一种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法
【专利摘要】本发明提供了一种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法，综合利用马尔科夫链（MC)、贝叶斯网络（BN)、中断分析、应力——强度分析，通过分析单机设备可用性、监测站可用性以及空间信号监测精度（SISMA)仿真，确定系统级完好性监测的可用性，为系统级完好性监测设计优化、以及单机与监测站可用性的提高提供依据。该方法可进一步推广于卫星轨道精密测定与长期预报、时间同步与钟差预报、导航信息注入、星座运行管理等任务的可用性确定，为卫星导航系统的研制建设提供重要专业技术支持。
【专利说明】-种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供了一种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法，属于卫星导航系 统可用性【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 完好性是对卫星导航系统提供信息的信任程度的度量。由于卫星故障引起的定位 误差只能通过及早发现和通知用户剔除故障卫星来消除，因此完好性监测是保证导航系统 能够正常工作的重要手段。完好性监测主要用来监测卫星导航系统的故障，并对监测到的 故障及时报警，从而确保其在规定范围内具有较好的工作能力。
[0003] 传统的完好性监测方法主要关注接收机自主完好性监测能力，属于单机级完好性 监测范畴，而对系统顶层设计考虑较少，特别是尚未在系统级层面综合考虑监测站分布、监 测站所属设备的可靠性及维修情况、监测站中断情况、监测站可用性等多种因素，系统级完 好性监测方法存在不足。系统级完好性监测分为系统基本完好性监测、增强系统完好性监 测及卫星自主完好性监测。本发明主要针对系统基本完好性监测。系统基本完好性监测是 指基本导航系统在利用所布设的监测站观测数据进行卫星轨道和钟差处理的同时，对导航 电文中预报星历和钟差所对应的空间信号精度（SISMA)再进行实时分析处理，得到相应的 完好性参数并随导航电文一起播发给用户，用户在进行定位处理的同时，利用所接收的完 好性参数进行完好性处理。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对系统级完好性监测任务，提 供了一种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法，综合利用马尔科夫链（MC)、贝叶斯 网络（BN)、中断仿真、应力--强度分析，通过分析单机设备可用性、监测站可用性以及空 间信号监测精度（SISMA)仿真，确定系统级完好性监测的可用性。
[0005] 本发明的技术解决方案是：
[0006] -种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法，步骤如下：
[0007] (1)根据卫星导航系统的完好性监测过程中单机设备的运行与故障情况，构建基 于马尔科夫链的单机设备可用性模型，确定单机设备可用性，具体为：
[0008] (1. 1)根据系统级完好性监测过程中监测站分布及监测站内部单机设备的工作 状态，将单机设备的修复时间分为短期、中期和长期，修复时间对应的修复率与故障率分别 为：μ i，λ i，i = 1，2, 3 ;
[0009] 所述监测站是指卫星导航系统的组成部分，用于进行卫星导航系统的完好性监 测，监测站内部包括所述单机设备；
[0010] 所述短期是指单机设备发生故障后该监测站自行立即修复，所述中期是指单机设 备发生故障后调用其他临近监测站的单机设备进行修复，所述长期是指单机设备发生故障 后返厂修复；
[0011] (1.2)合并短期、中期和长期三类修复率和故障率，确定单机设备的总体修复率
【权利要求】
1. 一种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法，其特征在于步骤如下： (1) 根据卫星导航系统的完好性监测过程中单机设备的运行与故障情况，构建基于马 尔科夫链的单机设备可用性模型，确定单机设备可用性； (2) 确定监测站的可用性，具体为： (2. 1)根据所有监测站内的单机设备的可用性以及单机设备在监测站中的逻辑关系， 构建基于贝叶斯网络的监测站可用性模型，所述逻辑关系包括串联、并联、k/n、桥联和网 络； 基于贝叶斯网络的监测站可用性模型为：
，其中，口％是\的父节 点集，Xi表示第i个单机设备，其可用性为Mt) ;p(x)为单机设备的联合概率分布，X = {Xl，X。，· · ·，XrJ ; (2.2)根据步骤（2. 1)中确定的基于贝叶斯网络的监测站可用性模型，确定监测站的 可用性Am(t)，该可用性
； (3) 确定卫星导航系统的完好性监测可用性，具体为： (3. 1)根据监测站分布及监测站中断情况，仿真确定不同中断情况下的空间信号监测 精度；所述中断是指监测站整体停止工作； (3. 1. 1)利用监测站的观测数据计算卫星轨道误差和卫星钟差误差组成 整体的误差矢量X，历元t时刻卫星j可视域内有η个监测站接收卫星信号，利 用星历和监测站坐标计算站星几何距离，确定伪距观测方程并将其线性化得：
为监 测站的测量残差向量；
为卫星j到监测站i的单位矢 量
为卫星在地心坐标下的轨道误差
和钟差
为η个监测站在伪距域上产生的误差，服从正态分布； 误差矢量X及其协方差误差阵
*式 中，Db为卫星导航系统正常状态下伪距域噪声的标准差，为先验信息； 将
投影到用户位置得：
，式中，
表示用户估计误差，& = (euX，euY，euZ，1)τ表示用户到卫星方向的单位向量，e uX，euY，euZ表示用户与卫星的向量信息， 取最差用户位置处投影值为：
； (3. 1. 2)依照步骤（3. 1. 1)的计算最差用户位置处投影值SISMA的方式，在所有监测 站均正常、任意一个监测站发生监测中断、任意两个监测站同时发生监测中断、……、任意 n-4个监测站同时发生中断的情况下，分别进行中断仿真，确定不同中断组合情况下的空间 信号监测精度，即SISMA，η为监测站数量； (3. 2)通过公式
将步骤 (3.1)中确定的不同中断组合情况下的空间信号监测精度进行归一化处理；其中，SISMAbn 为各监测站之间的逻辑关系，
为应力函数，σ为应力，f( δ)为卫星导航 系统要求的空间信号监测精度值，S为强度； (3. 3)构建基于贝叶斯网络的卫星导航系统的完好性监测可用性模型：
5其中，mai是yi的父节点集，且mai = Ami⑴，即mai为第i个监测站的 可用性，yi表示第i个监测站；m(y)为监测站的联合概率分布，Y = {yp y2,. . . , yn}; (3.4) 根据步骤（3.3)中确定的基于贝叶斯网络的完好性监测可用性模型，确定完好 性监测的可用性AintegHty⑴，该可用性即为A integHty (t) = m (y)。
2. 根据权利要求1所述的一种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法，其特征在 于：所述步骤（1)根据卫星导航系统的完好性监测过程中单机设备的运行与故障情况，构 建基于马尔科夫链的单机设备可用性模型，确定单机设备可用性，具体为： (1. 1)根据系统级完好性监测过程中监测站分布及监测站内部单机设备的工作状态， 将单机设备的修复时间分为短期、中期和长期，修复时间对应的修复率与故障率分别为： μ λ J, i = 1, 2, 3 ； (1.2)合并短期、中期和长期三类修复率和故障率，确定单机设备的总体修复率
'和故障率
(1. 3)构建基于马尔科夫链的单机设备可用性模型为：
为单机设备处于运行或故障状态下 的概率； (1.4) 根据步骤（1.3)中确定的单机设备可用性模型，确定单机设备瞬时可用性：
3. 根据权利要求2所述的一种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法，其特征在 于：所述监测站是指卫星导航系统的组成部分，用于进行卫星导航系统的完好性监测，监测 站内部包括所述单机设备； 所述短期是指单机设备发生故障后该监测站自行立即修复，所述中期是指单机设备发 生故障后调用其他临近监测站的单机设备进行修复，所述长期是指单机设备发生故障后返 厂修复。
4. 根据权利要求1所述的一种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法，其特征在 于：所述SISMABN的值在0?1之间。
【文档编号】G01S19/20GK104215974SQ201410469448
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】杨卓鹏, 郑恒, 顾长鸿, 王晋婧, 薛恩, 龚佩佩, 李海生, 周波 申请人:中国航天标准化研究所