面向全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的多層可用性分析方法研究.pdf

1、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）作為人類社會(huì)的重大時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施，有如人腦的導(dǎo)航功能一樣，影響著人類活動(dòng)的方方面面。隨著各類導(dǎo)航應(yīng)用的精度、時(shí)間和使用環(huán)境要求越來越高，高可用性已經(jīng)成為GNSS設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)關(guān)注的重要指標(biāo)之一，同時(shí)全球四大GNSS的逐步建成，導(dǎo)航可用性分析已經(jīng)成為各大系統(tǒng)相互兼容定位避免風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵手段。開展面向GNSS全系統(tǒng)可用性分析研究，一方面能夠評(píng)價(jià)現(xiàn)有

2、GNSS滿足導(dǎo)航用戶需求的能力，促進(jìn)其改進(jìn)和優(yōu)化，另一方面能夠牽引在建 GNSS的總體設(shè)計(jì)和約束各分系統(tǒng)的工程建設(shè)。
　　論文圍繞如何基于導(dǎo)航系統(tǒng)底層部件可靠性進(jìn)行 GNSS全系統(tǒng)可用性分析問題開展了深入研究，系統(tǒng)的提出了面向 GNSS全系統(tǒng)可用性概念體系，突破了一些關(guān)鍵分析技術(shù)，比較好的解決了GNSS全系統(tǒng)可用性多層映射分析的相關(guān)理論、方法和技術(shù)問題。論文的主要工作及創(chuàng)新成果如下：
　　（1）面向GNSS全系統(tǒng)可用性分析，

3、提出了一種基于誤差傳遞過程的可用性多層映射分析方法框架。通過分析底層部件可靠性向頂層服務(wù)可用性映射分析的困難，研究了GNSS系統(tǒng)基本工作過程，提出了面向GNSS信息信號(hào)工作過程的導(dǎo)航可用性層次概念體系，首次把 GNSS可用性分為系統(tǒng)可用性、鏈路可用性和服務(wù)可用性三大類自底向上、依次遞進(jìn)的層次關(guān)系，系統(tǒng)、全面的描述了 GNSS的各類可用性指標(biāo)。基于此概念體系和GNSS用戶等效距離誤差（User Equivalent Range Error

4、,UERE）在信息信號(hào)工作過程中的影響傳遞，提出了面向GNSS的可用性多層映射分析方法框架。本框架把導(dǎo)航可用性分為導(dǎo)航系統(tǒng)資源層、鏈路功能層和用戶服務(wù)層三層，給出了各層可用性之間的映射影響關(guān)系模型，并通過定義各層可用性分析模型，構(gòu)建了底層部件可靠性和大系統(tǒng)服務(wù)可用性之間的一體化影響關(guān)系。
　?。?）針對(duì) GNSS單星可用性分析，建立了基于連續(xù)時(shí)間 Markov鏈（Continuous-Time Markov Chain,CTMC）

5、和半馬爾科夫過程(Semi-Markov Process,SMP)的單星可用性分析模型。針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星中關(guān)鍵載荷壽命周期和維修時(shí)間服從指數(shù)分布的部件對(duì)單星導(dǎo)航任務(wù)功能的可用性分析，基于CTMC建模的相關(guān)假設(shè)，研究了導(dǎo)航衛(wèi)星CTMC瞬時(shí)可用性分析的過程，建立了基于CTMC的導(dǎo)航衛(wèi)星可用性的通用分析模型，并用單部件衛(wèi)星的可用性計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)不嚴(yán)格服從指數(shù)分布的載荷的可用性分析，研究建立了基于SMP的導(dǎo)航衛(wèi)星降階分析模型，不是一般性的

6、給出了基于SMP的導(dǎo)航衛(wèi)星可用性求解方法。同時(shí)，利用單星可用性的通用分析模型，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化的衛(wèi)星屬性權(quán)重指標(biāo)，建立了面向能力測(cè)度的導(dǎo)航星座可用性分析模型。
　?。?）為了建立系統(tǒng)可用性和服務(wù)可用性之間的關(guān)系，提出了一種面向數(shù)據(jù)齡期（Age of Data，AOD）影響的導(dǎo)航鏈路可用性映射技術(shù)方法?；趯?dǎo)航系統(tǒng)的求解原理和導(dǎo)航系統(tǒng)故障影響因素分析，研究了 UERE的主要影響因素。從導(dǎo)航地面網(wǎng)絡(luò)的角度，建立了包含導(dǎo)航信息完整性、準(zhǔn)確性

7、、時(shí)效性的導(dǎo)航信息可用性關(guān)鍵指標(biāo)計(jì)算模型，據(jù)此提出了基于AOD的導(dǎo)航信息可用性計(jì)算模型，量化了信息可用性和AOD之間的映射關(guān)系。從信號(hào)覆蓋性和健康性指標(biāo)研究了導(dǎo)航信號(hào)可用性，建立了AOD與用戶測(cè)距誤差（User Range Error，URE）之間的線性影響關(guān)系模型，從而建立了基于AOD的UERE誤差預(yù)測(cè)模型，并用GALILEO數(shù)據(jù)驗(yàn)證了此模型的合理性。
　?。?）針對(duì)頂層服務(wù)可用性，建立了基于導(dǎo)航加權(quán)精度（Weighted Di

8、lution of Precision,WDOP）求解的服務(wù)可用性分析模型。在分析均勻星座導(dǎo)航精度衰減因子DOP求解算法的基礎(chǔ)上，研究了面向區(qū)域增強(qiáng)星座的加權(quán)DOP算法。針對(duì)精度仿真分析的時(shí)空有效性，研究得出了區(qū)域格網(wǎng)精度在[5o,9o]范圍、時(shí)間分辨率在60秒的取舍原則，建立了面向區(qū)域增強(qiáng)星座的WDOP精度可用性計(jì)算模型。在詳細(xì)研究導(dǎo)航系統(tǒng)完好性指標(biāo)及其影響故障模式的基礎(chǔ)上，分析了面向多 GNSS系統(tǒng)的RAIM完好性算法，給出了區(qū)域加

9、權(quán)多GNSS系統(tǒng)中的多顆故障星故障判斷和識(shí)別的算法過程，建立了基于RAIM的多GNSS系統(tǒng)的完好性可用性分析模型。最后詳細(xì)研究了包含精度連續(xù)性和完好性連續(xù)性的GNSS連續(xù)性的計(jì)算模型，并建立了基于WDOP的區(qū)域增強(qiáng)星座的連續(xù)性可用性分析模型。
　　（5）在上述方法框架和可用性分析模型的基礎(chǔ)上，基于仿真模型可移植性規(guī)范（Simulation Model Portability Standard2.0，SMP2.0），建立了仿真分析模