CN113189623B - 一种卫星导航系统信号质量等级评估方法 - Google Patents

一种卫星导航系统信号质量等级评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星导航系统信号质量等级评估方法。本方法首先利用GNSS观测数据和导航电文数据构建卫星导航系统信号质量等级评估基础数据库；其次利用ADC评估模型，计算系统的可用性矩阵A、可信赖矩阵D和能力矩阵C，得到系统服务评估结果，最后与信号质量等级阈值相比较，完成卫星导航系统信号质量等级评估。实现卫星监测指标与信号质量等级的映射，解决卫星导航系统信号质量等级难以迅速量化的技术难题。

Description

一种卫星导航系统信号质量等级评估方法
技术领域
本发明设计一种卫星导航系统信号质量等级评估方法，主要针对卫星导航系统信号质量等级评估，建立监测指标特征向量与服务质量之间的判决策略，为卫星信号质量等级的定性分析提供参考。
背景技术
现有全球卫星导航系统信号质量等级评估无规范的评估标准，而用户需求与服务需求却逐步上升；传统空间信号质量评估方法侧重于单项指标的定性评估，而缺乏系统的、定量的分析结果。所以，建立监测指标特征向量在与系统服务等级的映射模型，得到监测指标与服务质量间的判决策略，解决了卫星信号质量等级难以迅速量化的技术难题。
目前，各大卫星导航系统已经发布或计划发布各自的开放服务性能规范，但由于各自的观测跟踪条件不同，卫星载荷和信号设计均存在差异，所以各GNSS系统的开放服务性能规范的形式都可能存在差异，造成用户困惑和使用的不便，有必要对各卫星导航系统信号质量等级进行统一的评估和划分。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种卫星导航系统信号质量等级评估方法。本方法主要针对卫星导航系统信号质量等级，并根据系统空间信号质量指标、导航信息指标和服务性能指标构建的能力矩阵、可用性矩阵和可信赖矩阵，得出卫星导航系统信号质量评价结果，再根据等级划分阈值，为卫星导航系统信号质量进行等级划分。本方法可以定量的分析不同卫星导航系统的信号质量评估等级，弥补定性分析方法的不足。
本发明采用的技术方案为：
一种卫星导航系统信号质量等级评估方法，包括以下步骤：
(1)采集特定区域内监测站点的GNSS观测数据和导航电文数据，构建卫星导航系统等级评估基础数据库；
(2)利用系统的故障率λ和修复率μ计算各卫星导航系统的可用性矩阵A；利用系统在正常运行状态和故障状态之间的转移概率计算各卫星导航系统的可信赖矩阵D；利用卫星导航系统等级评估基础数据库提取各卫星导航系统的三类指标，包括空间信号质量指标、导航信息指标和服务性能指标，并自适应加权训练计算能力矩阵C；
(3)根据ADC评估模型E＝A·D·C，利用步骤(2)中计算得出的可用性矩阵A、可信赖矩阵D和能力矩阵C，计算各卫星导航系统的信号质量评估结果；
(4)结合先验知识设计信号质量等级阈值，将信号质量划分为不同的等级，将步骤(4)中计算得到的信号质量评估结果与信号质量等级相匹配，得到卫星导航系统信号质量等级。
其中，步骤(2)所述的可用性矩阵A表示系统能够正常运行的概率，利用系统的故障率λ和修复率μ计算可用性矩阵A＝[a1,a2]，具体为：
Figure BDA0003031165670000021
Figure BDA0003031165670000031
其中，步骤(2)所述的可信赖矩阵D的计算公式如下：
Figure BDA0003031165670000032
式中，d11为系统一直保持正常状态的概率；d12为系统从正常状态转换到故障状态的概率；d21为系统从故障状态转换到正常运行状态的概率；d22为系统一直保持故障状态的概率；
系统在不同工作状态之间的转移满足马尔可夫模型，可求得可信赖矩阵D的各项系数，计算公式如下：
Figure BDA0003031165670000033
Figure BDA0003031165670000034
Figure BDA0003031165670000035
Figure BDA0003031165670000036
式中：T为评价周期，λ为系统的故障率，μ为系统的修复率。
其中，步骤(2)中空间信号质量指标包括卫星数P11、载噪比P12、单星工作状态P13和地面接收功率P14，导航信息指标包括广播钟差误差P21、广播轨道误差P22、测距误差P23和广播电离层精度P24，服务性能指标包括定位精度P31、测速精度P32、授时精度P33、连续性P34和星座可用性P35。
其中，步骤(2)所述的能力矩阵C表示系统在各个可用状态下的能力，其能力包括空间信号质量、导航信息和服务性能，系统在运行过程中只有正常运行状态和故障状态两种模式，因此能力矩阵C表示为：
Figure BDA0003031165670000041
Figure BDA0003031165670000042
c2＝0
式中：Pij为第i类指标项的第j项指标；ωij为第i类指标项的第j项指标的权重；n为第i类指标项的指标数量，且
Figure BDA0003031165670000043
ki为第i类指标项的权重，且
Figure BDA0003031165670000044
其中，步骤(4)结合先验知识设计信号质量等级阈值，将信号质量划分为不同的等级，具体划分为优、良、可以及差四个等级。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
(1)本发明解决了卫星导航系统信号质量等级难以迅速量化的技术问题，通过对可用性矩阵、可信赖矩阵和服务能力矩阵定量的分析，利用ADC评估方法定性分析卫星导航系统信号质量评估结果；
(2)本发明建立监测指标特征向量在评价空间内的映射模型，从而得到监测指标与服务质量间的判决策略。
附图说明
图1是本发明卫星导航系统信号质量等级评估方法的流程图。
图2是本发明卫星导航系统信号质量指标图。
图3是本发明两种状态的马尔可夫模型。
图4是本发明能力矩阵计算结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
一种卫星导航系统信号质量等级评估方法，首先构建卫星导航系统信号质量等级评估基础数据库；其次利用ADC评估模型，计算系统的可用性矩阵A，可信赖矩阵D，能力矩阵C，得到系统信号质量评估结果，最后与信号质量等级阈值相比较，完成卫星导航系统信号质量等级评估。如图1所示，包括以下步骤：
(1)构建卫星导航系统等级评估基础数据库；
采集特定区域内监测站点的GNSS观测数据和导航电文数据，构建卫星导航系统等级评估基础数据库；
(2)计算可用性矩阵A、可信赖矩阵D和能力矩阵C。
基于ADC评估模型，利用系统的故障率λ和修复率μ计算各卫星导航系统的可用性矩阵A；根据卫星导航系统在不同运行状态之间的转移概率，利用马尔可夫模型计算可信赖矩阵D，马尔可夫模型如图3所示；基于卫星导航系统等级评估基础数据库计算空间信号质量指标(卫星数P11、载噪比P12、单星工作状态P13、地面接收功率P14等)、导航信息指标(广播钟差误差P21、广播轨道误差P22、测距误差P23、广播电离层精度P24等)和服务性能指标(定位精度P31、测速精度P32、授时精度P33、连续性P34、星座可用性P35等)，并将若干项空间信号质量指标、导航信息指标和服务性能指标进行自适应加权训练，计算能力矩阵C，如图2所示。
其中，可用性矩阵A表示系统能够正常运行的概率。由于系统存在正常和故障两种工作状态，因此可用度矩阵A＝[a1,a2]，用系统的故障率λ和修复率μ计算得到。
Figure BDA0003031165670000061
Figure BDA0003031165670000062
因此，
Figure BDA0003031165670000063
其中，可信赖矩阵D表示系统在不同运行状态之间的转移概率。由于系统存在正常和故障两种工作状态，因此可信赖矩阵D表示为：
Figure BDA0003031165670000064
式中，d11为系统一直保持正常状态的概率；d12为系统从正常状态转换到故障状态的概率；d21为系统从故障状态转换到正常运行状态的概率；d22为系统一直保持故障状态的概率。
系统在正常运行状态和故障状态之间的转移满足马尔可夫过程，假设系统在t时刻处于g状态的概率如下
Qg(t)＝P{X(t)＝Xg}
式中：Xg为系统所处的状态；Qg(t)为系统在t时刻处于g状态的概率。有
Figure BDA0003031165670000065
令Δt→0，可以得到系统的状态方程，用矩阵形式表示为
Figure BDA0003031165670000071
Figure BDA0003031165670000072
Figure BDA0003031165670000073
求解状态方程可得到D，如下所示：
Figure BDA0003031165670000074
Figure BDA0003031165670000075
Figure BDA0003031165670000076
Figure BDA0003031165670000077
式中：T为评价周期。
如图4所示，能力矩阵C表示系统在各个可用状态下的能力，其能力主要包括空间信号质量、导航信息和服务性能等。执行任务过程中只有正常、故障两种模式，因此能力矩阵C可表示为：
Figure BDA0003031165670000078
对导航服务能力采用加权自适应训练合成综合评估模型计算能力向量：
Figure BDA0003031165670000079
c2＝0
其中，Pij为第i类指标项的第j项指标；ωij为第i类指标项的第j项指标的权重；n为第i类指标项的指标数量，且
Figure BDA0003031165670000081
ki为第i类指标项的权重，且
Figure BDA0003031165670000082
(3)计算卫星导航系统信号质量评估结果E。
根据ADC评估模型E＝A·D·C，利用步骤(3)中计算得出的可用性矩阵A、可信赖矩阵D和能力矩阵C，计算各卫星导航系统信号质量评估结果E。
(4)划分卫星导航系统信号质量等级。
将信号质量划分优、良、可、差四个等级，结合先验知识设计信号质量等级上下阈值。最后将(4)中计算得到的信号质量评估结果与等级阈值相比较，将信号质量评价结果与卫星导航系统信号质量等级相匹配。为卫星导航系统信号质量等级的定性分析提供参考基础。

Claims (4)

1.一种卫星导航系统信号质量等级评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集特定区域内监测站点的GNSS观测数据和导航电文数据，构建卫星导航系统等级评估基础数据库；
(2)利用系统的故障率λ和修复率μ计算各卫星导航系统的可用性矩阵A；利用系统在正常运行状态和故障状态之间的转移概率计算各卫星导航系统的可信赖矩阵D；利用卫星导航系统等级评估基础数据库提取各卫星导航系统的三类指标，包括空间信号质量指标、导航信息指标和服务性能指标，并自适应加权训练计算能力矩阵C；
(3)根据ADC评估模型E＝A·D·C，利用步骤(2)中计算得出的可用性矩阵A、可信赖矩阵D和能力矩阵C，计算各卫星导航系统的信号质量评估结果；
(4)结合先验知识设计信号质量等级阈值，将信号质量划分为不同的等级，将步骤(4)中计算得到的信号质量评估结果与信号质量等级相匹配，得到卫星导航系统信号质量等级；
其中，步骤(2)中空间信号质量指标包括卫星数P11、载噪比P12、单星工作状态P13和地面接收功率P14，导航信息指标包括广播钟差误差P21、广播轨道误差P22、测距误差P23和广播电离层精度P24，服务性能指标包括定位精度P31、测速精度P32、授时精度P33、连续性P34和星座可用性P35；能力矩阵C表示系统在各个可用状态下的能力，其能力包括空间信号质量、导航信息和服务性能，系统在运行过程中只有正常运行状态和故障状态两种模式，因此能力矩阵C表示为：
Figure FDA0003738815260000021
Figure FDA0003738815260000022
c2＝0
式中：Pij为第i类指标项的第j项指标；ωij为第i类指标项的第j项指标的权重；n为第i类指标项的指标数量，且
Figure FDA0003738815260000023
ki为第i类指标项的权重，且
Figure FDA0003738815260000024
2.根据权利要求1所述的一种卫星导航系统信号质量等级评估方法，其特征在于，步骤(2)所述的可用性矩阵A表示系统能够正常运行的概率，利用系统的故障率λ和修复率μ计算可用性矩阵A＝[a1,a2]，具体为：
Figure FDA0003738815260000025
Figure FDA0003738815260000026
3.根据权利要求1所述的一种卫星导航系统信号质量等级评估方法，其特征在于，步骤(2)所述的可信赖矩阵D的计算公式如下：
Figure FDA0003738815260000027
式中，d11为系统一直保持正常状态的概率；d12为系统从正常状态转换到故障状态的概率；d21为系统从故障状态转换到正常运行状态的概率；d22为系统一直保持故障状态的概率；
系统在不同工作状态之间的转移满足马尔可夫模型，可求得可信赖矩阵D的各项系数，计算公式如下：
Figure FDA0003738815260000031
Figure FDA0003738815260000032
Figure FDA0003738815260000033
Figure FDA0003738815260000034
式中：T为评价周期，λ为系统的故障率，μ为系统的修复率。
4.根据权利要求1所述的一种卫星导航系统信号质量等级评估方法，其特征在于，步骤(4)结合先验知识设计信号质量等级阈值，将信号质量划分为不同的等级，具体划分为优、良、可以及差四个等级。
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