一种导航星座备份方法
【技术领域】
[0001]本发明属于导航星座设计技术领域，具体涉及一种导航星座备份方法。
【背景技术】
[0002]全球卫星导航系统星座备份策略是导航系统设计的重要内容，研究成果直接影响导航系统完好性、可用性和连续性等重要指标的实现，也是在卫星发射、卫星运行出现故障时，确保导航系统成功组网和稳定运行的关键。
[0003]根据GPS (Global Posit1ning System,全球定位系统)、GLONASS (GLOBALNAVIGAT1N SATELLITE SYSTEM，格洛纳斯卫星导航系统)和Galileo (伽利略导航卫星系统)三大系统建设运行的经验，对星座进行必要的备份是确保导航系统连续稳定运行的必要条件。
[0004]例如，现有技术中，下列导航系统均采用星座备份策略:
[0005]GPS的设计星座是24颗卫星，但自1993年满星座运行以来，实际卫星数量一直维持在27颗以上，当工作卫星出现故障时，通过在轨备份卫星正常播发导航电文，从而有效地保证了系统性能。
[0006]GLONASS系统在满足标称星座的基础上，每个轨道面备份一颗卫星，正常情况下，备份卫星不播发导航信号，处于冷备份状态；只有当工作卫星出现故障时，才启动备份卫星。
[0007]根据Galileo星座设计方案，为了满足系统完好性、可用性和连续性的严格要求，Galileo系统在星座的每个轨道面上均布设一颗备份卫星，正常情况下，该备份卫星不发射信号；而当某个工作卫星出现故障时，该备份卫星将在地面控制下漂移到相应位置完成补充，确保满足系统设计指标要求。
[0008]对导航星座进行合理的备份，可在保证星座可用性的基础上，尽量节约经济成本。
[0009]目前的导航星座可用性分析普遍采用马尔科夫链分析方法，其优点是概念清晰，建模较为简单，可以得到系统的稳态特性，具有建模便利和求解快速的优点。但是，该种分析方法由于对实际问题做出了较多的简化和假设，难以有效分析星座备份模型，。主要表现在:对于星座备份模型的细节难以建模分析，例如:难以分析卫星可靠度的动态变化、难以分析星座中不同卫星由于使用时间不同等导致的状态差异等，上述细节只能依赖简化模型分析或在建模过程中不考虑。由此导致所给出的备份策略具有一定的局限性，使用其分析到的备份策略所达到的星座实际运行可用性与星座期望可用性存在一定的差距。
【发明内容】
[0010]针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种导航星座备份方法，通过该备份方法所得到的备份策略，能够使星座实际运行可用性与星座期望可用性非常逼近。
[0011]本发明采用的技术方案如下:
[0012]本发明提供一种导航星座备份方法，包括以下步骤:
[0013]步骤1:根据影响卫星可靠度的因素，定义星座等级；其中，所述星座等级包括星座有效等级和星座可用等级；
[0014]步骤2:根据定位精度需求，从所定义的星座等级中选定至少一个星座等级，所选定的星座等级记为选定星座等级；
[0015]分别定义星座运行期间。处于各选定星座等级的可用度优于设定值的概率要求，得到备份方案设计的设计要求；
[0016]步骤3:计算卫星运行的边界条件；
[0017]步骤4:建立面向对象的随机petri网分析模型，该分析模型的输入为步骤3得到的所述边界条件，该分析模型的变迁为星座运行中的各类事件，并定义各类变迁的发生条件和发生时间；
[0018]步骤5，基于所述随机petri网分析模型，通过蒙特卡洛方法进行仿真，仿真类型包括以下两种:
[0019]第一种:地面备份策略仿真，步骤如下:
[0020]S5.1，设定初始参数值，包括:地面备份卫星数量最大值Μ ;每种备份策略的仿真总次数为Β ；
[0021]S5.2,当前备份策略为:地面备份卫星数m = 1 ；
[0022]S5.3，以地面备份卫星数m作为所述随机petri网分析模型的输入，通过蒙特卡洛方法进行B次仿真，得到星座在不同推进时间点的B个星座状态；然后，执行S5.4 ；
[0023]S5.4，通过对得到的B个星座状态进行统计分析，得到每种选定星座等级下，星座在该种备份策略下星座可用度优于设定值的概率，即得到地面备份卫星数为m时的各选定星座等级下，星座可用度优于设定值的概率；
[0024]S5.5,判断m是否等于M,如果不等于,令m = m+1 ;返回S5.3 ;如果等于,则执行S5.6 ；
[0025]S5.6 ;通过上述循环，分别得到m= 1、2...Μ时，对应的星座可用度优于设定值的概率；以m值为横坐标，以星座可用度优于设定值的概率为纵坐标，得到仅地面备份情况下，在各种选定星座等级下，星座可用度优于设定值的概率随备份卫星数目的变化曲线；
[0026]S5.7，对于每一种选定星座等级，均采下以下分析方式:
[0027]设当前被分析的选定星座等级为选定星座等级j ;
[0028]将S5.6得到的与选定星座等级j对应的变化曲线，记为变化曲线j ;
[0029]将步骤2定义的与选定星座等级j对应的可用度优于设定值的概率要求，记为设计要求j ;
[0030]判断变化曲线j中，是否存在满足设计要求j的曲线段，如果不存在，则得出仅地面备份无法满足设计要求j的结论；然后执行S5.8 ;如果存在，则该曲线段的最小纵坐标值所对应的横坐标值，即为地面至少需要备份的卫星数量；
[0031]S5.8，分析变化曲线j与设计要求j的偏离情况，对设计要求j中的可用度优于设定值的概率要求进行调整，得到一个新的设计要求j ;然后通过分析变化曲线j，得到符合该新的设计要求j的地面至少需要备份的卫星数量；
[0032]第二种:在轨备份和地面备份综合策略仿真，步骤如下:
[0033]S5-1，设定初始参数值，包括:总备份卫星数量最大值Μ ;每种备份策略的仿真总次数为B ;被仿真星座的轨道面数dl ;每个轨道面备份卫星数量最大值D ；
[0034]S5-2，当前备份策略为:每个轨道面备份卫星数量d2 = 0 ;总备份卫星数m = 1 ;则地面备份卫星数d3 = m-d2*dl ；
[0035]S5-3，以d2和d3值作为所述随机petri网分析模型的输入，通过蒙特卡洛方法进行B次仿真，得到星座在不同推进时间点的B个星座状态；然后，执行S5-4 ；
[0036]S5-4，通过对得到的B个星座状态进行统计分析，得到每种选定星座等级下，星座在该种备份策略下星座可用度优于设定值的概率，即得到每个轨道面备份卫星数量为d2、总备份卫星数为m时，各选定星座等级下，星座可用度优于设定值的概率；
[0037]S5-5,判断d2是否等于D,如果不等于，令d2 = d2+l ;返回S5_3 ;如果等于，则执行 S5-6 ；
[0038]S5-6,判断m是否等于M,如果等于，则执行S5-7 ;如果不等于，则令m = m+1, d2 =0，返回S5-3，重新执行S5-3-S5-6 ；
[0039]S5-7，通过上述循环，得到m = 1时，分别与d2 = 0、1..D对应的D+1个星座可用度优于设定值的概率；
[0040]得到m = 2时，分别与d2 = 0、1..D对应的D+1个星座可用度优于设定值的概率；
[0041]…直到m = Μ时，分别与d2 = 0、1..D对应的D+1个星座可用度优于设定值的概率；
[0042]S5-8，以m值为横坐标，以星座可用度优于设定值的概率为纵坐标，得到d2 = 0、1..D时，在各种选定星座等级下，星座可用度优于设定值的概率随总备份卫星数量的变化曲线；
[0043]S5-9，对于每一种选定星座等级，对应D+1条变化曲线，均采下以下分析方式:
[0044]设当前被分析的选定星座等级为选定星座等级j ;
[0045]将S5.6得到的与选定星座等级j对应的变化曲线，分别记为:变化曲线1、变化曲线2...变化曲线D+1 ；
[0046]将步骤2定义的与选定星座等级j对应的可用度优于设定值的概率要求，记为设计要求j ;
[0047]判断变化曲线1、变化曲线2…变化曲线D+1中，是否存在满足设计要求j的变化曲线，如果不存在，则得出通过地面备份和在轨备份，无法满足设计要求j的结论；然后执行S5-10 ;如果存在，则将满足设计要求j的变化曲线记为变化曲线k ;其中，k E (1、2…D+1);对于变化曲线k，查找到满足设计要求j的曲线段，该曲线段的最小纵坐标值所对应的横坐标值，即为至少需要备份的总卫星数量P ;变化曲线k即为d2 = k对应的变化曲线，则:k*dl值为在轨备份卫星数量；地面备份卫星数量=P_k*dl ；
[0048]S5-10，分析变化曲线1、变化曲线2…变化曲线D+1与设计要求j的综合偏离情况，对设计要