一種導(dǎo)航星座備份方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于導(dǎo)航星座設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種導(dǎo)航星座備份方法。
【背景技術(shù)】
[0002]全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座備份策略是導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，研究成果直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)完好性、可用性和連續(xù)性等重要指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也是在衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，確保導(dǎo)航系統(tǒng)成功組網(wǎng)和穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
[0003]根據(jù)GPS (Global Posit1ning System,全球定位系統(tǒng))、GLONASS (GLOBALNAVIGAT1N SATELLITE SYSTEM，格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))和Galileo (伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng))三大系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，對星座進(jìn)行必要的備份是確保導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。
[0004]例如，現(xiàn)有技術(shù)中，下列導(dǎo)航系統(tǒng)均采用星座備份策略:
[0005]GPS的設(shè)計(jì)星座是24顆衛(wèi)星，但自1993年滿星座運(yùn)行以來，實(shí)際衛(wèi)星數(shù)量一直維持在27顆以上，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，通過在軌備份衛(wèi)星正常播發(fā)導(dǎo)航電文，從而有效地保證了系統(tǒng)性能。
[0006]GLONASS系統(tǒng)在滿足標(biāo)稱星座的基礎(chǔ)上，每個(gè)軌道面?zhèn)浞菀活w衛(wèi)星，正常情況下，備份衛(wèi)星不播發(fā)導(dǎo)航信號，處于冷備份狀態(tài)；只有當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，才啟動備份衛(wèi)星。
[0007]根據(jù)Galileo星座設(shè)計(jì)方案，為了滿足系統(tǒng)完好性、可用性和連續(xù)性的嚴(yán)格要求，Galileo系統(tǒng)在星座的每個(gè)軌道面上均布設(shè)一顆備份衛(wèi)星，正常情況下，該備份衛(wèi)星不發(fā)射信號；而當(dāng)某個(gè)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，該備份衛(wèi)星將在地面控制下漂移到相應(yīng)位置完成補(bǔ)充，確保滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
[0008]對導(dǎo)航星座進(jìn)行合理的備份，可在保證星座可用性的基礎(chǔ)上，盡量節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。
[0009]目前的導(dǎo)航星座可用性分析普遍采用馬爾科夫鏈分析方法，其優(yōu)點(diǎn)是概念清晰，建模較為簡單，可以得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，具有建模便利和求解快速的優(yōu)點(diǎn)。但是，該種分析方法由于對實(shí)際問題做出了較多的簡化和假設(shè)，難以有效分析星座備份模型，。主要表現(xiàn)在:對于星座備份模型的細(xì)節(jié)難以建模分析，例如:難以分析衛(wèi)星可靠度的動態(tài)變化、難以分析星座中不同衛(wèi)星由于使用時(shí)間不同等導(dǎo)致的狀態(tài)差異等，上述細(xì)節(jié)只能依賴簡化模型分析或在建模過程中不考慮。由此導(dǎo)致所給出的備份策略具有一定的局限性，使用其分析到的備份策略所達(dá)到的星座實(shí)際運(yùn)行可用性與星座期望可用性存在一定的差距。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種導(dǎo)航星座備份方法，通過該備份方法所得到的備份策略，能夠使星座實(shí)際運(yùn)行可用性與星座期望可用性非常逼近。
[0011]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0012]本發(fā)明提供一種導(dǎo)航星座備份方法，包括以下步驟:
[0013]步驟1:根據(jù)影響衛(wèi)星可靠度的因素，定義星座等級；其中，所述星座等級包括星座有效等級和星座可用等級；
[0014]步驟2:根據(jù)定位精度需求，從所定義的星座等級中選定至少一個(gè)星座等級，所選定的星座等級記為選定星座等級；
[0015]分別定義星座運(yùn)行期間。處于各選定星座等級的可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率要求，得到備份方案設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求；
[0016]步驟3:計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行的邊界條件；
[0017]步驟4:建立面向?qū)ο蟮碾S機(jī)petri網(wǎng)分析模型，該分析模型的輸入為步驟3得到的所述邊界條件，該分析模型的變遷為星座運(yùn)行中的各類事件，并定義各類變遷的發(fā)生條件和發(fā)生時(shí)間；
[0018]步驟5，基于所述隨機(jī)petri網(wǎng)分析模型，通過蒙特卡洛方法進(jìn)行仿真，仿真類型包括以下兩種:
[0019]第一種:地面?zhèn)浞莶呗苑抡妫襟E如下:
[0020]S5.1，設(shè)定初始參數(shù)值，包括:地面?zhèn)浞菪l(wèi)星數(shù)量最大值Μ ;每種備份策略的仿真總次數(shù)為Β ；
[0021]S5.2,當(dāng)前備份策略為:地面?zhèn)浞菪l(wèi)星數(shù)m = 1 ；
[0022]S5.3，以地面?zhèn)浞菪l(wèi)星數(shù)m作為所述隨機(jī)petri網(wǎng)分析模型的輸入，通過蒙特卡洛方法進(jìn)行B次仿真，得到星座在不同推進(jìn)時(shí)間點(diǎn)的B個(gè)星座狀態(tài)；然后，執(zhí)行S5.4 ；
[0023]S5.4，通過對得到的B個(gè)星座狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到每種選定星座等級下，星座在該種備份策略下星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率，即得到地面?zhèn)浞菪l(wèi)星數(shù)為m時(shí)的各選定星座等級下，星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率；
[0024]S5.5,判斷m是否等于M,如果不等于,令m = m+1 ;返回S5.3 ;如果等于,則執(zhí)行S5.6 ；
[0025]S5.6 ;通過上述循環(huán)，分別得到m= 1、2...Μ時(shí)，對應(yīng)的星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率；以m值為橫坐標(biāo)，以星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率為縱坐標(biāo)，得到僅地面?zhèn)浞萸闆r下，在各種選定星座等級下，星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率隨備份衛(wèi)星數(shù)目的變化曲線；
[0026]S5.7，對于每一種選定星座等級，均采下以下分析方式:
[0027]設(shè)當(dāng)前被分析的選定星座等級為選定星座等級j ;
[0028]將S5.6得到的與選定星座等級j對應(yīng)的變化曲線，記為變化曲線j ;
[0029]將步驟2定義的與選定星座等級j對應(yīng)的可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率要求，記為設(shè)計(jì)要求j ;
[0030]判斷變化曲線j中，是否存在滿足設(shè)計(jì)要求j的曲線段，如果不存在，則得出僅地面?zhèn)浞轃o法滿足設(shè)計(jì)要求j的結(jié)論；然后執(zhí)行S5.8 ;如果存在，則該曲線段的最小縱坐標(biāo)值所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值，即為地面至少需要備份的衛(wèi)星數(shù)量；
[0031]S5.8，分析變化曲線j與設(shè)計(jì)要求j的偏離情況，對設(shè)計(jì)要求j中的可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率要求進(jìn)行調(diào)整，得到一個(gè)新的設(shè)計(jì)要求j ;然后通過分析變化曲線j，得到符合該新的設(shè)計(jì)要求j的地面至少需要備份的衛(wèi)星數(shù)量；
[0032]第二種:在軌備份和地面?zhèn)浞菥C合策略仿真，步驟如下:
[0033]S5-1，設(shè)定初始參數(shù)值，包括:總備份衛(wèi)星數(shù)量最大值Μ ;每種備份策略的仿真總次數(shù)為B ;被仿真星座的軌道面數(shù)dl ;每個(gè)軌道面?zhèn)浞菪l(wèi)星數(shù)量最大值D ；
[0034]S5-2，當(dāng)前備份策略為:每個(gè)軌道面?zhèn)浞菪l(wèi)星數(shù)量d2 = 0 ;總備份衛(wèi)星數(shù)m = 1 ;則地面?zhèn)浞菪l(wèi)星數(shù)d3 = m-d2*dl ；
[0035]S5-3，以d2和d3值作為所述隨機(jī)petri網(wǎng)分析模型的輸入，通過蒙特卡洛方法進(jìn)行B次仿真，得到星座在不同推進(jìn)時(shí)間點(diǎn)的B個(gè)星座狀態(tài)；然后，執(zhí)行S5-4 ；
[0036]S5-4，通過對得到的B個(gè)星座狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到每種選定星座等級下，星座在該種備份策略下星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率，即得到每個(gè)軌道面?zhèn)浞菪l(wèi)星數(shù)量為d2、總備份衛(wèi)星數(shù)為m時(shí)，各選定星座等級下，星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率；
[0037]S5-5,判斷d2是否等于D,如果不等于，令d2 = d2+l ;返回S5_3 ;如果等于，則執(zhí)行 S5-6 ；
[0038]S5-6,判斷m是否等于M,如果等于，則執(zhí)行S5-7 ;如果不等于，則令m = m+1, d2 =0，返回S5-3，重新執(zhí)行S5-3-S5-6 ；
[0039]S5-7，通過上述循環(huán)，得到m = 1時(shí)，分別與d2 = 0、1..D對應(yīng)的D+1個(gè)星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率；
[0040]得到m = 2時(shí)，分別與d2 = 0、1..D對應(yīng)的D+1個(gè)星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率；
[0041]…直到m = Μ時(shí)，分別與d2 = 0、1..D對應(yīng)的D+1個(gè)星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率；
[0042]S5-8，以m值為橫坐標(biāo)，以星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率為縱坐標(biāo)，得到d2 = 0、1..D時(shí)，在各種選定星座等級下，星座可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率隨總備份衛(wèi)星數(shù)量的變化曲線；
[0043]S5-9，對于每一種選定星座等級，對應(yīng)D+1條變化曲線，均采下以下分析方式:
[0044]設(shè)當(dāng)前被分析的選定星座等級為選定星座等級j ;
[0045]將S5.6得到的與選定星座等級j對應(yīng)的變化曲線，分別記為:變化曲線1、變化曲線2...變化曲線D+1 ；
[0046]將步驟2定義的與選定星座等級j對應(yīng)的可用度優(yōu)于設(shè)定值的概率要求，記為設(shè)計(jì)要求j ;
[0047]判斷變化曲線1、變化曲線2…變化曲線D+1中，是否存在滿足設(shè)計(jì)要求j的變化曲線，如果不存在，則得出通過地面?zhèn)浞莺驮谲墏浞?，無法滿足設(shè)計(jì)要求j的結(jié)論；然后執(zhí)行S5-10 ;如果存在，則將滿足設(shè)計(jì)要求j的變化曲線記為變化曲線k ;其中，k E (1、2…D+1);對于變化曲線k，查找到滿足設(shè)計(jì)要求j的曲線段，該曲線段的最小縱坐標(biāo)值所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值，即為至少需要備份的總衛(wèi)星數(shù)量P ;變化曲線k即為d2 = k對應(yīng)的變化曲線，則:k*dl值為在軌備份衛(wèi)星數(shù)量；地面?zhèn)浞菪l(wèi)星數(shù)量=P_k*dl ；
[0048]S5-10，分析變化曲線1、變化曲線2…變化曲線D+1與設(shè)計(jì)要求j的綜合偏離情況，對設(shè)計(jì)要