CN112100866A - 导航装备效能评估方法及仿真平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导航装备效能评估方法及仿真平台，属于卫星信号技术领域，仿真平台包括场景构建、实体模型数据、对抗要素设置、仿真控制、仿真推演、对抗效能评估、对抗态势可视和结果报表生成八个模块，效能评估方法包括想定规划、场景生成、仿真推演、效能评估、态势显示、报表生成六个步骤，能够仿真真实三维战场环境对卫星信号和干扰信号的遮挡和多径影响，以及导航装备在载体上安装环境、载体运动姿态对卫星信号和干扰效果的影响，使得仿真评估的结果更逼真于真实环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种导航装备效能评估方法及仿真平台，属于卫星导航技术领域。
背景技术
随着信息化发展的需要，针对卫星导航系统的干扰、欺骗等导航攻击手段日益多样，仿真评估导航装备在复杂3D导航战场景下的效能，对于评估我国的北斗装备在实装作战中的效果至关重要。对于导航装备效能评估而言，导航装备的安装载体姿态运动、安装实际环境等也会影响终端收到的导航信号和干扰信号，进而影响效能评估效果。导航装备效能评估包括对干扰范围的评估、对干扰效果的评估。目前对于 GNSS 干扰范围的研究大多基于经验模型或自由传播空间模型，对干扰效果的评估主要是各种针对导航接收机的抗干扰测试，一般是采用导航信号模拟器和干扰信号源在室内进行有线或者无线测试，这两种测试方式无法仿真真实3D环境对干扰效果的影响，也无法仿真导航终端安装载体对干扰效果的影响。
在理想条件下，GNSS 干扰范围取决于从干扰机到接收机间的自由空间传播损耗，地球曲率也限制了 GNSS 干扰信号不能无限传播。但是在实际3D环境中，GNSS 干扰还会受到地形、环境等带来的影响。文献《 GPS jamming signals propagation in free-space,urban and suburban environments 》（见[J]. Journal of Aerospace Technology andManagement, 2018, 10. DOI:10.5028/jatm.v10.870）利用COAT-231 Hata模型对城市与郊区环境下的GNSS 干扰范围进行了仿真，但该模型是通过在欧洲城市实测总结出的经验模型，当地形环境与测试城市相差较大时其对 GNSS 干扰范围的预测会出现较大偏差。另外还有基于ITU-R P.1546 传输模型的 GNSS 干扰传播场强预测器，但该模型是利用场强实验数据的统计结果进行内插与外推得到干扰传播任意距离上场强的，同样存在当待预测地区与实验环境相差较大而导致模型适用性降低的情况。文献《Study of the GNSSjamming in real environment》（[J].International Journal of Electronics andTelecommunications, 2019, 65(1):65-70）则在自由空间传播损耗公式中添加了传播因子，考虑了地表环境对 GNSS 干扰范围的影响，但是该因子需要从场景实测中获取才能有较为理想的结果。文献《地形遮挡对 GNSS 干扰范围影响的高效仿真算法》（见[J/OL].《系统工程与电子技术》网络首发论文，2020,07-21）提出一种基于参考面可视域分析的 GNSS干扰范围的高效仿真计算方法，利用干扰源与目标点附近可视高程值对应的辅助格网点建立参考面，通过目标点实际高程值与参考面映射高程值判断目标点的受干扰情况，避免了目标点与干扰源视线方向上多个采样点的插值计算，是一种近似的算法。
发明内容
本发明针对上述需求，提出一种针对复杂三维真实场景的导航装备效能评估方法及仿真平台。
本发明的技术方案在于，仿真平台由八个模块组成：包括场景构建、实体模型数据、对抗要素设置、仿真控制、仿真推演、对抗效能评估、对抗态势可视和结果报表生成。所述的场景构建模块与实体数据模型模块、对抗要素设置模块相连，所述场景构建模块、仿真控制模块、对抗效能评估模块、对抗态势可视模块均与仿真推演模块相连，对抗效能评估模块与对抗态势可视模块、结果报表生成模块相连。
所述场景构建模块根据导航对抗想定规划，自主在3D真实地图上进行导航对抗场景编辑，确定仿真边界，设置对抗要素和选择实体数据模型，支持场景导入和导出；
所述实体数据模型模块包括导航装备性能模型（包括导航装备天线方向图、惯性导航误差模型、抗干扰性能）、载体实景3D模型（包括载体模型、导航装备天线安装位置）、干扰源模型；
所述对抗要素设置模块包括红蓝对抗双方组成，双方的干扰源数量、功率、干扰频点及样式（包括压制干扰、欺骗干扰及复合干扰）、运动轨迹、天线类型及方向图、天线朝向方位，以及载体类型、数量、六自由度运动轨迹，卫星信号功率增强的卫星号、频点及功率大小，伪卫星位置及频点、功率、天线方向图；
所述仿真控制模块设置仿真推演开始、结束时间、红蓝双方攻防组成投入结束时间；
所述仿真推演模块根据设置的红蓝双方部署、各自的加入起始时间以及载体运动姿态、轨迹，卫星信号功率增强及伪卫星参数，三维地图高程信息，仿真每个时刻导航装备接收到的可见卫星信号、多径信号、伪卫星信号及多径、干扰信号功率，并根据导航性能模型计算导航装备的导航状态，包括组合导航状态、惯性导航状态、卫星信号失锁状态，和PNT定位误差、通信状态、误码率，另外还要把地图网格化，计算每个网格区域内卫星信号和干扰信号遮挡情况、干信比J/S；
所述对抗效能评估模块根据仿真推演模块计算的导航装备导航状态、PNT误差、通信状态、误码率，以及地图区域内的J/S，统计分析整个载体运动过程中的PNT精度、通信成功率、误码率，评估出PNT和通信服务的可用性、连续性，干信比与干扰成功范围、干扰成功率；
所述对抗态势可视模块将仿真推演的地图区域内的J/S在地图上用2D或者3D方式，以不同颜色标识出来，2D方式显示J/S热力图，3D方式根据干扰天线方向图显示立体波束，还显示红蓝双方组成及分布态势、载体起始点及载体运动轨迹、结束点和误差概率圆，导航装备导航状态及实时收到的J/S、PNT误差，载体运动姿态；
所述结果报表生成模块将效能评估结果分门别类存入数据库、并以模板表格方式将评估结果自动填入，生成相应统计图表，并自动生成word或者pdf文件。
导航装备效能评估方法包括下述六个步骤：
步骤1，想定规划导航对抗战法，选定战场环境，定义参与导航对抗的红蓝双方组成及分布、相继投入对抗的时间顺序，其中对抗组成包括用于导航攻击的干扰源，用于导航防御的伪卫星、卫星信号功率增强手段，以及不同的载体，导航装备安装在载体上，干扰源包括数量、干扰频点及样式、运动轨迹、功率、天线类型及方向图；
步骤2，完成导航对抗场景生成，导入战场真实三维地图，根据红蓝双方组成从实体数据模型中选择干扰源、载体、伪卫星并编入红方或者蓝方，在地图上设置干扰源、载体、伪卫星的位置轨迹、运动姿态、天线方向图，并定义加入、结束时间，导航装备在载体上的安装位置，设置卫星信号功率增强事件，包括卫星号、频点、功率和加入、结束时间，定义仿真推演起始和结束时间；
步骤3，把地图网格化，从仿真推演起始时刻到结束时刻，计算每个网格区域内卫星信号和干扰信号遮挡情况、干信比J/S，仿真导航装备接收到的可见卫星信号、多径信号、伪卫星信号及多径、干扰信号功率，并根据导航性能模型计算导航装备的导航状态，包括组合导航状态、惯性导航状态、卫星信号失锁状态，和PNT定位误差、通信状态、误码率；
步骤4，完成导航对抗效能评估，根据仿真推演模块计算的导航装备导航状态、PNT误差、通信状态、误码率，以及地图区域内的J/S，统计分析整个载体运动过程中的PNT精度、通信成功率、误码率，评估出PNT和通信服务的可用性、连续性，干信比与干扰成功范围、干扰成功率；
步骤5，完成导航对抗战场态势3D、2D可视，显示红蓝双方组成及分布态势、载体起始点及载体运动轨迹、结束点和误差概率圆，导航装备导航状态及实时收到的J/S、PNT误差，载体运动姿态，将仿真推演的地图区域内的J/S在地图上用2D或者3D方式，以不同颜色标识出来，2D方式显示J/S热力图，3D方式显示立体波束；
步骤6，完成效能评估结果报表自动生成，将效能评估结果分门别类存入数据库、并以模板表格方式将评估结果自动填入，生成相应统计图表，并自动生成word或者pdf文件。
本发明的有益效果在于，能够仿真真实三维战场环境对卫星信号和干扰信号的遮挡和多径影响，以及导航装备在载体上安装环境、载体运动姿态对卫星信号和干扰效果的影响，使得仿真评估的结果更逼真于真实环境。
附图说明
图1为导航装备效能评估仿真平台组成。
图2为导航装备效能评估方法流程图。
图3为J/S 2D热力图。
图4为J/S3D热力图。
具体实施方式
下面结合附图1至4对本发明的优选实施例作进一步说明。如图1所示，导航装备效能评估仿真平台由八个模块组成：场景构建、实体模型数据、对抗要素设置、仿真控制、仿真推演、对抗效能评估、对抗态势可视和结果报表生成。所述的场景构建模块与实体数据模型模块、对抗要素设置模块相连，所述场景构建模块、仿真控制模块、对抗效能评估模块、对抗态势可视模块均与仿真推演模块相连，对抗效能评估模块与对抗态势可视模块、结果报表生成模块相连。
所述场景构建模块根据导航对抗想定规划，自主在3D真实地图上进行导航对抗场景编辑，确定仿真边界，设置对抗要素和选择实体数据模型，支持场景导入和导出；
所述实体数据模型模块包括导航装备性能模型：包括导航装备天线方向图、惯性导航误差模型、抗干扰性能，载体实景3D模型：包括载体模型、导航装备天线安装位置，干扰源模型；
所述对抗要素设置模块包括红蓝对抗双方组成，双方的干扰源数量、功率、干扰频点及样式（包括压制干扰、欺骗干扰及复合干扰）、运动轨迹、天线类型及方向图、天线朝向方位，以及载体类型、数量、六自由度运动轨迹，卫星信号功率增强的卫星号、频点及功率大小，伪卫星位置及频点、功率、天线方向图；
所述仿真控制模块设置仿真推演开始、结束时间、红蓝双方攻防组成投入结束时间；
所述仿真推演模块根据设置的红蓝双方部署、各自的加入起始时间以及载体运动姿态、轨迹，卫星信号功率增强及伪卫星参数，三维地图高程信息，仿真每个时刻导航装备接收到的可见卫星信号、多径信号、伪卫星信号及多径、干扰信号功率，并根据导航性能模型计算导航装备的导航状态（组合导航状态、惯性导航状态、卫星信号失锁状态）和PNT定位误差、通信状态、误码率，另外还要把地图网格化，计算每个网格区域内卫星信号和干扰信号遮挡情况、干信比J/S；
所述对抗效能评估模块根据仿真推演模块计算的导航装备导航状态、PNT误差、通信状态、误码率，以及地图区域内的J/S，统计分析整个载体运动过程中的PNT精度、通信成功率、误码率，评估出PNT和通信服务的可用性、连续性，干信比与干扰成功范围、干扰成功率；
所述对抗态势可视模块将仿真推演的地图区域内的J/S在地图上用2D或者3D方式，以不同颜色标识出来，2D方式显示J/S热力图，3D方式根据干扰天线方向图显示立体波束，还显示红蓝双方组成及分布态势、载体起始点及载体运动轨迹、结束点和误差概率圆，导航装备导航状态及实时收到的J/S、PNT误差，载体运动姿态；
所述结果报表生成模块将效能评估结果分门别类存入数据库、并以模板表格方式将评估结果自动填入，生成相应统计图表，并自动生成word或者pdf文件。
导航装备效能评估方法如图2所示，包括下述六个步骤：
步骤1，想定规划导航对抗战法，选定战场环境，战场环境可以是几百公里到几千公里的实际三维地图，离线下载导入或者在线使用，定义参与导航对抗的红蓝双方组成及分布、相继投入对抗的时间顺序，其中对抗组成包括用于导航攻击的干扰源，用于导航防御的伪卫星、卫星信号功率增强手段，以及不同的载体，导航装备安装在载体上，干扰源包括数量、干扰频点及样式（压制干扰、欺骗干扰、同步闪烁干扰、复合干扰）、运动轨迹、功率、天线类型及方向图；
步骤2，完成导航对抗场景生成，导入战场真实三维地图，根据红蓝双方组成从实体数据模型中选择干扰源、载体、伪卫星并编入红方或者蓝方，在地图上设置干扰源、载体、伪卫星的位置轨迹、运动姿态、天线方向图，并定义加入、结束时间，导航装备在载体上的安装位置，设置卫星信号功率增强事件，包括卫星号、频点、功率和加入、结束时间，定义仿真推演起始和结束时间；天线方向图支持导入、自定义，支持天线方向图与天线型号绑定作为天线模型供调用，天线模型、导航性能模型与导航装备型号绑定作为导航装备模型供调用；
步骤3，把地图网格化，从仿真推演起始时刻到结束时刻，实时仿真计算可见卫星位置、干扰源位置、载体位置、姿态、伪卫星位置，根据反向射线追踪、几何光学理论和三维地图计算每个网格区域内每个时刻卫星信号、干扰信号、伪卫星信号的遮挡及多径信号，以及干信比J/S，进而计算出干扰导航装备接收到的可见卫星信号、多径信号、伪卫星信号及多径、干扰信号功率，并根据导航性能模型计算导航装备的导航状态（当J/S超过导航装备抗干扰性能时，卫星信号失锁，组合导航装备从组合导航状态转入惯性导航状态，单纯卫星导航的装备进入卫星信号失锁状态）和PNT定位误差、通信状态、误码率；
步骤4，完成导航对抗效能评估，根据仿真推演模块计算的导航装备导航状态、PNT误差、通信状态、误码率，以及地图区域内的J/S，统计分析整个载体运动过程中的PNT精度、通信成功率、误码率，评估出PNT和通信服务的可用性、连续性，干信比与干扰成功范围、干扰成功率；
步骤5，完成导航对抗战场态势3D、2D可视，显示红蓝双方组成及分布态势、载体起始点及载体运动轨迹、结束点和误差概率圆，导航装备导航状态及实时收到的J/S、PNT误差，载体运动姿态，将仿真推演的地图区域内的J/S在地图上用2D或者3D方式，以不同颜色标识出来，2D方式显示J/S热力图，3D方式显示立体波束；
步骤6，完成效能评估结果报表自动生成，将效能评估结果分门别类存入数据库、并以模板表格方式将评估结果自动填入，生成相应统计图表，并自动生成word或者pdf文件。
Claims (10)
1.导航装备效能评估方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，规划导航对抗方法，选定对抗环境，定义参与导航对抗的红蓝双方组成及分布、相继投入对抗的时间顺序，其中双方组成包括用于导航攻击的干扰源，用于导航防御的伪卫星、卫星信号功率增强手段，以及不同的载体；导航装备安装在载体上，干扰源包括数量、干扰频点及样式、运动轨迹、功率、天线类型及方向图；
步骤2，完成导航对抗场景生成，导入对抗真实三维地图，根据红蓝双方组成从实体数据模型中选择干扰源、载体、伪卫星并编入红方或者蓝方，在地图上设置干扰源、载体、伪卫星的位置轨迹、运动姿态、天线方向图，并定义加入、结束时间，导航装备在载体上的安装位置，设置卫星信号功率增强事件，包括卫星号、频点、功率和加入、结束时间，定义仿真推演起始和结束时间；
步骤3，把地图网格化，从仿真推演起始时刻到结束时刻，计算每个网格区域内卫星信号和干扰信号遮挡情况、干信比J/S，仿真导航装备接收到的可见卫星信号、多径信号、伪卫星信号及多径、干扰信号功率，并根据导航性能模型计算导航装备的导航状态（组合导航状态、惯性导航状态、卫星信号失锁状态）和PNT定位误差、通信状态、误码率；
步骤4，完成导航对抗效能评估，根据仿真推演模块计算的导航装备导航状态、PNT误差、通信状态、误码率，以及地图区域内的J/S，统计分析整个载体运动过程中的PNT精度、通信成功率、误码率，评估出PNT和通信服务的可用性、连续性，干信比与干扰成功范围、干扰成功率；
步骤5，完成导航对抗战场态势3D、2D可视，显示红蓝双方组成及分布态势、载体起始点及载体运动轨迹、结束点和误差概率圆，导航装备导航状态及实时收到的J/S、PNT误差，载体运动姿态，将仿真推演的地图区域内的J/S在地图上用2D或者3D方式，以不同颜色标识出来，2D方式显示J/S热力图，3D方式显示立体波束；
步骤6，完成效能评估结果报表自动生成，将效能评估结果分门别类存入数据库、并以模板表格方式将评估结果自动填入，生成相应统计图表，并自动生成word或者pdf文件。
2.导航装备效能评估仿真平台，其特征在于：主要由场景构建模块、实体模型数据模块、对抗要素设置模块、仿真控制模块、仿真推演模块、对抗效能评估模块、对抗态势可视模块和结果报表生成模块在内的八个模块组成；
实体数据模型模块、对抗要素设置模块与场景构建模块相连；场景构建模块、仿真控制模块、对抗效能评估模块、对抗态势可视模块均与仿真推演模块相连；对抗效能评估模块与对抗态势可视模块、结果报表生成模块相连。
3.根据权利要求2所述的导航装备效能评估仿真平台，其特征在于：
所述场景构建模块根据导航对抗想定规划，自主在3D真实地图上进行导航对抗场景编辑，确定仿真边界，设置对抗要素和选择实体数据模型，支持场景导入和导出。
4.根据权利要求2所述的导航装备效能评估仿真平台，其特征在于：
所述实体数据模型模块包括导航装备性能模型、载体实景3D模型、干扰源模型。
5.根据权利要求2所述的导航装备效能评估仿真平台，其特征在于：
所述对抗要素设置模块包括红蓝对抗双方组成，双方的干扰源数量、功率、干扰频点及样式、运动轨迹、天线类型及方向图、天线朝向方位，以及载体类型、数量、六自由度运动轨迹，卫星信号功率增强的卫星号、频点及功率大小，伪卫星位置及频点、功率、天线方向图。
6.根据权利要求2所述的导航装备效能评估仿真平台，其特征在于：
所述仿真控制模块设置仿真推演开始、结束时间，以及红蓝对抗双方组成的开始和结束时间。
7.根据权利要求2所述的导航装备效能评估仿真平台，其特征在于：
所述仿真推演模块根据设置的红蓝双方部署、各自的开始结束时间以及载体运动姿态、轨迹，卫星信号功率增强及伪卫星参数，三维地图高程信息，仿真每个时刻导航装备接收到的可见卫星信号、多径信号、伪卫星信号及多径、干扰信号功率，并根据导航性能模型计算导航装备的导航状态和PNT定位误差、通信状态、误码率，另外还要把地图网格化，计算每个网格区域内卫星信号和干扰信号遮挡情况、干信比J/S。
8.根据权利要求2所述的导航装备效能评估仿真平台，其特征在于：
所述对抗效能评估模块根据仿真推演模块计算的导航装备导航状态、PNT误差、通信状态、误码率，以及地图区域内的J/S，统计分析整个载体运动过程中的PNT精度、通信成功率、误码率，评估出PNT和通信服务的可用性、连续性，干信比与干扰成功范围、干扰成功率。
9.根据权利要求2所述的导航装备效能评估仿真平台，其特征在于：
所述对抗态势可视模块将仿真推演的地图区域内的J/S在地图上用2D或者3D方式，以不同颜色标识出来，2D方式显示J/S热力图，3D方式根据干扰天线方向图显示立体波束，还显示红蓝双方组成及分布态势、载体起始点及载体运动轨迹、结束点和误差概率圆，导航装备导航状态及实时收到的J/S、PNT误差，载体运动姿态。
10.根据权利要求2所述的导航装备效能评估仿真平台，其特征在于：
所述结果报表生成模块将效能评估结果分门别类存入数据库、并以模板表格方式将评估结果自动填入，生成相应统计图表，并自动生成word或者pdf文件。
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Denomination of invention: Effectiveness evaluation method and simulation platform of navigation equipment Effective date of registration: 20210528 Granted publication date: 20210209 Pledgee: Changsha bank Limited by Share Ltd. Xiangjiang New District sub branch Pledgor: HUNAN SNR INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980004116 |
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Date of cancellation: 20231205 Granted publication date: 20210209 Pledgee: Changsha bank Limited by Share Ltd. Xiangjiang New District sub branch Pledgor: HUNAN SNR INFORMATION TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2021980004116 |
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