一种卫星导航软硬协同仿真试验的测量误差配准方法与流程

本发明主要涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种卫星导航软硬协同仿真试验的测量误差配准方法。

背景技术：

软硬件协同是指在整个系统中将软件仿真系统与硬件物理设备在统一的时空基准和控制机制下进行混合仿真运行，等效模拟真实工程大系统运行状态，以达到特定试验目标。其中“软”是指软件仿真系统的仿真模型，“硬”是指验证系统中的硬件物理设备。多数大型工程系统建立之初都会建立能够模拟全规模系统的软件仿真环境和最小硬件系统，同时为了验证硬件接入系统后的功能和性能，也会建立软硬件结合的半实物仿真系统。同样地，北斗导航系统建立的地面试验验证系统也基于全球系统仿真软件与硬件验证分系统构建软硬件协同试验环境，同时涵盖信号、信息层试验，充分发挥软硬环境各自优势、形成高效完备的系统整体试验能力。软硬件协同试验中涉及软硬件模块间测量数据同步的问题，模块间的测量数据如不一致将会导致后续数据处理出现问题进而影响试验效果，特定场景如软硬接收站同时接收软硬卫星观测数据，利用这些观测数据联合定轨时必须保证观测数据的误差一致以保证联合定轨的准确度。因此，如何将软硬协同试验中的软硬件模块间测量数据误差保持一致，以致不会影响后续数据处理成为软硬协同试验中不得不面对的问题。

经过现有技术的检索，中国发明专利（申请公布号：cn201910051659.2），发明名称为基于模型误差补偿的多星联合定轨方法，其主要是通过天、地基联合定轨策略，通过补偿动力学模型和观测模型两类模型误差，提高目标卫星的定轨精度。本发明所描述的模型误差补偿方法包含四个方面的内容：根据天基测控网的动力学模型和天地基测控网的观测模型建立多星联合定轨方程、根据目标卫星的轨道计算值和轨道观测值获得oc残差、通过确定oc残差对应的误差源分别建立动力学模型和观测模型的误差补偿项、根据误差补偿项建立多星联合定轨方程。

但是，中国发明专利（申请公布号：cn201910051659.2），发明名称为基于模型误差补偿的多星联合定轨方法，重点解决同时对天基动力学模型和地基观测模型进行模型误差补偿，不涉及软硬件误差补偿的场景，因此，该方法不能用于卫星导航软硬件协同误差配准问题中。

中国发明专利（申请公布号：cn201710045148.0），发明名称为全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其主要目的是解决如何利用虚实结合试验验证方法对星间链路网络进行星间组网试验。本发明描述的星间链路虚实结合试验验证方法包含四个三个方面的内容：模拟物理虚星与在轨卫星间的星间链路、将虚拟链路与物理链路集成，形成整网星间链路、利用虚实。

但是，中国发明专利（申请公布号：cn201710045148.0），发明名称为全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，该发明重点关注如何利用虚实结合试验验证方法验证星间链路组网功能，未涉及本文描述的软硬协同试验中误差配准问题。

总结起来，目前的卫星导航系统软硬件协同系统中，仅简单地介绍软硬件协同实现某种试验的方法，而在卫星定轨的模型误差补偿和配准方面，又不涉及软硬件协同系统领域。因此，缺少在卫星导航软硬件协同试验中对观测数据进行软硬件误差配准方法的研究，这也是卫星导航软硬件协同系统中所实际面临的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航软硬协同仿真试验的测量误差配准方法。可以避免软硬件协同试验中由于软硬件观测误差不一致导致无法进行有效试验的问题，能够保证试验的真实性和有效性。

根据本发明实施例的一种卫星导航软硬协同仿真试验的测量误差配准方法，包括以下步骤：

s1：建立包含软硬件卫星模型和软硬件接收站模型的软硬件协同试验系统。

s2：获取硬件设备的原始观测数据：硬件接收站接收硬件卫星发射的射频信号，直接测量获得原始数据。

s3：生成软件模型的观测数据：通过软件设定的软件模型的系统差和钟差，利用软件仿真的方法得到软件模型的观测数据。

s4：获取硬件设备的系统差：通过软件系统根据所有硬件观测数据实时估计系统差。

s5：获取硬件设备的钟差：通过实时测量硬件设备与系统时间之间的钟差获得。

s6：生成软硬件协同模式下的观测数据：将测量得到的硬件设备的系统差和钟差实时注入软件系统，由软件仿真生成软硬件协同模式下的观测数据。

s7：利用软硬件观测数据联合定轨：将所有软件观测数据、硬件观测数据及软硬件观测数据结合建立多星联合定轨方程以解决各个卫星的定轨问题。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤s1中，软硬件协同试验系统包含软件卫星模型、软件接收站、硬件卫星模型、硬件接收站、管控系统、综合保障系统。管控系统将所有硬件观测数据实时发送至软件系统，综合保障系统则提供整个硬件系统的时间基准。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤s4中，硬件设备系统差包含硬件卫星模型的系统差和硬件接收站的系统差，软件系统根据所有硬件接收站对硬件卫星伪距和载波观测数据，扣除硬件设备钟差、星地几何距离大气延迟等数据后，得到所有硬件设备测量的o-c观测。理论上，这些o-c观测中仅含硬件设备源端发射系统差、宿端接收系统差的组合值以及随机测量误差。利用这些o-c观测，分别估计得到硬件接收站、硬件卫星等硬件设备的源端发射系统差、宿端接收系统差。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤s5中，硬件钟差包含硬件卫星模型的钟差和硬件接收站的钟差。硬件设备的钟差，通过综合保障系统利用时间间隔计数器sr620实时测量硬件设备1pps与综合保障系统1pps获得、实时传到软件服务器。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤s6中，软件仿真软硬协同模式下的观测数据主要有两类：一是硬件接收站接收软件卫星的观测数据，二是软件接收站接收硬件卫星的观测数据。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的一种卫星导航软硬件协同模式下的观测数据误差配准方法，提供了一种解决软硬件协同试验中由于软硬件观测误差不一致导致无法进行有效试验的问题，本发明建立的将硬件设备的测量误差实时注入软件系统辅助软件系统生成仿真数据的方法，最大限度地保证了试验的真实性和有效性。

2、本发明中对软硬件协同试验进行闭环验证后，可接入其他的外部真实系统，如真实硬件卫星、真实接收站等，以验证外部真实系统的状态和能力。

附图说明

图1为本发明实施例中一种卫星导航软硬协同仿真试验的测量误差配准方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中卫星导航软硬件协同试验系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的一种卫星导航软硬协同仿真试验的测量误差配准方法，包括以下步骤

s1、建立包含软硬件卫星模型和软硬件接收站模型的软硬件协同试验系统。

具体地，软硬件协同试验系统中应当包括但不限于：

1）软件卫星模型：具有真实卫星信息发送和接收功能的软件等效模型；

2）硬件卫星模型：具有真实卫星信息和信号发送和接收功能的硬件等效模型；

3）软件接收站模型：具有接收软硬件卫星信息功能的软件等效模型；

4）硬件接收站模型：具有接收软硬件卫星信息和信号功能的硬件等效模型；

5）管控系统：具有连接硬件接收站和软件系统的功能，能够将硬件观测数据实时发送给软件系统；

6）综合保障系统：具备钟差测量功能和时间维持功能；

s2、获取硬件设备的原始观测数据：硬件接收站接收硬件卫星发射的射频信号，直接测量获得原始数据。

s4、生成软件模型的观测数据：通过软件设定的软件模型的系统差和钟差，利用软件仿真的方法得到软件模型的观测数据。

具体地，软件模型的观测数据应当包括但不限于：

1）软件仿真设定软件卫星测量数据的系统差、钟差；

2）软件仿真设定软件接收站测量数据的系统差、钟差；

3）通过纯软件仿真方法得到软件接收站接收软件卫星的观测数据。

s4、获取硬件设备的系统差：通过软件系统根据所有硬件观测数据实时估计系统差。

具体地，获取硬件设备的系统差应当包括但不限于：

1）管控系统将所有硬件接收站与所有硬件卫星的观测数据实时发送给软件系统；

2）软件系统实时估计所有硬件接收站、硬件卫星的系统差数据。

s5、获取硬件设备的钟差：通过实时测量硬件设备与系统时间之间的钟差获得。

具体地，获取硬件设备的钟差应当包括但不限于：

1）通过综合保障系统的sr260实时测量硬件卫星1pps与综合保障系统的1pps获得钟差；同样的方法，得到实时测量硬件接收站的钟差；

2）将硬件卫星和硬件接收站的钟差都通过综合保障系统实时发送至软件系统服务器。

s6、生成软硬件协同模式下的观测数据：将测量得到的硬件设备的系统差和钟差实时注入软件系统，由软件仿真生成软硬件协同模式下的观测数据。

具体地，生成软硬件协同模式下的观测数据应当包括但不限于：

1）生成硬件接收站接收软件卫星的观测数据：软件系统设定软件卫星模型的系统差和钟差，硬件接收站的系统差和钟差为软件系统估计得到的硬件接收站系统差和钟差数据，软硬件模型的系统差和钟差设定完成后由软件系统仿真生成观测数据。

2）生成软件接收站接收硬件卫星的观测数据：软件系统设定软件接收站模型的系统差和钟差，硬件卫星的系统差和钟差为软件系统估计得到的硬件卫星系统差和钟差数据，软硬件模型的系统差和钟差设定完成后由软件系统仿真生成观测数据。

在步骤s7中，利用软硬件观测数据联合定轨：将所有软件观测数据、硬件观测数据及软硬件观测数据结合建立多星联合定轨方程以解决各个卫星的定轨问题。

图2为本发明实施例中的一种卫星导航软硬件协同试验系统，包括软件卫星模型1、软件接收站模型2、硬件接收站模型3、硬件卫星模型4、硬件管控模型5、综合保障系统6。

具体地，软件卫星模型1支持生成模拟真实卫星发送导航信息流。软件接收站模型2支持模拟真实接收机解析信息流。硬件接收站模型3支持接收真实的卫星信号并解析得到观测数据。硬件卫星模型4支持生成模拟真实卫星的信号和信息流。硬件管控模型5支持将所有硬件观测数据发送给软件系统。综合保障系统6支持时间基准维持并具备测量其他硬件设备与该基准钟差的功能。

综上，本发明实施例可以解决软硬件协同试验中由于软硬件观测误差不一致导致无法进行有效试验的问题，本发明建立的将硬件设备的测量误差实时注入软件系统辅助软件系统生成仿真数据的方法，最大限度地保证了试验的真实性和有效性。

通过本发明的方法对软硬件协同试验进行闭环验证后，可接入其他的外部真实系统，如真实硬件卫星、真实接收站等，以验证外部真实系统的状态和能力。

需要注意的是：本发明可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，本发明的各个装置可采用专用集成电路（asic）或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本发明的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本发明的软件程序（包括相关的数据结构）可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，ram存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本发明的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。