专利名称：一种卫星导航系统性能评估系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种系统性能评估系统，特别是卫星导航系统性能评估系统，属于卫 星导航领域。
背景技术：
卫星导航系统主要包括空间星座部分、地面控制部分和用户终端部分，其主要功 能用于向全球使用者提供连续、实时、高精度的三维位置、速度以及精确的时间信息。当前，我国第二代卫星导航系统系统工程已经启动，为了深化对导航试验结果的 理解，找出系统的优点与不足，辅助导航系统的体制验证、系统研制和后续方案设计，有必 要对卫星导航系统在各种模式下的试验结果进行分析和评估。这需要从两个方面进行考 虑一是建立评估指标体系；二是针对每个评估指标设计评估方法。研究卫星导航系统的 指标体系可以从导航系统级性能、星座系统性能、导航信号性能、等效测距精度以及用户接 收机性能等方面进行分析。导航系统性能评估方法主要对试验结果进行处理，提取有效数 据，对各种误差影响因素进行综合与分析。卫星导航系统是一项规模庞大的系统工程，一般认为，定位精度、完好性和可用性 是卫星导航系统的三个重要指标，同时需要考虑卫星星座的维持策略以及接收机的多路径 误差效应。在卫星导航系统中，位置是一个基本的物理量，定位精度所能达到的准确度和 稳定度，不仅具有重要的学术理论和工程应用价值，而且具有极高的军事意义和经济意义。 导航系统的完好性是指系统在不能用于导航时及时向用户提供、有效告警信息的能力。完 好性是卫星导航系统的重要性能之一，尤其对于高动态民用导航用户和军事用户具有重大 意义，它包括两方面的含义一是对于超过告警阀值的任何故障都要在给定的告警时间内 发出警告；二是完好性风险概率必须在一定范围内，完好性风险概率是指导航位置信息超 过了告警阀值但这个事件被漏检的概率。卫星导航系统提供可靠、稳定服务的能力是衡量 系统性能的一项重要评价指标。ICAO对可用性的定义为在一段时间范围内，系统在满足用 户可靠性要求的基础上，为用户提供服务的时间占总时间的百分比。这里可靠性包含两个 方面的内容一是要导航系统满足用户定位精度要求；二是导航系统的完好性满足用户要 求。目前国际上已经有许多国家和地区对卫星导航服务进行试验和评估，其中美国、 欧洲和俄罗斯已经完成了试验和运行评估任务，部分评估结果已经公开。但是这些评估都 是针对本国或地区的导航系统进行，对我国二代导航系统评估仅具有部分参考价值；并且 这些评估只是公布了最终结果，具体的评估方法并没有公开。我国的二代卫星导航系统性 能评估需要结合本国的具体实际情况，尽快开展相关工作。而导航系统性能评估的关键工 作就是针对我国导航的具体需要，建立一套行之有效的性能评估指标和评估方法，目前国 外在该领域对外封锁，而国内在该领域则尚无系统深入研究。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种卫星导航系统性能评估 系统，该系统能够针对导航试验数据进行评估，工程上容易实施。有效地实现了卫星导航试 验的数据评估。本发明的技术解决方案一种卫星导航系统性能评估系统包括系统定位精度评 估模块、系统测速精度评估模块、系统可用性评估模块、系统完好性评估模块、构形保持能 力评估模块以及多路径延迟评估模块。系统定位精度评估模块，在实时模式下，对导航试验报文数据的定位解算精度进 行评估，计算用户等效距离误差以及精度因子，两者相乘，得出实时模式下系统定位精度结 论；在回放模式下，对导航试验文件数据的定位解算精度进行评估，提取文件中的标准位置 数据；同时提取文件中的导航信息数据，通过解算，得到解算位置数据；比较同一段时间间 隔内解算位置数据与标准位置数据的方差大小，得出回放模式下系统定位精度。系统测速精度评估模块，实时模式下，对导航试验报文数据的测速解算精度进行 评估，计算用户伪距率误差以及精度因子，两者相乘，得出实时模式下系统测速精度结论； 回放模式下，对导航试验文件数据的测速解算精度进行评估，提取文件中的标准速度数据； 同时提取文件中的导航信息数据，通过载波相位中心差分求解得到解算三维速度值；比较同 一段时间间隔内解算速度数据与标准速度数据的方差大小，得出回放模式下系统测速精度。系统可用性评估模块，实时模式下，系统可用性为系统瞬时定位精度可用性与系 统瞬时完好性可用性加权求和。其中系统瞬时完好性可用性的计算又分为两种模式实时 普通模式和实时广域差分模式。实时普通模式通过漏检概率计算保护级，与保护限值进行 比对，判断完好性可用性是否可用；实时广域差分模式通过危险信息误导概率计算保护级， 用以判断是完好性是否可用。回放模式下，系统可用性通过计算系统平均定位可用性品质参数以及平均完好可 用性品质参数，然后通过加权得到系统回放模式系统可用性。其中平均完好可用性品质参 数计算又分为两种模式回放普通模式和回放广域差分模式，回放普通模式通过漏检概率 计算保护级，与保护限值进行比对，计算平均完好可用性品质参数，实时广域差分模式通过 危险信息误导概率计算保护级，用以计算平均完好可用性品质参数。系统完好性评估模块，是对卫星导航系统的完好性进行评估。系统完好性评估模 块包括三部分，分别卫星自主完好性评估评估，是通过实验数据中的导航卫星信号完好性 信息及差分健康标识进行衡量；地面完好性评估，是分析卫星的用户差分距离误差指数以 及卫星标识和用户差分信息和完好性信息来判断是否符合地面完好性要求；接收机自主 完好性评估，是通过漏警率、误警率、告警时间评估接收机自主完好性是否符合系统设计要 求。构形保持能力评估模块，是对卫星星座的构形维持能力进行评估，计算在星座运 行一段时间间隔中，卫星星座保持在容许范围内所占时间的百分比。多路径延迟评估模块，用于对接收机多路径误差进行评估。通过计算20路多径信 号相对于直达的延迟、相对幅值以及相位差得到多路径延迟结论。本发明与现有技术相比的优点在于作为卫星导航系统的重要研究方法，卫星导 航实验仿真验证和测试可以降低系统研制的技术风险，是导航领域仿真的一个重要问题。导航试验报文数据提供了丰富的信息，本发明从系统导航系统定位性能、测速性能、可用 性、完好性、星座构形保持以及多路径效应等6个方面对导航系统进行了评估，并且对不同 的实验模式采用了不同的评估方法。该方法在工程上容易实施，可以有效地对卫星导航性 能进行评估。
图1是本发明的组成框图；图2为图1中系统定位精度评估模块的流程图；图3为图1中系统测速精度评估模块的流程图；图4为图1中系统可用性评估模块的流程图；图5为图1中系统完好性评估模块的流程图；图6为图1中构形保持能力评估模块的流程图；图7为图1中多路径延迟评估模块的流程图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的卫星导航系统性能评估总体流程，包括6个模块系统定位 精度评估模块、系统测速精度评估模块、系统可用性评估模块、系统完好性评估模块、构形 保持能力评估模块以及多路径延迟评估模块。系统评估模式分为实时模式和回放模式，实 时评估模式是导航实验系统按照系统仿真步长生成实验报文，而评估系统则是对每个步长 的导航实验报文数据进行即时评估；回放模式为对整个仿真周期内的所有实验数据进行评 估。其处理流程如下如图2所示，本发明的系统定位精度评估模块的实现为(1)实时模式下，提取导航试验报文数据，计算用户等效距离误差以及精度因子； 两者相乘，得出实时模式下系统定位精度结论；①首先通过TCP/IP协议从管理调度系统获取当前时刻导航试验报文；②计算当前时刻用户等效距离误差UERE，采用UERE预算表，通过计算当前卫星的 仰角，查表求得UERE值。
权利要求
1.一种卫星导航系统性能评估系统，其特征在于包括系统定位精度评估模块、系统 测速精度评估模块、系统可用性评估模块、系统完好性评估模块、构形保持能力评估模块以 及多路径延迟评估模块。系统定位精度评估模块，对卫星导航系统的定位精度进行评估。在实时模式下，提取导 航试验报文数据，计算当前时刻用户等效距离误差以及几何精度因子之积，得出实时模式 下系统定位精度结论；在回放模式下，提取导航试验文件中的标准位置数据，同时提取文件 中的导航信息数据，通过计算得到解算位置。比较同一段时间间隔内解算位置数据与标准 位置数据的方差大小，得出回放模式下系统定位精度。系统测速精度评估模块，对卫星导航系统的测速精度进行评估。实时模式下，提取导航 试验报文数据，计算当前时刻用户伪距率误差以及几何精度因子之积，得出实时模式下系 统测速精度结论；回放模式下，提取导航试验文件中的标准速度数据；同时提取文件中的 导航信息数据，通过载波相位中心差分求解得到解算三维速度值；比较同一段时间间隔内 解算速度数据与标准速度数据的方差大小，得出回放模式下系统测速精度。系统可用性评估模块，是对卫星导航系统提供服务的能力进行评估。实时模式下，系统 可用性表示为系统瞬时定位精度可用性与系统瞬时完好性可用性加权求和。其中系统瞬时 完好性可用性的计算又分为两种模式实时普通模式和实时广域差分模式。实时普通模式 通过漏检概率计算保护级，与保护限值进行比对，判断完好性是否可用；实时广域差分模式 通过危险信息误导概率计算保护级，用以判断是完好性是否达标；回放模式下，系统可用性 表示为系统平均定位可用性品质参数与系统平均完好可用性品质参数加权求和。其中平均 完好可用性品质参数计算又分为两种模式回放普通模式和回放广域差分模式，回放普通 模式通过漏检概率计算保护级，与保护限值进行比对，计算平均完好可用性品质参数，实时 广域差分模式通过危险信息误导概率计算保护级，用以计算平均完好可用性品质参数。系统完好性评估模块，是对卫星导航系统的完好性进行评估。系统完好性评估模块包 括卫星自主完好性评估、地面完好性评估以及接收机自主完好性评估三部分。卫星自主完 好性评估，是通过统计一段时间间隔内导航实验文件中的导航卫星信号完好性信息及差分 健康标识，得到卫星自主完好性结论；地面完好性评估，是通过统计一段时间间隔内导航实 验文件中的卫星的用户差分距离误差指数以及卫星标识和用户差分信息和完好性信息，得 到地面完好性结论；接收机自主完好性评估，是通过统计一段时间间隔内导航实验文件中 的接收机漏警率、误警率、告警时间，得到接收机自主完好性结论。构形保持能力评估模块，是对卫星星座的构形维持能力进行评估，计算在星座运行周 期内/或任意Mh的时间间隔中，卫星星座保持在容许范围内所占时间的百分比。多路径延迟评估模块，用于对接收机多路径误差进行评估。通过计算20路多径信号相 对于直达的延迟、相对幅值以及相位差得到多路径延迟结论。
2.权利要求1所述的卫星导航系统性能评估系统，其特征在于所述系统定位精度评 估模块在实时模式下的具体实现如下①首先通过网络从管理调度系统获取当前时刻导航试验报文数据；②计算当前时刻用户等效距离误差；③计算当前时刻用户所在位置的几何精度因子；④计算得到实时模式下系统定位精度；在回放模式下的具体实现如下①首先从文件服务器获取导航试验文件数据；②提取导航试验文件数据中的一段时间间隔内来自同一接收机的离散时间点的标准位置信息；③提取导航试验文件数据中的一段时间间隔内来自同一接收机的相同离散时间点的 导航信息数据，解算出每个时间点的接收机位置；④通过统计解算位置与同一时间点标准位置偏差的方差，得到回放模式下系统定位精 度结论。
3.权利要求1所述的卫星导航系统性能评估系统，其特征在于所述系统测速精度评 估模块在实时模式下具体实现过程；①首先通过网络上读取管理调度系统提供的导航试验报文数据，提取报文中的导航电 文信息，计算出当前位置P时刻t时的可见卫星数目n，以及每颗可见卫星j (j = L···!!)的 三维速度Vk,/(ρ)；②计算用户当前位置的几何精度因子；③提取导航试验报文数据中由SLR测量得到的，在当前位置ρ时刻k时的所有可见卫 星j(j = 1···η)的速度I,/(ρ)，计算Vk,/(ρ)与I,/(ρ)之间的误差，进而近似得到卫星 j(j = 1…η)的伪距变化率误差，通过最小二乘法可以得到伪距变化率观测值的均方跟差；④当前接收机的测速精度等效于当前位置的精度因子与伪距变化率观测值的均方跟 差之积；回放模式下的实现过程①首先从导航试验文件服务器提取一段时间间隔内来自同一接收机的相同离散时间 点的导航电文信息，利用采用载波相位中心差分求解出接收机每个离散时间点三维速度；②然后从导航试验文件服务器提取相同时间间隔内来自同一接收机的由轨道发生器 产生的相同离散点的标准速度信息；③将接收机的按照m速度值和η个运动方式，分别统计由载波相位中心差分求解的速 度信息与标准速度偏差的方差，得出各种情况下的测速精度信息，所述运动方式包括勻速 直线运动、勻变速直线运动、拉起和俯冲、等角飞行、协调转弯、转弯巡航；
4.权利要求1所述的卫星导航系统性能评估系统，其特征在于包括所述的系统可用 性评估模块的实现流程如下(1)导航试验为实时模式时，系统可用性表示为在给定时刻导航系统能够提供正常性 能水平的服务的概率，实时模式系统可用性又分为实时普通模式和实时广域差分模式；实时普通模式实现过程①首先通过网络上读取管理调度系统提供的导航试验报文数据，根据设定定位精度限 值以及导航试验报文中的卫星导航电文数据计算在位置k，时刻t时的瞬时定位精度可用 性；②然后根据设定接收机漏检概率Pm以及接收机水平保护级HAL和垂直保护VAL和导 航试验报文中的卫星导航电文数据计算在位置k，时刻t时的瞬时完好性可用性；③将普通模式下的位置k，时刻t时的瞬时定位精度可用性以及瞬时完好性可用性加 权后求得系统在位置k，时刻t时的实时普通模式瞬时可用性；实时广域差分模式实现过程；①首先通过网络读取管理调度系统提供的导航试验报文数据，根据设定的定位精度限 值和试验报文中的带有广域增强信息的卫星导航电文数据，计算在位置k，时刻t时的瞬时 定位精度可用性；②然后根据导航试验报文中的卫星导航电文数据以及设定的接收机危险信息误导概 率以及接收机水平保护级HAL和垂直保护VAL计算在位置k，时刻t时的瞬时完好性可用 性。③将广域差分模式下的位置k，时刻t时的瞬时定位精度可用性以及瞬时完好性可用 性加权后求得系统在位置k，时刻t时的实时广域差分模式瞬时可用性。(2)导航试验为回放模式时，系统可用性表示为在星座运行一段时间间隔中，系统定位 精度可用性以及完好性可用性所占的百分比。回放模式系统可用性也分为普通模式和广域 差分模式。回放普通模式实现过程①首先从导航试验文件服务器提取一段时间间隔内来自同一接收机的相同离散时 间点的导航电文信息以及对应时间点的同一接收机的标准位置数据；计算单点定位品质 参数QPP_al(k)，求取M = l_#/95」组QPP_al(k)的均值作为位置k的定位精度可用性 AvailQPP(k)，N为实验总步数；②然后统计覆盖区域中满足定位精度要求的网格点数目，得到所有网格点得的平均定 位精度可用性品质参数。③从导航试验文件服务器提取一段时间间隔内来自同一接收机的相同离散时间点的 导航电文信息，利用设定好的接收机漏检概率Pm以及接收机水平保护级HAL和垂直保护 VAL,求解出接收机在每个离散时间点完好性；计算完好性品质参数QPInmial (k)。④然后统计覆盖区域中QPInmial(k)满足完好性可用性要求的网格点数目，得到所有网 格点得的平均完好性可用性品质参数。⑤最后将普通模式下的平均定位精度可用性以及完好性可用性加权后求得回放普通 模式系统可用性；回放广域差分模式实现过程①首先从导航试验文件服务器提取一段时间间隔内来自同一接收机的相同离散时间 点的带有广域增强信息的导航电文，求解出接收机每个离散时间点位置；同时提取文件 中的对应时间点的同一接收机的标准位置数据；计算单点定位品质参数QPPwaas(k)，求取 M = IJV/95」组QPPwaas(k)的均值作为位置k的定位精度可用性Availepp(k)，N为实验总步 数；②然后统计覆盖区域中满足定位精度要求的网格点数目，得到所有网格点得的平均定 位精度可用性品质参数。③从导航试验文件服务器提取一段时间间隔内来自同一接收机的相同离散时间点的 带有广域增强信息的导航电文，利用危险信息误导概率以及接收机水平保护级HAL和垂直 保护VAL，计算完好性品质参数QPIwaas (k)。；④然后统计覆盖区域中QPIwaas(k)满足完好性可用性要求的网格点数目，得到所有网 格点得的平均完好性可用性品质参数；⑤将广域差分模式下的平均定位精度可用性品质参数以及平均完好性可用性品质参 数加权后求得回放广域差分模式系统可用性。
5.权利要求1所述的卫星导航系统性能评估系统，其特征在于包括所述系统完好性 评估模块的实现流程如下(1)卫星自主完好性评估实现为①从导航试验文件服务器分别提取一段时间间隔内，分别由导航实验管理部分和地面 导航数据处理部分提供的，在相同离散时间点的当前卫星状态信息星标识以及用 户差分和完好性信息SatHK。②如果SatHT= SatHE = 0，则认为符合卫星自主完好性要求；否则，认为不符合卫星自 主完好性要求；③最后统计符合卫星自主完好率=符合卫星自主完好性要求时间点数/总的时间点 数，计算卫星自主完好概率，得出卫星自主完好的结论。(2)地面完好性评估实现为①从导航试验文件服务器分别提取一段时间间隔内，由地面导航数据处理部分提供 30颗卫星的用户差分距离误差指数BDUDRE以及卫星标识和用户差分信息和完好性信息 SatHE ；②如果Sath= 0并且BDUDRE ( 2，则认为为符合地面完好性要求；否则，判断为不符 合地面完好性要求；③最后统地面完好率=符合地面完好性要求的时间点数/总的时间点数，计算地面完 好概率，得出地面完好的结论；(3)接收机自主完好性监测实现为①首先设定接收机的误警概率和漏警概率并接收机的误警点数和漏警点数以及报警 时间分别初始化为0 ；②然后从导航试验文件服务器分别提取一段时间间隔内，包含m(m^ 0)个卫星故障的 导航试验数据，从导航试验数据依次提取每次卫星故障开始时间V (i = 0. . . m-1)，如果接 收机利用故障检测算法通过设定的误警概率，计算出在故障开始V时间后6秒内没有输 出正确的故障星号，则认为接收机漏检，并将接收机漏警点数加1 ；如果接收机输出故障星 号，而系统当时不存在故障卫星或者故障卫星号不正确的情况下，误警点数加1 ；如果接收 机在t/时刻针对故障i输出正确故障卫星号，则将报警时间增加到G-tA③漏检率=漏警点数/总的时间点数；误警率=误警点数/总的时间点数，平均告警时 间=报警时间/m。
6.权利要求1所述的卫星导航系统性能评估系统，其特征在于包括所述构形保持能 力评估模块的实现流程如下(1)首先从导航试验文件服务器提取一段时间间隔内，由地面导航数据处理部分提供 的30颗卫星星历；(2)然后从导航试验文件服务器提取相同时间间隔，对应离散时间点的30颗卫星由 SLR测量得到卫星标准位置序列Pik，其中i为卫星编号，k为离散时间点序号；(3)通过星历计算离散时间点k所对应的，第i颗卫星的预报位置qik；(4)将Pik投影到第i颗卫星的轨道平面上得到位置为[k，易知^k和qi在同一个轨道平面上；(5)计算Pik与第i颗卫星的轨道平面的地心夹角钓，如果[-5°,+5°]，则认定卫星的 法向误差在正常范围内；(6)计算Pik与qik的地心夹角Cti，如果Ctie [-10°，+10° ]，则认定卫星的切向误 差在正常范围内；(7)最后对由30颗卫星组成，总的时间点数为N的二维空间进行格网化，可以得到30N 个时空点，计算满足条件(|识|<5)并且(I Φ, < 10)的时空点个数。
7.权利要求1所述的卫星导航系统性能评估系统，其特征在于包括所述多路径延迟 评估模块的实现流程如下(1)首先通过网络上读取管理调度系统提供的导航试验报文数据，提取接收机在时刻 t时的直达信号的幅度以及20路多路径信号中每一路多径信号对直达信号的延迟、相对幅 值以及相位差；(2)然后计算每一路多径信号的信噪比SNR^SVi ,. 成·(〗+ , cos总)是第i路多径 信号与直达信号的相对幅值；β i为第i路多径信号与直达信号的相位差，A/为直达信号的 幅度；(3)最后计算20路多径信号在导致伪距测量中的多路径误差，表示为
全文摘要
一种卫星导航系统性能评估系统，分为实时和回放两种评估模式，系统定位精度评估模块，通过计算用户等效距离误差以及统计方法对系统定位精度进行评估。系统测速精度评估模块，通过计算用户伪距率误差以及统计方法得到系统测速精度结论。系统可用性评估模块，分别计算普通模式以及广域差分模式的可用性得出系统可用性结论。系统完好性评估模块，通过计算卫星、地面运控、接收机三个部分的完好性得出系统完好性结论。构形保持能力评估模块，通过统计星座占位时间百分比得出构形维持能力结论。多路径延迟评估模块，通过计算多径信号相对于直达的延迟、幅值以及相位差得到多路径延迟结论。本发明在工程上易实施，可有效地实现卫星导航系统性能评估。
文档编号G01S19/20GK102103210SQ20091026036
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者王智广, 连远锋 申请人:中国石油大学(北京)