依据，说明该数学模型体系存在的必要性。

2、数学模型M；

M是组成数学模型体系的个体，卫星导航系统数学模型是采用数学方程实现对卫星导航系统中某个实体/功能或对该实体/功能的操作或对卫星导航系统中某类数学模型的操作的抽象、简化而建立起来的模型。卫星导航系统的数学模型种类多、数量大，然而它们具有以下共性，形成数学模型的组成要素：

M＝<MP，MR>

其中：

1)MP为数学模型的属性，指数学模型具有的全部有效特征。表示如下：

MP＝<function，granularity，fidelity>

其中，

(1)function为数学模型的功能，说明该数学模型是对卫星导航系统中实体/功能的抽象简化还是对实体/功能的操作的抽象简化或是对卫星导航系统中某类数学模型进行操作的抽象简化；

(2)granularity为数学模型的颗粒度，该属性是根据卫星导航系统的组成特点提取的，数学模型的颗粒度主要指数学模型的分辨率，不同颗粒度数学模型的抽象以系统的多层次结构为基础，建立同一个物理实体或系统的不同分辨率模型或抽象层次上描述一致的模型。颗粒度大的数学模型分辨率小，描述高层次物理实体或系统的宏观属性；颗粒度小的数学模型分辨率大，描述低层次物理实体或系统的细节和具体行为。数学模型的颗粒度越小，分辨率越高，对问题的描述就越详细。

(3)fidelity为数学模型的逼真度，是指数学模型对仿真对象整体或某个状态/行为描述的忠实程度。在卫星导航系统数学模型颗粒度的约束下，卫星导航系统数学模型的逼真度分为两中类型，分别定义为I型逼真度、II型逼真度。

I型逼真度：指具备下一层颗粒度的数学模型的逼真度，该类数学模型的逼真度与下一层颗粒度数学模型的类型及逼真度有关；

II型逼真度：指不具备下一层颗粒度的数学模型的逼真度，该类数学模型的逼真度与模型建立时采用的方法有关。

2)MR为数学模型的约束准则，主要为数学模型体系的功能对数学模型的逼真度的约束。

3、数学模型体系的构建准则R

R为数学模型组成体系遵循的规则，该规则是根据数学模型的属性建立的。根据卫星导航系统数学模型的属性对卫星导航系统中的模型进行分类，如表1所示。由卫星导航系统数学模型构建数学模型体系时遵循的规则具体包括以下几点：

1)同一分支的数学模型功能一致；

2)数学模型的颗粒度层级关系与实际卫星导航系统一致；

3)数学模型的逼真度与数学模型体系的功能一致。

本发明在以上技术方案的指导下建立一种卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系，满足卫星导航系统论证、设计、建设、应用四个阶段的功能、性能验证/测试的需求，该数学模型体系包含了卫星导航系统中最全面颗粒度和逼真度的数学模型。在该数学模型体系的基础上，可根据新的数学模型体系需求快速建立新的数学模型体系。

本发明的卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法，主要是以以卫星导航系统论证、设计、建设、应用四个阶段的功能、性能验证/测试为驱动，根据面向实体建模和功能建模相结合的思想，将卫星导航系统级验证/测试与评估所涉及的物理实体或系统，采用自顶向下、逐层细化的方法进行模型化，按照数学模型体系建立的技术方案建立一种卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系。

如图1所示，本发明的卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法，其具体步骤为：

S1：以卫星导航系统验证、设计、建设及应用四个阶段的功能、性能验证/评估为驱动，确定卫星导航系统的验证/测试与评估项目，形成待测项的验证/测试与评估方法。对卫星导航系统的系统性能、星座性能、系统业务、信息接口连通性等功能、性能的验证/测试与评估项及其验证/测试与评估方法进行抽象，形成验证/测试与评估模型，该类数学模型是对卫星导航系统中实体/功能的操作的抽象简化，卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系的核心；

S2：根据开展卫星导航系统验证、设计、建设及应用四个阶段的验证/测试与评估项需要的驱动数据，确定生成驱动数据的卫星导航物理系统或实体。对卫星导航物理系统实体/功能进行抽象，形成系统级仿真模型，该类模型是卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系的基础；

S3：建立卫星导航系统验证/测试与评估模型、系统级仿真模型后，为保证它们的正确性、有效性，需进行自闭合验证。对自闭合验证项及方法进行抽象，形成自闭合验证模型，该类模型是对卫星导航系统验证/测试与评估模型、系统级仿真模型的操作的抽象简化，是卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系可靠性、可信度的保障。

在具体应用实例中，上述步骤S1中，测试与评估模型是卫星导航系统级测试与评估模型体系的核心，直接完成对被评估项的验证/测试与评估，本实例采用自顶向下、逐层细化的方法对测试与评估模型进行构建，结合模型的颗粒度和逼真度对验证/测试与评估模型进行构建，形成3级模型颗粒度+II型模型逼真度的验证/测试与评估模型结构。如图2所示，具体包括如下步骤：

S101：根据卫星导航系统的组成及相互关系建立一级颗粒度模型，将验证/测试与评估数学模型分为系统级验证/测试与评估模型、卫星级验证/测试与评估模型、地面级验证/测试与评估模型和用户级验证/测试与评估模型4类；

S102：根据卫星导航系统评估项的类型，在一级颗粒度模型的基础上建立二级颗粒度模型。二级颗粒度模型包括多个层次结构，层级越高的模型颗粒度越大，其主要是在建立的一级颗粒度模型的基础上，根据评估项的类型进行逐层细化；

S103：在二级颗粒度模型最底层结构模型的基础上建立三级颗粒度模型，得到卫星导航系统的最小验证/测试与评估项；

S104：针对三级颗粒度模型，根据验证/测试与评估方法的不同建立不同II型逼真度的多种模型。

在具体应用实例中，上述步骤S2中，系统级仿真模型是卫星导航系统试验验证与测试与评估数学模型体系的基础，为被评估项提供所需的驱动数据，其采用自顶向下、逐层细化的方法，结合模型的颗粒度和逼真度对系统级仿真模型进行构建。系统级仿真模型的对象是全球卫星导航系统中的实体，根据卫星导航系统的组成特点，按照系统、子系统、模块、单元的层次结构建立系统级仿真模型，其中，单元层模型是能够实现单个最小功能的模型的抽象，单元层模型通过组合形成具有独立功能的模块层模型，多个功能模块组成子系统模型，多个子系统进行集成组成卫星导航系统。因此形成4级模型颗粒度+II型模型逼真度的系统级仿真模型，模型颗粒度级别越高，所属的层级结构越高，即模型的颗粒度越大。如图3所示，本实例中其建立包括如下步骤：

S201：将全球卫星导航系统对应的系统层建立为一级颗粒度模型，属于最高层次的宏观模型；

S202：根据卫星导航系统的组成及特点建立二级颗粒度模型，将一级颗粒度模型分为卫星子系统、地面运控子系统、应用子系统、空间环境子系统和时空基准子系统5个子系统；

S203：根据卫星导航系统各组成部分的功能对二级颗粒度模型进行细化，建立三级颗粒度模型。三级颗粒度模型为具有独立功能的模块，由于实际卫星导航系统中独立功能模块完成功能范围的不同包含多个层次的模块，因此，三级颗粒度模型包括多个层次结构的功能模块；

S204：在三级颗粒度模型的基础上进行功能细化，建立具备最小功能的单元层模型，形成四级颗粒度模型；

S205：针对四级颗粒度模型，根据功能实现方法的不同建立不同II型逼真度的多种模型。

以常用的电离层模型为例说明针对四级颗粒度模型建立不同II型逼真度模型的过程。电离层模型主要仿真星地环境中的电离层对卫星发射信号的传播延迟，该模型可通过多种方法建立。如图4所示，通过不同方法建立多种电离层模型后，对它们的II型逼真度进行分析，按照II型逼真度从小到大的顺序进行排列。当有新的电离层模型时，根据其II型逼真度大小将其纳入电离层的多逼真模型中，即纳入卫星导航系统试验验证与测试与评估数学模型体系中。

在具体应用实例中，上述步骤S3中，自闭合验证模型是卫星导航系统级测试与评估可靠性、可信度的保障，自闭合验证模型的建立包含如下步骤：

S301：根据被验证模型的类型，将自闭合验证模型分为验证/测试与评估模型验证模型、系统级仿真模型验证模型、信号源验证模型3类；

在关键单机的测试与评估中，需使用通用仪器和信号模拟源，通用仪器根据生产厂家提供的说明书进行校准，信号模拟源为定制设备，在使用前需对其进行自检自校。

S302：在第一步建立的3类验证模型的基础上，针对验证/测试与评估模型和系统级仿真模型中建立的不同颗粒度和II型逼真度模型，建立其验证模型。

由上可知，本发明主要用来解决卫星导航系统在论证、设计、建设、应用四个阶段涉及的方案验证、关键技术验证、系统性能评估、系统功能测试评估所需的验证与测试评估、系统仿真数学模型体系问题。

1)卫星导航系统是一个规模庞大、组成复杂的大系统，其各组成部分内部及之间具有极其复杂接口关系，导致卫星导航系统在论证、设计、建设、应用四个阶段的功能、性能评估项是多层次的、复杂的。

2)针对卫星导航系统的功能、性能评估项，采用的评估方法决定了评估结果的有效性和可靠性，单一的评估方法往往不能全面的评估卫星导航系统的功能、性能。

3)完善的卫星导航系统试验验证和测试评估模型体系不仅包含了卫星导航系统功能、性能的评估模型，而且包含为评估模型提供驱动数据的卫星导航系统仿真模型，涉及的模型层次和模型种类众多，制约了卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系的建立。

4)在卫星导航系统建设完成前，缺少系统功能、性能的验证/测试环境，同时，系统功能、性能的验证/测试需要进行重复性的试验，因此需要卫星导航系统仿真模型构建仿真系统。卫星导航系统的复杂性、评估项的多层次性及评估结果的有效性要求导致卫星导航系统仿真模型的复杂性、多样性，并对仿真模型的逼真度提出了不同的需求。

由以上四点分析可知，建立一种满足卫星导航系统论证、设计、建设、应用四个阶段的功能、性能验证/测试与评估需求的数学模型体系存在一定的技术困难，而本发明的方法就能够真正用来解决上述问题。

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 (2)

1.一种卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法，其特征在于，步骤为：

S1：以卫星导航系统验证、设计、建设及应用四个阶段的功能、性能验证/评估为驱动，确定卫星导航系统的验证/测试与评估项，形成待测项的验证/测试与评估方法；

S2：根据开展卫星导航系统验证、设计、建设及应用四个阶段的验证/测试与评估项需要的驱动数据，确定生成驱动数据的卫星导航物理系统或实体；对卫星导航物理系统实体/功能进行抽象，形成系统级仿真模型，该类模型是卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型体系的基础；具体步骤为：

S201：将全球卫星导航系统对应的系统层建立为一级颗粒度模型，属于最高层次的宏观模型；

S202：根据卫星导航系统的组成及特点建立二级颗粒度模型，将一级颗粒度模型分为卫星子系统、地面运控子系统、应用子系统、空间环境子系统和时空基准子系统5个子系统；

S203：根据卫星导航系统各组成部分的功能对二级颗粒度模型进行细化，建立三级颗粒度模型；三级颗粒度模型为具有独立功能的模块，三级颗粒度模型包括多个层次结构的功能模块；

S204：在三级颗粒度模型的基础上进行功能细化，建立具备最小功能的单元层模型，形成四级颗粒度模型；

S205：针对四级颗粒度模型，根据功能实现方法的不同建立不同II型逼真度的多种模型；所述II型逼真度指不具备下一层颗粒度的数学模型的逼真度，该类数学模型的逼真度与模型建立时采用的方法有关；

S3：建立卫星导航系统验证/测试与评估模型、系统级仿真模型后，进行自闭合验证；对自闭合验证项及方法进行抽象，形成自闭合验证模型；具体步骤为：

S301：根据被验证模型的类型，将自闭合验证模型分为验证/测试与评估模型验证模型、系统级仿真模型验证模型、信号源验证模型3类；

S302：在第一步建立的3类验证模型的基础上，针对验证/测试与评估模型和系统级仿真模型中建立的不同颗粒度和II型逼真度模型，建立其验证模型。

2.根据权利要求1所述的卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法，其特征在于，在所述S1中包括采用自顶向下、逐层细化的方法对测试与评估模型进行构建，具体包括如下步骤：

S101：根据卫星导航系统的组成及相互关系建立一级颗粒度模型，将验证/测试与评估数学模型分为系统级验证/测试与评估模型、卫星级验证/测试与评估模型、地面级验证/测试与评估模型和用户级验证/测试与评估模型4类；

S102：根据卫星导航系统评估项的类型，在一级颗粒度模型的基础上建立二级颗粒度模型；二级颗粒度模型包括多个层次结构，层级越高的模型颗粒度越大，其是在建立的一级颗粒度模型的基础上，根据评估项的类型进行逐层细化；

S103：在二级颗粒度模型最底层结构模型的基础上建立三级颗粒度模型，得到卫星导航系统的最小验证/测试与评估项；

S104：针对三级颗粒度模型，根据验证/测试与评估方法的不同建立不同II型逼真度的多种模型；所述II型逼真度指不具备下一层颗粒度的数学模型的逼真度，该类数学模型的逼真度与模型建立时采用的方法有关。