面向全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的多層可用性分析方法研究.pdf

1、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）作為人類社會的重大時空基礎設施，有如人腦的導航功能一樣，影響著人類活動的方方面面。隨著各類導航應用的精度、時間和使用環(huán)境要求越來越高，高可用性已經成為GNSS設計和建設時關注的重要指標之一，同時全球四大GNSS的逐步建成，導航可用性分析已經成為各大系統(tǒng)相互兼容定位避免風險的關鍵手段。開展面向GNSS全系統(tǒng)可用性分析研究，一方面能夠評價現(xiàn)有

2、GNSS滿足導航用戶需求的能力，促進其改進和優(yōu)化，另一方面能夠牽引在建 GNSS的總體設計和約束各分系統(tǒng)的工程建設。
　　論文圍繞如何基于導航系統(tǒng)底層部件可靠性進行 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，突破了一些關鍵分析技術，比較好的解決了GNSS全系統(tǒng)可用性多層映射分析的相關理論、方法和技術問題。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信息信號工作過程的導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、鏈路可用性和服務可用性三大類自底向上、依次遞進的層次關系，系統(tǒng)、全面的描述了 GNSS的各類可用性指標。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。本框架把導航可用性分為導航系統(tǒng)資源層、鏈路功能層和用戶服務層三層，給出了各層可用性之間的映射影響關系模型，并通過定義各層可用性分析模型，構建了底層部件可靠性和大系統(tǒng)服務可用性之間的一體化影響關系。
　?。?）針對 GNSS單星可用性分析，建立了基于連續(xù)時間 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。針對導航衛(wèi)星中關鍵載荷壽命周期和維修時間服從指數分布的部件對單星導航任務功能的可用性分析，基于CTMC建模的相關假設，研究了導航衛(wèi)星CTMC瞬時可用性分析的過程，建立了基于CTMC的導航衛(wèi)星可用性的通用分析模型，并用單部件衛(wèi)星的可用性計算方法進行了驗證。針對不嚴格服從指數分布的載荷的可用性分析，研究建立了基于SMP的導航衛(wèi)星降階分析模型，不是一般性的

6、給出了基于SMP的導航衛(wèi)星可用性求解方法。同時，利用單星可用性的通用分析模型，構建了標準化的衛(wèi)星屬性權重指標，建立了面向能力測度的導航星座可用性分析模型。
　?。?）為了建立系統(tǒng)可用性和服務可用性之間的關系，提出了一種面向數據齡期（Age of Data，AOD）影響的導航鏈路可用性映射技術方法?；趯Ш较到y(tǒng)的求解原理和導航系統(tǒng)故障影響因素分析，研究了 UERE的主要影響因素。從導航地面網絡的角度，建立了包含導航信息完整性、準確性

7、、時效性的導航信息可用性關鍵指標計算模型，據此提出了基于AOD的導航信息可用性計算模型，量化了信息可用性和AOD之間的映射關系。從信號覆蓋性和健康性指標研究了導航信號可用性，建立了AOD與用戶測距誤差（User Range Error，URE）之間的線性影響關系模型，從而建立了基于AOD的UERE誤差預測模型，并用GALILEO數據驗證了此模型的合理性。
　　（4）針對頂層服務可用性，建立了基于導航加權精度（Weighted Di

8、lution of Precision,WDOP）求解的服務可用性分析模型。在分析均勻星座導航精度衰減因子DOP求解算法的基礎上，研究了面向區(qū)域增強星座的加權DOP算法。針對精度仿真分析的時空有效性，研究得出了區(qū)域格網精度在[5o,9o]范圍、時間分辨率在60秒的取舍原則，建立了面向區(qū)域增強星座的WDOP精度可用性計算模型。在詳細研究導航系統(tǒng)完好性指標及其影響故障模式的基礎上，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、權多GNSS系統(tǒng)中的多顆故障星故障判斷和識別的算法過程，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)性的計算模型，并建立了基于WDOP的區(qū)域增強星座的連續(xù)性可用性分析模型。
　?。?）在上述方法框架和可用性分析模型的基礎上，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