CN111025343A - 一种卫星导航信息自动化监测评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星导航信息自动化监测评估方法，克服传统手工方式费力费时、测试不全面等缺点，协助设计人员及时发现设计问题，实现对接收机功能、性能等指标实现情况的全方位掌控，对设计人员出现的问题提供修改建议，提高产品设计的质量和可靠性。该发明采用模块化设计，具有可移植性、可扩展性，可以实现对卫星导航接收机导航信息进行实时监测和评估，在多种型号接收机中已得到验证，导航信息监测评估效率提升90％，产品测试问题检测成功率提高到99％以上，提高了问题检测率，产品质量得到了保障。本发明具有可操作性、效率高、可靠性强、易实现等特点。

Description

一种卫星导航信息自动化监测评估方法
技术领域
本发明涉及一种卫星导航信息自动化监测评估方法,属于卫星导航定位技术领域，可应用于星载、机载、地面等不同环境下的卫星导航产品的信息自动化监测与评估。
背景技术
航天技术日新月异，卫星平台和用户对星载、机载等卫星导航接收机功能和性能的需求进一步提高，需攻克的关键技术逐渐增多，研制周期越来越短。如何在研制人员无法有效补充的情况下，高质量高效率的完成研制任务，提供给用户最满意的产品，是目前卫星导航软件产品研制所面临的压力。只有提高设计和测试效率，尽可能实现设计、测试的标准化和自动化，依靠设计和设备减少对人工成本的依赖，是解决目前研制任务压力大最有效的途径之一，也是提高产品设计质量的重要保障。
星载导航产品由于其研制特点，在各个设计和试验过程中会产生大量的测试数据，以某定轨接收机为例，据不完全统计，目前已累计产生近百千兆的测试数据。传统的数据分析主要依靠设计和测试人员利用Origin\Excel等软件进行导入、计算、评估。面对这么大量的测试数据，同时测试数据分析过程极其繁琐和枯燥，设计人员和测试人员需要花费大量的时间和精力去完成分析评估，这在一定程度上减少了设计时间，给本来设计时间就有限的设计人员造成了巨大的压力。同时，由于时间有限，人工分析方法很容易出现漏判、错判的现象，这给产品质量带来了隐患。
为解决上述问题，急需设计一种卫星导航接收机导航信息自动化监测和评估技术的研究工作，克服传统手工方式费力费时、测试不全面等缺点，对多种导航产品的信息进行全方位自动化评估，协助设计人员及时发现设计问题，实现对接收机功能、性能等指标实现产品状态的全方位掌控，从而提高产品设计的质量和可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有分析技术的不足，提供一种卫星导航信息自动化监测评估方法，对多种导航产品的信息进行全方位自动化评估，协助设计人员及时发现设计问题，实现对接收机功能、性能等指标实现产品状态的全方位掌控，从而提高产品设计的质量和可靠性。
本发明的技术解决方案是：
一种卫星导航信息自动化监测评估方法，包括以下步骤：
(1)自动化监测评估进行初始化，初始化参数包括信息结构体初始化等。
(2)数据解析，将数据按照既定格式进行解析，获取导航相关信息，包括时间、伪距、载波相位和多普勒等。
(3)关键导航信息选取。选取关键导航参数，并设置阀值，当实时测量值超过阀值时，自动化监测与评估平台提出告警，提示接收机状态变化。最终选取数据连续性、原始观测量、定位精度、测速精度、定位状态、载噪比、PDOP等能反映卫星导航接收机基本状态的功能和性能信息。
(4)经过步骤(3)选取完上述可以作为预警的导航信息类型后，应确定其阀值，不同的导航信息选取阀值的标准不同，并且部分导航信息不太容易确定绝对阀值，应通过相对量阀值判别该信息的正确性；在关注接收机功能、性能指标的同时，也需对产品的可靠性如导航信息的连续性作出实时判别。
(5)根据步骤(3)、(4)确定的导航信息以及预警阈值进行实时数据处理评估，包括数据连续性判读、位置速度精度评估、原始观测数据精度评估、信号强度变化评估等内容；
(6)将步骤(5)中实时数据处理的结果进行输出，评估结果输出方式选择文本、Word图表、Renix3.02三种方式，文本文件方便用户对数据进行详细查看，而对于某些信息采用图表的方式使评估人员对该信息这段时间的变化曲线能一目了然，Renix3.02方便评估人员对原始观测信息进行事后分析。
进一步的，所述步骤(5)中数据连续性判读，具体为：
数据连续性是产品可靠性重要指标之一，可通过数据采样率判断数据是否连续，当采样数据相邻历元间隔时间大于采样率时，表明数据输出已出现不连续现象。造成数据丢失的原因有很多，数据发送、数据接收等错误都有可能造成数据丢失，更严重可能反映出产品设计其他问题，如硬件设计、软件设计时序、计时等更深层次的问题。因此数据连续性判读是数据预警和评估的重要组成部分。
进一步的，所述步骤(5)中位置速度精度误差，计算公式为；
Figure BDA0002325109770000031
式中：Δ是实时定位结果与基准的互差，即Δ＝x-x0，x为实时定位位置坐标分量或者速度分量，x0为基准位置坐标分量或者速度分量。
位置速度精度(包括单点、差分)是导航接收机最重要的指标之一。其评估方法一般分为两种，静态测试和动态测试。静态测试精度评估可以通过输入被测点精准坐标(理论值或精度至少高一个数量级)与卫星导航接收机测量值进行比较获得；动态测试一般通过卫星导航模拟器进行测试，将卫星导航接收机测量值与模拟器标准信息进行比对。无论是静态测试还是动态测试，都是用互差的均方根评估实时定位和测速误差。
进一步的，所述步骤(5)中，原始观测数据精度，采用适用单机测量的三差技术，具体实现方法如图2所示：
(a)计算当前某卫星的原始观测数据和前一历元该星原始观测数据差值，该差值作为一次差；一次差之间相减，其结果作为二次差；二次差之间相减，其结果为三次差。如下式所示：
C′i＝Ci-Ci-1,C″i＝C′i-C′i-1
C″′i＝C″i-C″i-1＝Ci-3Ci-1+3Ci-2-Ci-3
(b)根据三次差分结果计算
Figure BDA0002325109770000041
(n为原始观测数据的个数)，
Figure BDA0002325109770000042
即为原始观测数据的精度评估结果。
进一步的，所述步骤(5)中，信号强度变化，具体如下：卫星导航接收机信号接收强度不但反映了接收机工作状态，更是直接体现了信号接收质量。在正常情况下，信号接收强度跟导航卫星相对于接收机的仰角有关，不同的仰角信号强度不同，但其变化相对平缓，不会有剧烈抖动。如果有超过阈值的抖动，则认为接收机工作出现部分异常。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)、本发明充分克服了传统分析的缺点，大幅缩短了测试和数据评估的时间，效率提高达到90％以上；
(2)、本发明采用自动化评估，提高了发现问题的概率，提高了产品设计质量和可靠性；
(3)、本发明在原始测量数据评估中采用的三差方法，摆脱了传统方法对两台接收机的依赖，实现基于单机的原始测量数据评估算法；
(4)、本发明具有通用性和兼容性等特点，可适用于不同类型的卫星导航接收机信息监测与评估；
附图说明
图1为本发明技术的总体处理流程图；
图2为原始观测数据评估算法流程图；
图3为方法一的原始测量评估三差法得出的GPS12号卫星L1频点的载波相位误差时序图；
图4为方法二的原始测量评估三差法得出的GPS12号卫星L2频点的载波相位误差时序图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明提出一种卫星导航信息自动化监测评估方法，该技术在卫星接收机信息的应用背景下，对卫星导航接收机的信息进行自动化监测与评估，实现对接收机功能、性能等指标实现情况的全方位掌控。该技术在多种型号接收机平台上进行了模拟测试，分析效率平均提高了90％以上，问题检测概率提高到99％，相较于常规监测与评估方法，时间均大幅缩短，同时准确率大幅提升，很大程度上提高了导航设备软件设计的可靠性。本发明具有理论清晰、精度高、可靠性强、易实现等特点。
如图1所示为本发明方法的流程图，本发明包括以下步骤：
(1)自动化监测评估进行初始化，初始化参数包括信息结构体初始化等。
(2)数据解析，将数据按照既定格式进行解析，获取导航相关信息，包括时间、伪距、载波相位和多普勒等。
(3)关键导航信息选取。选取关键导航参数，并设置阀值，当实时测量值超过阀值时，自动化监测与评估平台提出告警，提示接收机状态变化。最终选取数据连续性、原始观测量、定位精度、测速精度、定位状态、载噪比、PDOP等能反映卫星导航接收机基本状态的功能和性能的信息。
(4)经过步骤(3)选取完上述可以作为预警的导航信息类型后，应确定其阀值，不同的导航信息选取阀值的标准不同，并且部分导航信息不太容易确定绝对阀值，应通过相对量阀值判别该信息的正确性；在关注接收机功能、性能指标的同时，也需对产品的可靠性如导航信息的连续性作出实时判别。
(5)根据步骤(3)、(4)确定的导航信息以及预警阈值进行实时数据处理评估，包括数据连续性判读、位置速度精度评估、原始观测数据精度评估、信号强度变化评估等内容；
数据连续性是产品可靠性重要指标之一，可通过数据采样率判断数据是否连续，当采样数据相邻历元间隔时间大于采样率时，表明数据输出已出现不连续现象。造成数据丢失的原因有很多，数据发送、数据接收等错误都有可能造成数据丢失，更严重可能反映出产品设计其他问题，如硬件设计、软件设计时序、计时等更深层次的问题。因此数据连续性判读是数据预警和评估的重要组成部分。
位置速度精度(包括单点、差分)是导航接收机最重要的指标之一。其评估方法一般分为两种，静态测试和动态测试。静态测试精度评估可以通过输入被测点精准坐标(理论值或精度至少高一个数量级)与卫星导航接收机测量值进行比较获得；动态测试一般通过卫星导航模拟器进行测试，将卫星导航接收机测量值与模拟器标准信息进行比对。无论是静态测试还是动态测试，都是用互差的均方根评估实时定位和测速误差。位置速度精度误差计算公式为；
Figure BDA0002325109770000061
式中：Δ是实时定位结果与基准的互差，即Δ＝x-x0，x为实时定位位置坐标分量或者速度分量，x0为基准位置坐标分量或者速度分量。
原始观测数据精度，采用适用单机测量的三差技术，具体实现方法如图2所示：
计算当前某卫星的原始观测数据和前一历元该星原始观测数据差值，该差值作为一次差；一次差之间相减，其结果作为二次差；二次差之间相减，其结果为三次差。如下式所示：
C′i＝Ci-Ci-1,C″i＝C′i-C′i-1
C″′i＝C″i-C″i-1＝Ci-3Ci-1+3Ci-2-Ci-3
根据三次差分结果计算
Figure BDA0002325109770000071
(n为原始观测数据的个数)，
Figure BDA0002325109770000072
即为原始观测数据的精度评估结果。
信号强度变化，具体实现方法如下：卫星导航接收机信号接收强度不但反映了接收机工作状态，更是直接体现了信号接收质量。在正常情况下，信号接收强度跟导航卫星相对于接收机的仰角有关，不同的仰角信号强度不同，但其变化相对平缓，不会有剧烈抖动。如果有超过阈值的抖动，则认为接收机工作出现部分异常。
图3图4给出了原始测量评估三差法得出的GPS12号卫星L1和L2频点的载波相位误差时序图以及信号强度时序图。
(6)将步骤(5)中实时数据处理的结果进行输出，评估结果输出方式选择文本、Word图表、Renix3.02三种方式，文本文件方便用户对数据进行详细查看，而对于某些信息采用图表的方式使评估人员对该信息这段时间的变化曲线能一目了然，Renix3.02方便评估人员对原始观测信息进行事后分析。
本发明设计了评估测试方案，选取五个代表性的项目，对拷机两小时数据量(数据输出频率统一为1HZ)进行数据分析评估，处理时间不得超过1小时，两套评估测试方法，方法一为传统方法进行导航信息分析，方法二为卫星导航信息自动化监测评估。各方法的处理结果采用评估时长以及问题检测概率来评估。
数据分析的质量可以用问题检测率来衡量，它的计算公式是:
Figure BDA0002325109770000073
问题检测率越高，表明发现的问题越多，因此提高问题检测成功率是对软件的质量的保证。
各方法的数据评估结果统计情况如表1至表2所示。
表1两套方法的评估时间统计表
Figure BDA0002325109770000081
表2两套方法的问题检测率统计表
Figure BDA0002325109770000082
比较两套评估测试方法的所用时间，可以看出，方法一传统方法平均评估时间为49.8分钟，问题检测概率平均为65.8％；方法二卫星导航信息自动化监测评估方法的平均评估时间为2.82分钟，问题检测概率达到了100％，相较于方法一，评估效率提高了94％；同时方法二的问题检测概率提高到了100％，很大程度上提高了导航设备软件设计的可靠性，对于实时监测和评估的卫星导航设备具有重要的应用价值。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种卫星导航信息自动化监测评估方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)数据解析，将卫星导航数据按照既定格式进行解析，获取导航相关信息，包括时间、伪距、载波相位和多普勒；
(2)选取关键导航信息；
(3)经过步骤(2)选取完作为预警的导航信息类型后，确定其阀值；
(4)根据步骤(2)、(3)确定的关键导航信息以及预警阈值进行实时数据处理评估，包括数据连续性判读、位置速度精度、原始观测数据精度以及信号强度变化；
(5)将步骤(4)中实时数据处理的结果进行输出。
2.根据权利要求1所述的一种卫星导航信息自动化监测评估方法，其特征在于：关键导航参数包括数据连续性、原始观测量、定位精度、测速精度、定位状态、载噪比以及PDOP。
3.根据权利要求2所述的一种卫星导航信息自动化监测评估方法，其特征在于：关键导航参数设置阀值，当实时测量值超过阀值时，提出告警，提示接收机状态变化。
4.根据权利要求1所述的一种卫星导航信息自动化监测评估方法，其特征在于：步骤(4)中数据连续性判读，具体为：通过数据采样率判断数据是否连续，当采样数据相邻历元间隔时间大于采样率时，表明数据输出已出现不连续。
5.根据权利要求1所述的一种卫星导航信息自动化监测评估方法，其特征在于：步骤(4)中，位置速度精度误差计算公式为；
Figure FDA0002325109760000011
式中：Δ是实时定位结果与基准的互差，即Δ＝x-x0，x为实时定位位置坐标分量或者速度分量，x0为基准位置坐标分量或者速度分量，n为原始观测数据的个数。
6.根据权利要求1所述的一种卫星导航信息自动化监测评估方法，其特征在于：步骤(4)中，原始观测数据精度，采用适用单机测量的三差方法实现：
(a)计算当前某卫星的原始观测数据和前一历元该星原始观测数据差值，该差值作为一次差；一次差之间相减，其结果作为二次差；二次差之间相减，其结果为三次差；如下式所示：
C′i＝Ci-Ci-1,C″i＝C′i-C′i-1
C″′i＝C″i-C″i-1＝Ci-3Ci-1+3Ci-2-Ci-3
(b)根据三次差分结果计算
Figure FDA0002325109760000021
Figure FDA0002325109760000022
即为原始观测数据的精度评估结果。
7.根据权利要求1所述的一种卫星导航信息自动化监测评估方法，其特征在于：所述步骤(4)中，信号强度变化，具体实现方法如下：导航卫星相对于接收机的仰角如果有超过阈值的抖动，则认为接收机工作出现部分异常。
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