CN111679295A

CN111679295A - 一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法

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Publication number: CN111679295A
Application number: CN202010745925.4A
Authority: CN
Inventors: 尹继东; 张启; 何宁; 陈自然
Original assignee: Academy Of Aerospace Science Technology And Communications Technology Co ltd
Current assignee: Academy Of Aerospace Science Technology And Communications Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2020-09-18
Anticipated expiration: 2040-07-29
Also published as: CN111679295B

Abstract

本发明是一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法，其中星基增强系统通信网络由若干个子系统组成，所述的子系统包括观测站子系统、数据处理中心、地面上行站、GEO卫星，该评估方法首先确定星基增强系统通信网络结构；接着按照信息传递的方向，任意一个子系统表示组成系统的一个部件，并记为一条弧，连接点为相应的节点；将全部子系统之间的通信关系转化为等价的网格图，所述的网格图由若干条弧组成；并分别计算节点间每条弧的可靠度；最后，根据网格图内弧与弧的结构顺序关系，计算星基增强系统通信网络的整体可靠度。该种可靠性评估方法建立了网络可靠性评估模型，为星际增强系统通信网络提供了一种可靠性评估方法。

Description

一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法

技术领域

本发明是涉及导航增强网络可靠性技术领域，具体的说是一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)可为用户提供全天时、全天候高精度的导航定位服务，已广泛应用于航空、航海、测绘、汽车导航等行业。但受制于卫星导航误差以及用户位置等多方面的影响，部分区域仅依赖GNSS并不能到达理想的导航定位效果，同时一些对导航性能有特殊要求的领域，如航空、测绘等，单独使用GNSS也不能完成相应要求的导航定位服务。基于以上原因，星基增强系统应运而生，星基增强系统通过地球静止轨道卫星(GEO)上搭载的透明转发器，向用户播发完好性信息和修正信息(包括星历误差、卫星钟差、电离层延迟等)，提供测距信号来增强导航信号，提高导航系统的定位精度。

通信网络的可靠性不仅与通信设备、链路有关，还与网络结构有关，它是网络设计、维护和管理的理论依据。对于星基增强系统而言，其网络可靠性是其重要的整体指标，它保障了用户能够无故障接收完好性数据及修正信息。目前，针对网络的可靠性评估方法大多集中在设备、网络业务处理方面，由于星基增强系统的复杂性、实时性、动态性，观测站子系统网络结构的特殊性，采用该类方法进行可靠性评估存在不足。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法，通过计算网络可靠度来定量分析其网络的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法，所述的星基增强系统通信网络由若干个子系统组成，所述的子系统包括观测站子系统、数据处理中心、地面上行站、GEO卫星，其特征在于：所述的观测站子系统用于接收导航卫星播发的导航信号以获得伪距定位信息，并将其传输至数据处理中心；所述的观测站子系统包括N个并联的子观测站，不少于k个子观测站同时工作用于获得完好性导航增强信息，1≤k≤N；所述的数据处理中心用于将接收信息和基准信息比较并计算，得到各个卫星的误差修正信息，并将误差修正信息发送至地面上行站；所述的地面上行站用于将误差修正信息发送给GEO卫星；所述的GEO卫星用于将接收到的误差修正信息发送给地面接收端，提高地面接收端的定位精度；

所述的星基增强系统通信网络的可靠性评估方法具体步骤如下：

步骤1，确定星基增强系统通信网络结构；

步骤2，按照信息传递方向，任意一个子系统表示组成系统的一个部件，并记为一条弧，连接点为相应的节点；

步骤3，将全部子系统之间的通信关系转化为等价的网格图，所述的网格图由若干节点和弧组成；

步骤4，分别计算每个子系统节点对之间弧的可靠度；

步骤5，根据网格图内弧与弧的结构顺序关系，计算星基增强系统通信网络的整体可靠度。

所述的步骤3中网格图由四条弧组成，分别为观测站系统将数据参数传输至数据处理中心、数据处理中心将数据参数传输至地面上行站、地面上行站将数据参数传输至GEO卫星、GEO卫星将数据参数传输至地面接收端。

所述的步骤4中观测站子系统数据传输时的网络可靠度计算方式如下：

设N个观测站具有同等功能，且设计可靠度完全相同，将N个观测站组成的机械并联结构等价转换成网络结构，即为N中取大于等于k个观测站，先串联，再并联。则全部N个并联的子观测站，任意不少于k个子观测站正常工作的概率为：

其中，R_rs为观测站机械结构等价转化成网络结构后计算获得的观测站子系统网络可靠度，

表示等价转化结构具有m种组合方式，且m的值或大或小，由组合值决定，Π表示乘法运算，R₀为网络化结构中每个各观测站的设计可靠度。

所述的步骤4中数据处理中心数据传输时的网络可靠度计算方式如下：

所述的数据处理中心包括常用处理中心和贮备处理中心，所述的常用处理中心用于完成观测站数据接收与处理，实现GNSS精密轨道确定、GNSS精密钟差确定、区域电离层建模，生成增强信息输出给上行站，所述的贮备处理中心用于在常用处理中心故障时替代常用处理中心功能，且贮备部件转换过程完全可靠，所述的数据处理中心网络可靠度为：

R_dpc＝1-(1-R_dpc1)*(1-R_dpc2)

其中，R_dpc为数据处理中心的可靠度；R_dpc1为常用处理中心的可靠度；R_dpc2为贮备处理中心的可靠度；*表示卷积运算。

所述的步骤5网格图内弧与弧的结构顺序关系为串联结构，通信数据在观测站系统、数据处理中心、地面上行站、GEO卫星和地面接收端之间顺次传递。

所述的步骤5中星基增强系统通信网络的整体可靠度计算方式如下：

R＝R_rs×R_dpc×R_ups×R_geo

其中，R为星基增强系统通信网络的整体可靠度；R_rs为观测站子系统的网络可靠度；R_dpc为数据处理中心的网络可靠度；R_ups为地面上行站设计可靠度；R_geo为GEO卫星设计可靠度。

本发明一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法的有益效果是：第一，从星基增强系统网络结构出发，以概率论为基础建立了星基增强系统通信网络可靠性定量评估方法；第二，该方法在分析观测站子系统网络可靠性方面克服了机械表决系统带来的结构误区，给观测站子系统网络可靠性评估提供了一种途径；第三，该方法可对星基增强系统通信网络的优化设计提供理论依据。

附图说明

图1为本发明一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法的流程图。

图2为本发明种一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法中星基增强系统通信网络的通信数据传递方向示意图。

图3为本发明一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法中星基增强系统通信网络结构转化得到的网格图示意图。

图4为观测站子系统的机械结构图，即为N个观测站中有k个站正常工作。

图5为图4观测站子系统等价网络可靠性框图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法，其中星基增强系统通信网络由若干个子系统组成，所述的子系统包括观测站子系统、数据处理中心、地面上行站、GEO卫星，其特征在于：所述的观测站子系统用于接收导航卫星播发的导航信号以获得伪距定位信息，并将其传输至数据处理中心；所述的观测站子系统包括N个并联的子观测站，不少于k个子观测站同时工作用于获得完好性导航增强信息，1≤k≤N；所述的数据处理中心用于将接收信息和基准信息比较并计算，得到各个卫星的误差修正信息，并将误差修正信息发送至地面上行站；所述的地面上行站用于将误差修正信息发送给GEO卫星；所述的GEO卫星用于将接收到的误差修正信息发送给地面接收端，提高地面接收端的定位精度；

通信网络的可靠性是指通信网在特定环境下，规定时间内，完成正常通信需求的概率，可通过其可靠度、失效率来定量分析和度量。通常一个通信网络可以看是由一些节点及连接某些节点对之间的弧组成的一个图形，对于一个由多部件组成的通信网络，每个部件可看成是一条弧，每条弧有其寿命，因而某些弧的失效会使系统失效。对于给定的通信网络，若网络中的弧失效后不可修，则每条弧在T时刻工作的概率即为其可靠度，若网络中的弧失效后可修，则每条弧在T时刻工作的概率即为其可用度，但由于在网络系统中可靠度与可用度求法一致，故此，对于一个给定的网络，若v₁，v₂为指定的两个节点，则该网络的可靠度可表示为v₁可以到达v₂的概率，即：

R＝P{v₁可以到达v₂}

对于一个n条弧组成的串联结构网络，任意一条弧故障，则相邻两节点间无法形成通路，网络故障，用d_i表示该条弧正常这一事件，记p_i＝P(d_i)，i＝1,2,…,n i＝1,2,…,n。此时该串联结构网络系统的可靠度为：

同理，对于n条弧组成的的并联结构网络系统，其可靠度为：

本实施例中，星基增强系统通信网络的可靠性评估方法具体步骤如下：

步骤1，确定星基增强系统通信网络结构；

步骤4，分别计算每个子系统节点对之间弧的可靠度；

步骤2中，将网络功能关系通过框图表示出来，其中每一个框表示组成系统的一个子系统，从可靠性框图出发，将任意一个子系记为一条弧，相应的连接点为节点，就可变成相应的网络。星基增强系统可以看成是一个观测站子系统、数据处理中心、地面上行站、GEO卫星组成的串联机械系统，其通信网络的可靠性框图如图3所示，网格图由四条弧组成，网络信息的传递方式为观测站系统将数据参数传输至数据处理中心、数据处理中心将数据参数传输至地面上行站、地面上行站将数据参数传输至GEO卫星、GEO卫星将数据参数传输至地面接收端。

进一步的，步骤4中观测站子系统数据传输时的网络可靠度计算方式如下：

N个子观测站采用并联结构设计，某一个子观测站故障不影响其他子观测站的工作，但通常情况下星基增强系统想要获得完好性导航增强信息，至少要保证有k个观测站正常工作，1≤k≤N，即当子观测站故障的个数大于或等于N-k+1时，认为系统不能提供完好性导航增强信息，此时我们认为该通信网络故障。设N个观测站具有同等功能，且设计可靠度完全相同，将N个观测站组成的机械并联结构等价转换成网络结构，即为N中取大于等于k个观测站，先串联，再并联。对于一个N中取k的观测站结构，转换方式如图4和图5所示。则全部N个并联的子观测站，任意不少于k个子观测站正常工作的概率为：

进一步的，步骤4中数据处理中心的网络可靠度计算方式如下：所述的数据处理中心包括常用处理中心和贮备处理中心，所述的常用处理中心用于责完成观测站数据接收与处理，实现GNSS精密轨道确定、GNSS精密钟差确定、区域电离层建模，生成增强信息输出给上行站，所述的贮备处理中心用于在常用处理中心故障时替代常用处理中心功能，且贮备部件转换过程完全可靠，所述的数据处理中心可靠度为：

R_dpc＝1-(1-R_dpc1)*(1-R_dpc2)

其中，R_dpc为数据处理中心的可靠度；R_dpc1为常用处理中心的可靠度；R_dpc2为贮备处理中心的可靠度；*表示卷积。所述的常用处理中心的可靠度和贮备处理中心的可靠度由组成设备及设计要求获得。

进一步的，所述的步骤5中星基增强系统通信网络的整体可靠度计算方式如下：

R＝R_rs×R_dpc×R_ups×R_geo

其中，R为星基增强系统通信网络的整体可靠度；R_rs为观测站子系统的可靠度；R_dpc为数据处理中心的可靠度；R_ups为地面上行站的设计可靠度；R_geo为GEO卫星的设计可靠度。相关部件的设计可靠度由其设计规格决定。

该种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法从网络结构的角度出发，建立了星基增强系统通信网络可靠性评估理论，基于系统的机械可靠性，结合网络业务流程图，建立了网络可靠性评估模型，为星际增强系统通信网络提供了一种可靠性评估方法，该方法在星基增强系统通信网络的可靠性设计方面具有重要意义。

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

1.一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法，所述的星基增强系统通信网络由若干个子系统组成，所述的子系统包括观测站子系统、数据处理中心、地面上行站、GEO卫星，其特征在于：所述的观测站子系统用于接收导航卫星播发的导航信号以获得伪距定位信息，并将其传输至数据处理中心；所述的观测站子系统包括N个并联的子观测站，不少于k个子观测站同时工作用于获得完好性导航增强信息，1≤k≤N；所述的数据处理中心用于将接收信息和基准信息比较并计算，得到各个卫星的误差修正信息，并将误差修正信息发送至地面上行站；所述的地面上行站用于将误差修正信息发送给GEO卫星；所述的GEO卫星用于将接收到的误差修正信息发送给地面接收端，提高地面接收端的定位精度；

步骤1，确定星基增强系统通信网络结构；

步骤4，分别计算每个子系统节点对之间弧的可靠度；

2.如权利要求1所述的一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法，其特征在于：所述的步骤3中网格图由四条弧组成，分别为观测站系统将数据参数传输至数据处理中心、数据处理中心将数据参数传输至地面上行站、地面上行站将数据参数传输至GEO卫星、GEO卫星将数据参数传输至地面接收端。

3.如权利要求2所述的一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法，其特征在于：所述的步骤4中观测站子系统数据传输时的网络可靠度计算方式如下：

设N个观测站具有同等功能，且设计可靠度完全相同，将N个观测站组成的机械并联结构等价转换成网络结构，即为N中取大于等于k个观测站，先串联，再并联；则全部N个并联的子观测站，任意不少于k个子观测站正常工作的概率为：

4.如权利要求2所述的一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法，其特征在于：所述的步骤4中数据处理中心数据传输时的网络可靠度计算方式如下：

所述的数据处理中心包括常用处理中心和贮备处理中心，所述的常用处理中心用于完成观测站数据接收与处理，实现GNSS精密轨道确定、GNSS精密钟差确定、区域电离层建模，生成增强信息输出给上行站，所述的贮备处理中心用于在常用处理中心故障时替代常用处理中心功能，且贮备部件转换过程完全可靠，所述的数据处理中心的网络可靠度为：

R_dpc＝1-(1-R_dpc1)*(1-R_dpc2)

5.如权利要求2所述的一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法，其特征在于：所述的步骤5网格图内弧与弧的结构顺序关系为串联结构，通信数据在观测站系统、数据处理中心、地面上行站、GEO卫星和地面接收端之间顺次传递。

6.如权利要求6所述的一种星基增强系统通信网络的可靠性评估方法，其特征在于：所述的步骤5中星基增强系统通信网络的整体可靠度计算方式如下：

R＝R_rs×R_dpc×R_ups×R_geo

其中，R为星基增强系统通信网络的整体可靠度；R_rs为观测站子系统的网络可靠度；R_dpc为数据处理中心的网络可靠度；R_ups为地面上行站的设计可靠度；R_geo为GEO卫星的设计可靠度。