CN117236073A - 一种中轨导航星座卫星的失效性能评估方法 - Google Patents

一种中轨导航星座卫星的失效性能评估方法 Download PDF

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薛文
阮永井
陶雪峰
殷智勇
张喜涛
王阳
许洁平
刘建宏
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Abstract

本发明涉及卫星技术领域，具体公开了一种中轨导航星座卫星的失效性能评估方法，包括：步骤S101，以Walker为星座构型建立中轨导航星座卫星的仿真场景；步骤S102，根据失效卫星所处的轨道面以及失效卫星的数量，将失效模式分为共面卫星失效和非共面卫星失效；步骤S103，建立基于蒙特卡洛方法的多星失效模型，根据失效模式仿真卫星失效事件；步骤S104，根据PDOP值和星座值CV确定失效后中轨导航星座卫星的健康状态。

Description

一种中轨导航星座卫星的失效性能评估方法
技术领域
本发明涉及卫星技术领域，具体涉及一种中轨导航星座卫星的失效性能评估方法。
背景技术
在外太空恶劣环境中，如何保证导航卫星在各种失效情况下依然高效提供导航定位服务，是导航工作者所关注的重点内容之一。
星座的几何关系与星座的服务性能息息相关，卫星在运行过程中不仅受到自身可靠性限制，还要受到恶劣空间环境影响。在卫星导航中，通过关闭卫星信号或对信号实施干扰以及欺骗使得定位服务无法使用，在卫星发生故障或导航信号衰减会导致服务性能下降。
基于蒙特卡罗法的中轨导航星座卫星失效影响分析，可为多星失效对星座构型及性能的影响分析提供技术途径，证明了中轨导航星座健康状态有概率降级。因此，亟需通过数据分析发现多星失效模式对中轨导航星座性能的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种中轨导航星座卫星的失效性能评估方法，弥补了较少有文献分析同时段内出现多星失效带来性能降级的不足，能够解决多星失效带来的失效模式增多的问题并减少计算开销，同时找出星座的薄弱环节可为中轨导航星座卫星备份提供参考。
本发明提供了一种中轨导航星座卫星的失效性能评估方法，包括：
步骤S101，以Walker为星座构型建立中轨导航星座卫星的仿真场景；所述Walker为具有相同轨道高度和轨道倾角的多个卫星；
步骤S102，根据失效卫星所处的轨道面以及失效卫星的数量，将失效模式分为共面卫星失效和非共面卫星失效；所述共面卫星失效包括单星失效、双星失效和多星失效；所述非共面卫星失效包括单星失效、双星失效和多星失效；
步骤S103，建立基于蒙特卡洛方法的多星失效模型，根据所述失效模式仿真卫星失效事件；
步骤S104，根据PDOP值和星座值CV确定失效后所述中轨导航星座卫星的健康状态；其中，所述星座值CV用于衡量卫星失效时不同星座构型的导航性能；所述PDOP值为反映定位精度衰减的空间位置精度因子。
在一种可能得实现方式中，所述步骤S104包括：
当时，确定星座健康状态为优；
当时，确定星座健康状态为良；
当时，确定星座健康状态为中；
当时，确定星座健康状态为差。
在一种可能得实现方式中，根据以下公式计算星座值CV：
；
式中，t为仿真时间，t 0为仿真的初始时刻，△T为仿真的总时长，为t时刻第j个网格PDOP值，/>为精度因子阈值，/>为布尔函数，L为网格点总数， />为第j个网格点的面积。
在一种可能得实现方式中，还包括：
当所述失效模式为单星失效或者双星失效时，采用枚举方法仿真卫星失效事件。
在一种可能得实现方式中，所述步骤S103包括：
建立所述多星失效模型的输入与输出之间的关系；
根据预设仿真星座总数确定输入的变量的取值范围；
根据预设耗能确定仿真次数；
对所述中轨导航星座卫星中失效卫星所在的轨道面和每个轨道面失效卫星的数量进行随机抽样，并仿真。
在一种可能得实现方式中，所述输入的变量取值各不相同。
在一种可能得实现方式中，所述步骤S103还包括：
根据所需耗能调整所述仿真次数。
在一种可能得实现方式中，所述多星失效为三星失效。
在一种可能得实现方式中，所述步骤S101还包括：
对所述中轨导航星座卫星的卫星轨道高度、倾角、卫星数量、星座轨道面、相位因子，以及卫星仰角、网格划分、目标区域、采样数据、PDOP阈值进行自定义。
在一种可能得实现方式中，所述中轨导航星座卫星中的各个卫星的失效概率相同。
本发明的中轨导航星座卫星的失效性能评估方法，通过分析中轨卫星失效后星座性能与星座构型之间的关系，找出影响星座整体服务性能的导航星座薄弱环节。构建场景并对相关场景参数进行设计，满足实验要求。在失效概率相同情况下，选用具有代表性的性能评价指标(PDOP、CV)，并以4个等级区分星座性能健康状态。导航星座卫星失效性能影响分析，从单颗卫星失效到双星失效，再延伸至多星失效。单星失效以及双星失效可以利用枚举法仿真，随着失效卫星的增多，组合方式呈指数增长，基于人工筛选工作量较大，同时带来的计算耗能会大幅提高。利用蒙特卡罗方法模拟卫星失效事件发生，建立基于蒙特卡洛方法的多星失效模型。结合指标数据找出星座的薄弱环节，为中轨导航星座备份卫星选取提供参考，提高导航服务的连续性、可靠性、安全性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的中轨导航星座卫星的失效性能评估方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的中轨导航星座卫星的相位示意图；
图3为本发明实施例提供的双星失效星座值的变化示意图；
图4为本发明实施例提供的基于蒙特卡罗方法的多星失效流程示意图；
图5本发明实施例提供的多星不同失效模式占比示意图；
图6为本发明实施例提供的多星失效仿真次数与星座CV值示意图；
图7为本发明实施例提供的多星失效的CV值与仿真次数比例关系示意图；
图8(a) 为本发明实施例提供的1600次仿真下11-24-32卫星失效模式的相位示意图；
图8(b)为本发明实施例提供的1600次仿真下15-23-31卫星失效模式的相位示意图；
图8(c) 为本发明实施例提供的1600次仿真下18-26-34卫星失效模式的相位示意图；
图8(d) 为本发明实施例提供的1600次仿真下15-23-36卫星失效模式的相位示意图；
图9为本发明实施例提供的1600次仿真下星座最小CV值最差的失效模式11-24-32空间构型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由权利要求书限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
中轨导航星座卫星在恶劣的太空环境中运行，难免会出现硬件故障导致卫星失效，进而使得导航性能下降。而导航星座的薄弱环节影响星座整体的服务性能，决定着导航星座能否提供连续、可靠、可用的导航服务。分析中轨卫星失效后星座性能与星座构型之间的关系，可以有效保证导航星座在复杂空间环境中的服务能力。
在本发明实施例中，针对中轨导航星座卫星失效，建立多星失效模型，通过比较完整星座以及不同数量下的卫星失效情况，结合星座相关性能指标找出星座的薄弱环节，给出对星座可用性的影响较大的卫星失效模式。
图1为本发明实施例提供的中轨导航星座卫星的失效性能评估方法的流程示意图，如图1所示，本发明提供的中轨导航星座卫星的失效性能评估方法，包括：
步骤S101，以Walker为星座构型建立中轨导航星座卫星的仿真场景； Walker为具有相同轨道高度和轨道倾角的多个卫星；
在一种可能得实现方式中，对中轨导航星座卫星的卫星轨道高度、倾角、卫星数量、星座轨道面、相位因子，以及卫星仰角、网格划分、目标区域、采样数据、PDOP阈值进行自定义。
卫星在仿真场景中均匀分布。假定中轨导航星座卫星中的卫星的失效概率相同。其中，PDOP指标在导航星座性能方面具有较好的代表性。而星座可用性可以衡量卫星失效时不同星座构型的导航性能，反映星座在特定阈值下的可用性。中轨导航星座卫星失效后的性能由PDOP值和星座CV值进行评估，将失效后的星座性能健康状态分为4个等级，并以星座健康状态作为评价准则进行区分。
步骤S102，根据失效卫星所处的轨道面以及失效卫星的数量，将失效模式分为共面卫星失效和非共面卫星失效；
其中，共面卫星失效包括单星失效、双星失效和多星失效，非共面卫星失效包括单星失效、双星失效和多星失效。
失效模式不同，对星座构型和性能的影响有很大差距。其中，失效卫星mn表示第m个轨道面第n颗卫星，如失效卫星11表示第1个轨道面第1颗卫星。
步骤S103，建立基于蒙特卡洛方法的多星失效模型，根据失效模式仿真卫星失效事件；
在一种可能得实现方式中，当失效模式分为单星失效或者双星失效时，可以采用枚举方法仿真卫星失效事件。随着失效卫星的增多，组合方式呈指数增长，基于人工筛选工作量较大，同时带来的计算耗能会大幅提高。本发明利用蒙特卡罗方法模拟卫星失效事件发生，建立基于蒙特卡洛方法的多星失效模型，结合指标数据找出星座的薄弱环节。
在一种可能得实现方式中，S103包括：建立多星失效模型的输入与输出之间的关系；根据预设仿真星座总数确定输入的变量的取值范围； 根据预设耗能确定仿真次数；对中轨导航星座卫星中失效卫星所在的轨道面和每个轨道面失效卫星的数量进行随机抽样，并仿真。随机变量采用软件自带函数进行取值。其中，输入的变量取值各不相同。
在一种可能得实现方式中，S103还包括根据所需耗能调整仿真次数。蒙特卡罗方法仿真次数越大越能模拟实验真实情况，同时会增加计算开销，仿真次数较少会使结果具有不确定性，需要根据实际情况确定仿真次数。
在一种可能得实现方式中，多星失效为三星失效。由于导航星座卫星失效3颗及以上概率较小，多星失效只考虑3颗卫星失效情况下的不同性能。
步骤S104，根据PDOP值和星座值CV确定失效后中轨导航星座卫星的健康状态；星座值用于衡量卫星失效时不同星座构型的导航性能；PDOP值为反映定位精度衰减的空间位置精度因子。
在一种可能得实现方式中，S104包括：当时，确定星座健康状态为优；当/>时，确定星座健康状态为良；当/>时，确定星座健康状态为中；当/>时，确定星座健康状态为差。
在一种可能得实现方式中，根据以下公式计算星座值CV：
；
式中，t为仿真时间，t 0为仿真的初始时刻，△T为仿真的总时长，为t时刻第j个网格PDOP值，/>为精度因子阈值，/>为布尔函数，L为网格点总数， />为第j个网格点的面积。
为便于理解，仿真实验过程如下所示：
建立了一个具有普适性的MEO全球导航星座。以24颗MEO卫星组成的Walker 24/3/1全球导航星座为例，设置星座卫星轨道高度为21000km，轨道倾角为55°，PDOP≤4，数据采集用原则，最小观测仰角为5°，网格为5°×5°。仿真分析了24小时内部分卫星失效对全球范围内导航服务性能的影响。其中，P 1、P 2和P 3代表星座的3个轨道面，每个轨道面8颗卫星且面内卫星相位差45°，相邻轨道面升交点赤经相差120°。中轨导航星座卫星的相位示意图如图2所示。
单星、双星以及多星失效仿真参数和设置相同。由于导航星座卫星失效3颗及以上概率较小，多星失效只考虑3颗卫星失效情况下的不同性能。其中，3星失效共有10种失效模式。即每个轨道面失效1颗(1种)、同一个轨道面失效3颗(3种)以及异轨失效2颗或1颗(6种)。
将失效后的星座性能健康状态分为4个等级，星座健康状态为“优”，星座健康状态为“良”，/>星座健康状态为“中”，星座健康状态为“差”。
导航星座卫星失效性能影响分析应遵由简单到复杂的规则，从单颗卫星失效到双星失效，再延伸至多星失效。其中，失效卫星mn表示第m个轨道面第n颗卫星，如失效卫星11表示第1个轨道面第1颗卫星。星座共有y颗卫星，其中x颗卫星失效，失效卫星有种组合，且提供导航服务的卫星有y-x颗。
单星失效共有8种模式，可采用枚举方法分析，单星失效PDOP值以及星座CV值如表1所示。双星失效共有种组合，即276种可能，失效模式较少依然可以采用枚举方法分析，双星失效星座值的变化示意图如图3所示。单星失效PDOP值以及星座CV值如下表1所示。
表 1
由数据分析可知，星座卫星未失效时，PDOP最小2.102，星座CV值为100%。单星失效中，11卫星失效影响最大，11表示第1个轨道面第1颗星，PDOP最小为2.184，星座CV值最小为99.835%。单星失效对星座整体性能并无明显影响。
双星失效模式为12-28时对星座性能影响最大，PDOP值为2.502，星座最小CV值约为93.193%。其中，12-28表示第1个轨道面第2颗星，第2个轨道面第8颗星。星座还能为用户提供较好的导航服务
由于多星失效共有种组合，即2024种可能，失效模式较多，采用枚举方法工作量较大，因此采用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法。基于蒙特卡罗方法的多星失效流程示意图如图4所示。
利用蒙特卡罗方法对星座多星失效模型进行1600次仿真，10种不同多星失效模式与星座健康状态关系如表2所示，不同失效模式占比示意图如图5所示，仿真次数与星座CV值示意图如图6所示，星座卫星失效模式CV值及仿真次数比例关系如图7所示。1600次仿真下星座最小CV值最差的前4个卫星失效模式相位图如图8所示。
图8(a) 为1600次仿真下11-24-32卫星失效模式的相位示意图，11-24-32卫星失效模式表示第1轨道面的第1颗，第2轨道面的第4颗以及第3轨道面的第2颗卫星失效。图8(b)为1600次仿真下15-23-31卫星失效模式的相位示意图，15-23-31卫星失效模式表示第1轨道面的第5颗，第2轨道面的第3颗以及第3轨道面的第1颗卫星失效。图8(c) 为1600次仿真下18-26-34卫星失效模式的相位示意图，18-26-34卫星失效模式表示第1轨道面的第8颗，第2轨道面的第6颗以及第3轨道面的第4颗卫星失效。图8(d) 为1600次仿真下15-23-36卫星失效模式的相位示意图，15-23-36卫星失效模式表示第1轨道面的第5颗，第2轨道面的第3颗以及第3轨道面的第6颗卫星失效。1600次仿真下星座最小CV值最差的失效模式11-24-32空间构型如图9所示。
星座卫星失效模式与星座健康状态如表2所示。
表 2
仿真1600次星座最小CV值最差的前10个卫星失效模式，星座最小CV值由100%降为84%，星座性能健康状态降为“差”。星座最小CV值最差的前10个卫星失效模式都是每个轨道面失效1颗卫星，星座最小CV值模式为11-24-32，星座CV值为84.105%。
结果表明在失效3颗卫星时，每个轨道面失效1颗卫星且相邻失效卫星的相位较为接近，对星座的整体性能影响较大。若寻找影响中轨导航星座性能最大的卫星失效模式，只需要仿真每个轨道面失效1颗卫星即可，可减少计算开销，同时可为导航星座备份提供借鉴，每个轨道面备份一颗卫星。该方法可适用于不同星座构型以及4颗及以上卫星失效模式。
本发明的中轨导航星座卫星的失效性能评估方法，通过分析中轨卫星失效后星座性能与星座构型之间的关系，找出影响星座整体服务性能的导航星座薄弱环节。构建场景并对相关场景参数进行设计，满足实验要求。在失效概率相同情况下，选用具有代表性的性能评价指标(PDOP、CV)，并以4个等级区分星座性能健康状态。导航星座卫星失效性能影响分析，从单颗卫星失效到双星失效，再延伸至多星失效。单星失效以及双星失效可以利用枚举法仿真，随着失效卫星的增多，组合方式呈指数增长，基于人工筛选工作量较大，同时带来的计算耗能会大幅提高。利用蒙特卡罗方法模拟卫星失效事件发生，建立基于蒙特卡洛方法的多星失效模型。结合指标数据找出星座的薄弱环节，为中轨导航星座备份卫星选取提供参考，提高导航服务的连续性、可靠性、安全性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种中轨导航星座卫星的失效性能评估方法，其特征在于，包括：
步骤S101，以Walker为星座构型建立中轨导航星座卫星的仿真场景；所述Walker为具有相同轨道高度和轨道倾角的多个卫星；
步骤S102，根据失效卫星所处的轨道面以及失效卫星的数量，将失效模式分为共面卫星失效和非共面卫星失效；所述共面卫星失效包括单星失效、双星失效和多星失效；所述非共面卫星失效包括单星失效、双星失效和多星失效；
步骤S103，建立基于蒙特卡洛方法的多星失效模型，根据所述失效模式仿真卫星失效事件；
步骤S104，根据PDOP值和星座值CV确定失效后所述中轨导航星座卫星的健康状态；其中，所述星座值CV用于衡量卫星失效时不同星座构型的导航性能；所述PDOP值为反映定位精度衰减的空间位置精度因子。
2.根据权利要求1所述的失效性能评估方法，其特征在于，所述步骤S104包括：
当时，确定星座健康状态为优；
当时，确定星座健康状态为良；
当时，确定星座健康状态为中；
当时，确定星座健康状态为差。
3.根据权利要求1所述的失效性能评估方法，其特征在于，根据以下公式计算星座值CV：
；
式中，t为仿真时间，t 0为仿真的初始时刻，△T为仿真的总时长，为t时刻第j个网格PDOP值，/>为精度因子阈值，/>为布尔函数，L为网格点总数， />为第j个网格点的面积。
4.根据权利要求1所述的失效性能评估方法，其特征在于，还包括：
当所述失效模式为单星失效或者双星失效时，采用枚举方法仿真卫星失效事件。
5.根据权利要求1所述的失效性能评估方法，其特征在于， 所述步骤S103包括：
建立所述多星失效模型的输入与输出之间的关系；
根据预设仿真星座总数确定输入的变量的取值范围；
根据预设耗能确定仿真次数；
对所述中轨导航星座卫星中失效卫星所在的轨道面和每个轨道面失效卫星的数量进行随机抽样，并仿真。
6.根据权利要求5所述的失效性能评估方法，其特征在于，所述输入的变量取值各不相同。
7.根据权利要求5所述的失效性能评估方法，其特征在于，所述步骤S103还包括：
根据所需耗能调整所述仿真次数。
8.根据权利要求1所述的失效性能评估方法，其特征在于，所述多星失效为三星失效。
9.根据权利要求1所述的失效性能评估方法，其特征在于，所述步骤S101还包括：
对所述中轨导航星座卫星的卫星轨道高度、倾角、卫星数量、星座轨道面、相位因子，以及卫星仰角、网格划分、目标区域、采样数据、PDOP阈值进行自定义。
10.根据权利要求1所述的失效性能评估方法，其特征在于，所述中轨导航星座卫星中的各个卫星的失效概率相同。
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