CN112269194A - 一种导航卫星系统连续性风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导航卫星系统连续性风险评估方法：(1)、获取被测时间段内各导航卫星的空间信号中断数据；(2)、将被测时间段从左至右依次划分为N_c个时间窗口；(3)、采用时间窗口不固定的滑窗统计方法，得到N_c个时间窗口内单颗导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数；(4)、统计所有时间窗口内所有导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数总和；(5)、将所有时间窗口均向左滑动1个时间步长，重复执行S次步骤(3)～(4)，并计算S次所有时间窗口内所有导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数的平均值；(6)、根据滑窗中断总数、所有卫星滑动时间窗总数，计算导航卫星系统连续性风险。本发明可提升导航卫星系统连续性风险评估精度。

Description

一种导航卫星系统连续性风险评估方法

技术领域

本发明涉及一种导航卫星系统连续性风险评估方法，属于卫星导航总体技术领域。

背景技术

空间信号连续性定义为一个健康的北斗基本导航服务空间信号能在特定时间段内不发生非计划中断而持续健康工作的概率。提前发出通知的计划中断不会影响连续性。

对于在轨卫星空间信号，当某个轨道位置的信号可用性发生非计划丧失时，就发生了连续性丧失，称之为连续性风险。

根据连续性定义，单颗卫星的连续性满足下列方程：

P_CON＝exp(-T/MTBO_c)

其中，T表示规定连续服务的时间，一般取1小时。MTBO_c为平均中断间隔时间；

当T<<MTBO_c时，P_CON＝1-(T/MTBO_c)，则连续性可近似表示为：

上式中：P_CON为单星的连续性。

因此，现有的连续性风险采用如下公式计算：

Time表示统计的总时间，以小时数进行统计，统计时间段一般为一年；CT表示统计时段内发生的非计划中断次数。

上述连续性风险计算方法是一种近似算法，只统计信号中断次数，不考虑信号中断时间，体现不出中断在一小时之内的动态变化，得到的结果是平均小时内的中断频次，一定程度上体现了系统提供服务的一种能力，但和连续性的定义存在一定差距。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种导航卫星系统连续性风险评估方法，解决现有的连续性评估方法精确性不足的问题。

本发明解决技术的方案是：一种导航卫星系统连续性风险评估方法，其该方法包括如下步骤：

(1)、获取被测时间段内导航卫星系统中各导航卫星的空间信号中断数据；所述空间信号中断数据包括空间信号的中断发生日期、中断起始时刻、中断恢复日期、中断恢复时刻；中断数据按发生时间先后顺序排列；

(2)、以预设的时间段作为时间窗口大小，在时间轴上以特定的整小时时刻为起点，将被测时间段从左至右依次划分为N_c个时间窗口；

(3)、根据每个时间窗口单颗导航卫星的空间信号中断数据，采用时间窗口不固定的滑窗统计方法，得到N_c个时间窗口内单颗导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数，之后进入步骤(4)；

所述时间窗口不固定的滑窗统计方法如下：

判断时间窗口的左边沿对应时刻的单颗导航卫星的健康状态是否可用，不可用，则记录该时间窗口内单颗导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数为0；可用，则在时间窗口内部设置滑窗，滑窗在时间窗口内按照预设的滑窗宽度滑动，得到M个滑动时间窗，判断每个滑动时间窗滑动时间窗是否出现导航卫星空间信号连续性丧失的现象，统计时间窗口内M个滑动时间窗滑动时间窗中出现导航卫星空间信号连续性丧失次数，得到该时间窗口内出现导航卫星空间信号连续性丧失的次数；

(4)、遍历所有导航卫星，重复执行步骤(3)，统计所有时间窗口内所有导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数总和；

(5)、将所有时间窗口均向左滑动1个时间步长，调整所有时间窗口，重复执行S次步骤(3)～(4)，并计算S次所有时间窗口内所有导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数的平均值，进入步骤(6)；

(6)、将S次所有时间窗口内出现导航卫星空间信号连续性丧失的次数的平均值作为滑窗中断总数，根据滑窗中断总数、所有卫星滑动时间窗总数，计算导航卫星系统连续性风险。

步骤(6)中导航卫星系统连续性风险具体计算公式为：

其中，所述所有导航卫星滑动时间窗总数为：

时间窗口数×每个时间窗口内的滑动时间窗数×导航卫星数。

对于任意时刻t，单颗导航卫星SV_h的健康状态是否可用的标识为：H_flag(SV_h,t)，如果该颗导航卫星信号可被跟踪，则H_flag(SV_h,t)＝0，表示该颗导航卫星的健康状态可用，否则，H_flag(SV_h,t)＝1，表示该颗导航卫星的健康状态不可用。

所述时间窗口的大小为整小时。

所述

M为整数，时间窗口为滑窗宽度的整数倍。

所述S大于等于

S为整数，滑窗宽度是时间步长的整数倍。

所述滑窗宽度取值范围为小于等于10min。

所述时间步长为1min的整数倍，并与滑窗宽度成整倍数关系。

所述被测时间段以年为单位，一般大于等于1年。

判断每个滑窗时间窗单颗导航卫星是否出现空间信号连续性丧失的现象的原则为：

当单颗卫星SV_h在滑动时间窗所在的时间窗口t_hour起始时刻卫星健康状态为可用，同时，单颗卫星SV_h在相对于滑动时间窗所在的时间窗口t_hour起始时刻48小时之前未收到中断通知，且该单颗卫星在滑动时间窗内卫星健康状态出现了不可用状态，则认为该颗卫星SV_h在滑动时间窗内出现1次连续性丧失现象，否则，认为该颗卫星在滑动时间窗内未出现连续性丧失现象。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过设置一小时窗口并进行滑窗统计，体现了每小时窗口内导航卫星中断的动态，计算结果更贴近连续性的定义、更逼近系统服务能力。

(2)、本发明将连续性中断统计的窗口设置为多个状态，即窗口左边沿向左遍历半个滑窗宽度，统计每个状态下的中断次数，再将多个状态的统计结果进行平均，由此避免中断次数漏统的发生，可提升连续性计算方法的精确性。

附图说明

图1为本发明实施例导航卫星系统连续性风险评估方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种导航卫星系统连续性风险评估方法，该方法包括如下步骤：

(1)、获取被测时间段内导航卫星系统中各导航卫星的空间信号中断数据；所述空间信号中断数据包括空间信号的中断发生日期、中断起始时刻、中断恢复日期、中断恢复时刻；中断数据按发生时间先后顺序排列；

(2)、以预设的时间段作为时间窗口大小，在时间轴上以特定的整小时时刻为起点，将被测时间段从左至右依次划分为N_c个时间窗口；

(3)、根据每个时间窗口单颗导航卫星的空间信号中断数据，采用滑窗统计的方法，得到N_c个时间窗口内单颗导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数，之后进入步骤(4)。

所述滑窗统计的方法如下：

判断时间窗口的左边沿对应时刻的单颗导航卫星的健康状态是否可用，不可用，则记录该时间窗口内单颗导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数为0；可用，则在时间窗口内部设置滑窗，滑窗在时间窗口内按照预设的滑窗宽度滑动，得到M个滑动时间窗，判断每个滑动时间窗是否出现导航卫星空间信号连续性丧失的现象，统计时间窗口内M个滑动时间窗中出现导航卫星空间信号连续性丧失次数，得到该时间窗口内出现导航卫星空间信号连续性丧失的次数。

对于任意时刻t，单颗导航卫星SV_h的健康状态是否可用的标识为：H_flag(SV_h,t)，如果该颗导航卫星信号可被跟踪，则H_flag(SV_h,t_i)＝0，表示该颗导航卫星的健康状态可用，否则，H_flag(SV_h,t)＝1，表示该颗导航卫星的健康状态不可用。

优选地，所述时间窗口的大小为整小时。

优选地，所述

M为整数。

优选地，所述S大于等于

S为整数。

优选地，所述滑窗宽度取值范围为等于10min。

优选地，所述时间步长为1min，并与滑窗宽度成整倍数关系。

优选地，所述被测时间段以年为单位，一般为1年。

判断每个滑窗时间窗单颗导航卫星是否出现空间信号连续性丧失的现象的原则为：

当单颗卫星SV_h在滑动时间窗所在的时间窗口t_hour起始时刻卫星健康状态为可用，同时，单颗卫星SV_h在相对于滑动时间窗所在的时间窗口t_hour起始时刻48小时之前未收到中断通知，且该单颗卫星在滑动时间窗内卫星健康状态出现了不可用状态，则认为该颗卫星SV_h在滑动时间窗内出现1次连续性丧失现象，否则，认为该颗卫星在滑动时间窗内未出现连续性丧失现象。

导航卫星系统连续性风险具体计算公式为：

其中，所述所有导航卫星滑动时间窗总数为：

时间窗口数×每个时间窗口内的滑动时间窗数×导航卫星数。

实施例1：

以下给出导航卫星系统连续性风险评估方法的一个具体实施例，对本发明进行详细说明。

根据连续性定义，在特定的时段内，采用滑窗法进行统计。本实施例中，时间窗口大小可设置为1h，时间窗口内滑窗以10min的宽度进行滑动，时间步长为1min，S为6次。具体操作步骤如下：

1)、对于任意时刻t(固定步长≤10min)，卫星信号是否可用的健康标识为：H_flag，如果信号可被跟踪，H_flag＝0表示信号可用。

2)、在任意时刻t，卫星提前48小时发出通知的计划中断表示为：NAGU_flag＝1。

3)、在任意时刻t，任意健康卫星在没有发出中断通知而变为不健康状态可用下列函数表示：

其中，H_flag(SV_h,t_i)＝1表示卫星SV_h在t_i时刻不健康，NAGU_flag(t_i)＝0表示卫星相对于t_i时刻提前48小时没有发出通知的计划中断，NAGU_flag(t_i)＝1表示卫星相对于t_i时刻提前48小时发出了通知的计划中断。

4)对于任意卫星以固定步长(≤1小时)在每小时连续性丧失的函数表示为(该一小时的起始时刻卫星健康，但未提前48小时收到中断通知而卫星变为了不健康状态)：

(n＝0,1,2,3,4,5)

式中，H_flag(SV_h,t_hour)＝0表示导航卫星SV_h在滑动时间窗所在的时间窗口起始时刻t_hour卫星健康状态可用。

表示在滑动时间窗所在的时间窗口起始时刻t_hour开始，在每个滑窗内存在某一个时刻t_i使导航卫星SV_h卫星健康状态出现过不可用状态，即F_CON(SV_h,t_i)＝1。对于每一小时的连续性丧失，可表示为窗口宽度内每个滑窗状态值的累加。

5)星座中所有卫星一年的空间信号平均连续性为没有发生连续性丧失的一小时间隔数与总的小时间隔数的比值。其中N_SV—星座中的卫星数，N_hours—总的小时间隔数(滑动产生的一年总小时数)，连续性风险可用下列公式计算。

本实施例计算方法准确性分析如下：

对于表2中断数据，采用三种方法进行计算。

表2所有卫星中断数据

1)第一种方法计算

只考虑中断次数的情况下，中断次数为9，第一种方法卫星连续性风险P_{CON_1}计算如下：

2)、时间窗口固定的滑窗计算方法

按滑动窗法，窗口大小为1小时，窗口左边沿设置为整点，滑窗宽度为10min，统计每小时内的中断次数及中断时长，卫星连续性风险计算如下：

3)、本发明提供的窗口不固定的滑窗统计方法

为避免窗口边沿造成的漏统，本发明将统计的窗口设置为6个状态，即窗口左边沿遍历半个滑窗宽度，统计每个状态下的中断次数统计，再将6个状态的统计结果进行平均，由此避免中断漏统的发生，可提升连续性计算方法的精确性，具体计算流程如图1所示。第一次滑窗中断统计和6次滑窗中断统计分别如表3和表4所示。

表3第一次滑窗中断统计

表4 6次窗口设置状态中断统计

该方法计算的卫星连续性风险计算如下：

通过三种计算方法可看出：

(1)、第一种计算方法是一种近似算法，只统计中断次数，体现不出中断在一小时之内的动态变化，得到的结果是平均小时内的中断频次，一定程度上体现了系统提供服务的一种能力，但和连续性的定义存在一定差距；第二种方法更贴近连续性的定义，通过设置一小时窗口并进行滑窗统计，体现了每小时窗口内导航卫星中断的动态，计算结果更逼近系统服务能力；

(2)、第一种方法不考虑中断持续时间，第二种方法在窗口内的中断持续时间对连续性风险有一定的影响，但影响范围只局限于当前一小时的时间段内，超过窗口宽度的中断由于不满足连续性起始可用的条件，中断统计次数不会再增加。由此可看出，第一种方法是第二种方法的一种极限，即对于每次中断，如果能保证窗口左边沿可用，中断发生时间在第一个10min钟内并至少持续到第六个滑窗，这样在中断持续时间内可检测到6次中断，使两种计算方法的结果保持了一致。

(3)、对于一小时内的频繁中断，第二种方法计算结果会远低于第一种计算方法，这是由滑窗的特性决定的。

(4)、对于第二种方法，窗口的左边沿及滑窗的边沿状态决定了是否统计该小时和该10min时段内的中断，因此在故障发生时间正好落在窗口边沿的条件下，中断的判断条件可能会由此造成漏统。因此，对第二种方法进行改进，提出设定时间步长调整时间窗口的本发明方法，对于和窗口左边沿重叠的中断，避免了漏记次数的发生，进一步提高了导航空间信号连续性计算的精确性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种导航卫星系统连续性风险评估方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、获取被测时间段内导航卫星系统中各导航卫星的空间信号中断数据；所述空间信号中断数据包括空间信号的中断发生日期、中断起始时刻、中断恢复日期、中断恢复时刻；中断数据按发生时间先后顺序排列；

(2)、以预设的时间段作为时间窗口大小，在时间轴上以特定的整小时时刻为起点，将被测时间段从左至右依次划分为N_c个时间窗口；

(3)、根据每个时间窗口单颗导航卫星的空间信号中断数据，采用时间窗口不固定的滑窗统计方法，得到N_c个时间窗口内单颗导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数，之后进入步骤(4)；

所述时间窗口不固定的滑窗统计方法如下：

判断时间窗口的左边沿对应时刻的单颗导航卫星的健康状态是否可用，不可用，则记录该时间窗口内单颗导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数为0；可用，则在时间窗口内部设置滑窗，滑窗在时间窗口内按照预设的滑窗宽度滑动，得到M个滑动时间窗，判断每个滑动时间窗是否出现导航卫星空间信号连续性丧失的现象，统计时间窗口内M个滑动时间窗中出现导航卫星空间信号连续性丧失次数，得到该时间窗口内出现导航卫星空间信号连续性丧失的次数；

(4)、遍历所有导航卫星，重复执行步骤(3)，统计所有时间窗口内所有导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数总和；

(5)、将所有时间窗口均向左滑动1个时间步长，调整所有时间窗口，重复执行S次步骤(3)～(4)，并计算S次所有时间窗口内所有导航卫星出现空间信号连续性丧失的次数的平均值，进入步骤(6)；

(6)、将S次所有时间窗口内出现导航卫星空间信号连续性丧失的次数的平均值作为滑窗中断总数，根据滑窗中断总数、所有卫星滑动时间窗总数，计算导航卫星系统连续性风险。

2.根据权利要求1所述的一种导航卫星系统连续性风险评估方法，其特征在于步骤(6)中导航卫星系统连续性风险具体计算公式为：

其中，所述所有导航卫星滑动时间窗总数为：

时间窗口数×每个时间窗口内的滑动时间窗数×导航卫星数。

3.根据权利要求1所述的一种导航卫星系统连续性风险评估方法，其特征在于对于任意时刻t，单颗导航卫星SV_h的健康状态是否可用的标识为：H_flag(SV_h,t)，如果该颗导航卫星信号可被跟踪，则H_flag(SV_h,t)＝0，表示该颗导航卫星的健康状态可用，否则，H_flag(SV_h,t)＝1，表示该颗导航卫星的健康状态不可用。

4.根据权利要求1所述的一种导航卫星系统连续性风险评估方法，其特征在于所述时间窗口的大小为整小时。

5.根据权利要求1所述的一种导航卫星系统连续性风险评估方法，其特征在于所述M为

M为整数，时间窗口为滑窗宽度的整数倍。

6.根据权利要求1所述的一种导航卫星系统连续性风险评估方法，其特征在于所述S大于等于

S为整数，滑窗宽度是时间步长的整数倍。

7.根据权利要求1所述的一种导航卫星系统连续性风险评估方法，其特征在于所述滑窗宽度取值范围为小于等于10min。

8.根据权利要求1所述的一种导航卫星系统连续性风险评估方法，其特征在于所述时间步长为1min的整数倍。

9.根据权利要求1所述的一种导航卫星连续性风险评估确定方法，其特征在于所述被测时间段以年为单位，一般大于等于1年。

10.根据权利要求1所述的一种导航卫星连续性风险评估确定方法，其特征在于判断每个滑窗时间窗单颗导航卫星是否出现空间信号连续性丧失的现象的原则为：

当单颗卫星SV_h在滑动时间窗所在的时间窗口t_hour起始时刻卫星健康状态为可用，同时，单颗卫星SV_h在相对于滑动时间窗所在的时间窗口t_hour起始时刻48小时之前未收到中断通知，且该单颗卫星在滑动时间窗内卫星健康状态出现了不可用状态，则认为该颗卫星SV_h在滑动时间窗内出现1次连续性丧失现象，否则，认为该颗卫星在滑动时间窗内未出现连续性丧失现象。

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