一种导航卫星信号在轨中断频率的分析方法技术

本发明专利技术提供一种导航卫星信号在轨中断频率分析方法，具体过程为：(1)依次确定可能导致导航信号中断的分系统、组成设备及底事件，所述底事件包括主份/备份设备的故障切机事件和软故障，所述软故障包括两种，一是单粒子敏感器件发生单粒子软错误，一种是软件设计缺陷引起的软错误；(2)根据步骤(1)中分析结果，建立中断树；(3)依据中断树，建立中断频率分析模型，根据各类底事件的发生频率，计算卫星中断频率指标；(4)根据卫星中断频率分析结果，应用于卫星设计初期指标论证、分配和卫星研制末期的指标验证。该方法可应用于卫星设计初期指标论证、分配和卫星研制末期的指标验证。

An analysis method of on orbit interruption frequency of navigation satellite signal

【技术实现步骤摘要】
一种导航卫星信号在轨中断频率的分析方法
本专利技术涉及一种导航卫星信号在轨中断频率的分析方法，可应用于导航卫星信号中断频率的分配与验证，属于导航卫星设计

技术介绍
卫星导航系统是当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施。该系统在国民经济众多领域应用非常广泛，已形成庞大的卫星导航产业。为实现卫星导航系统高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时，卫星导航星座必须满足严格的精度、可用性、连续性、完好性要求。其中，可用性是在一段时间内，在基于为用户提供的可靠信息的基础上，系统能够用于导航的时间占总时间的百分比；连续性是指系统在运行阶段持续期间维持规定性能的频率，也可以表述为在规定的时间间隔内，健康的空间信号能够持续健康工作而不出现非计划中断的频率。可用性和连续性决定了卫星导航系统实际提供服务的能力，如果由于各种原因使导航系统发播的导航信号经常性中断和处于不可用状态，则系统的精度再高也没有实际意义。空间信号的连续性和可用性都与导航卫星的中断有关。根据ECSS-Q-ST-30-09《Availabilityanalysis》，中断(outages)定义为产品不能按要求的功能工作的状态。导航卫星的中断可分为四类，包括由卫星永久故障引起的长期非计划中断，由卫星到寿引起的长期计划中断，由短期故障引起的短期非计划中断，由计划性在轨维持操作引起的短期计划中断。其中，短期非计划中断由于发生时间的不确定性和对导航信号连续播发的决定性影响，在导航卫星中断设计与分析中具有重要地位。为了保证导航信号的高连续性和导航卫星的高可用性，我国导航卫星工程中提出了中断频率作为卫星的设计约束。对于单星而言，中断频率通常对应短期非计划中断，因此等价于平均短期非计划中断次数。短期非计划中断，是指卫星信号不可用的状态仅存在一定时间，并在较短时间内可恢复的中断。导航卫星短期非计划中断通常由单粒子翻转事件、软件错误、硬故障后切机等原因引起。根据国外GPS系统、Galileo系统、GLONASS系统公开资料，未见Galileo系统、GLONASS系统提出中断频率指标，GPS系统提出了星座层面的平均短期非计划中断次数(见《GlobalPositioningSystemStandardPositioningServicePerformanceStandard(2008版)》)，但未见详细的分析方法。根据国内北斗导航系统建设情况，我国在全球导航系统建设阶段，首次提出中断频率要求(参见中国青年报2017年11月6日“三问中国北斗”)。可见，中断频率指标尚属新概念，在导航卫星工程中也缺少具体分析方法。中断频率的分析，需要重点解决以下问题：1)分析范围问题。只有与导航卫星业务相关的故障才可能导致中断，一颗卫星有上百台设备、几万个元器件，全面分析这些设备和元器件和卫星中断的关系将耗费大量的资源，需要通过简单和更有效率的方式确定分析范围，将和卫星中断无关的设备、元器件剔除。2)中断建模问题。以何种方法建立中断指标的分析模型，能够覆盖影响中断的各类因素，并能以数学的方法方便的得到分析结果。3)器件功能中断率问题。器件功能中断率是系统中断指标分析的基础输入数据，是器件在应用于导航卫星并采取单粒子防护措施后在轨实际可能发生的功能异常的频率。由于星上有关器件较多，这一指标很难完全通过地面试验或仿真方法得到。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种导航卫星信号在轨中断频率分析方法，可应用于卫星设计初期指标论证、分配和卫星研制末期的指标验证。实现本专利技术的技术方案如下：一种导航卫星信号在轨中断频率分析方法，具体过程为：(1)依次确定可能导致导航信号中断的分系统、组成设备(单机)及底事件，所述底事件包括主份/备份设备的故障切机事件和软故障，所述软故障包括两种，一是单粒子敏感器件发生单粒子软错误，一种是软件设计缺陷引起的软错误；(2)根据步骤(1)中分析结果，建立中断树；(3)依据中断树，建立中断频率分析模型，根据各类底事件的发生频率，计算卫星中断频率指标；(4)根据卫星中断频率分析结果，应用于卫星设计初期指标论证、分配和卫星研制末期的指标验证。进一步地，本专利技术在中断树的底事件少、逻辑关系简单的情况下，根据中断树，卫星信号中断的顶层频率可以分解为或门、与门及其组合；或门情况的计算如下：假设有n1个底事件xi，i＝1,2,…,n1，任意一个底事件发生都可能导致卫星信号中断，第i个底事件的影响因子为βi，则卫星信号中断的频率其中，MTBOi表示第i个底事件的平均发生间隔时间。与门情况的计算如下：假设有n2个底事件xj，j＝1,2,…,n2，当所有底事件发生时可能导致卫星信号中断，且该与门的影响因子为βj，则卫星信号中断的频率其中，MTBOj表示第j个底事件的平均发生间隔时间。根据中断频率解析计算模型或仿真模型，代入底事件发生频率，分析得到中断频率指标。进一步地，本专利技术在中断树的底事件多、逻辑关系复杂，建立蒙特卡罗仿真流程，实现中断频率的仿真计算。进一步地，本专利技术所述指标论证为：a.应用于指标论证在卫星可行性论证阶段，根据预估得到卫星中断频率指标，作为确定卫星研制技术要求的依据；b.应用于指标分配在卫星方案设计阶段，在中断影响分析基础上，对相关分系统和设备初步分配一个中断频率指标，根据预估得到卫星中断频率指标，判断是否满足技术要求值，如不满足，则调整相关分系统和设备指标，，最终确定相关分系统和设备的中断频率指标，并保证整星中断频率指标满足要求；c.应用于指标验证在卫星正样研制阶段，利用已有的相关设备或器件的测试试验数据、仿真数据，根据预估得到卫星最终研制实现状态的中断频率指标，验证是否满足技术指标要求。进一步地，本专利技术步骤(1)的具体过程为：a.获取导航卫星所有分系统的组成、功能和冗余设计信息，卫星软件配套表，卫星FPGA配套表。b.分析各分系统与导航信号生成与播发的关系，明确影响导航信号中断的分系统；c.获取可能导致导航信号中断的分系统的进一步信息，包括各分系统的设备组成、功能、冗余设计、软件及FPGA配置情况；d.确定各设备和导航信号生成与播发的关系，确定可能导致导航信号中断的底事件。进一步地，本专利技术根据底事件对卫星信号中断的影响程度，可分为三种情况，并通过影响因子β进行区分，β的取值范围及说明见表3；表3影响因子的取值范围β取值说明β＝1故障必然导致系统不可用β＝x,0＜x＜1故障以频率x导致系统不可用β＝0故障不会导致系统不可用。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术方法给出了导航卫星中断频率的完整而可行的分析流程，特别是导航卫星由于单粒子事件、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导航卫星信号在轨中断频率分析方法，其特征在于，具体过程为：/n(1)依次确定可能导致导航信号中断的分系统、组成设备及底事件，所述底事件包括主份/备份设备的故障切机事件和软故障，所述软故障包括两种，一是单粒子敏感器件发生单粒子软错误，一种是软件设计缺陷引起的软错误；/n(2)根据步骤(1)中分析结果，建立中断树；/n(3)依据中断树，建立中断频率分析模型，根据各类底事件的发生频率，计算卫星中断频率指标；/n(4)根据卫星中断频率分析结果，应用于卫星设计初期指标论证、分配和卫星研制末期的指标验证。/n

【技术特征摘要】
1.一种导航卫星信号在轨中断频率分析方法，其特征在于，具体过程为：
(1)依次确定可能导致导航信号中断的分系统、组成设备及底事件，所述底事件包括主份/备份设备的故障切机事件和软故障，所述软故障包括两种，一是单粒子敏感器件发生单粒子软错误，一种是软件设计缺陷引起的软错误；
(2)根据步骤(1)中分析结果，建立中断树；
(3)依据中断树，建立中断频率分析模型，根据各类底事件的发生频率，计算卫星中断频率指标；
(4)根据卫星中断频率分析结果，应用于卫星设计初期指标论证、分配和卫星研制末期的指标验证。


2.根据权利要求1所述导航卫星信号在轨中断频率分析方法，其特征在于，在中断树的底事件少、逻辑关系简单的情况下，根据中断树，卫星信号中断的顶层频率可以分解为或门、与门及其组合；
或门情况的计算如下：假设有n1个底事件xi，i＝1,2,…,n1，任意一个底事件发生都可能导致卫星信号中断，第i个底事件的影响因子为βi，则卫星信号中断的频率



其中，MTBOi表示第i个底事件的平均发生间隔时间；
与门情况的计算如下：假设有n2个底事件xj，j＝1,2,…,n2，当所有底事件发生时可能导致卫星信号中断，且该与门的影响因子为βj，则卫星信号中断的频率



其中，MTBOj表示第j个底事件的平均发生间隔时间；
根据中断频率解析计算模型或仿真模型，代入底事件发生频率，分析得到中断频率指标。


3.根据权利要求2所述导航卫星信号在轨中断频率分析方法，其特征在于，在中断树的底事件多、逻辑关系复杂，建立蒙特卡罗仿真流程，实现中断频率的仿真计算。


4.根据权利要求1所述导航卫星信号在轨中断频率分析方法，其特征在于，所述指标应用场景为：
a.应用于指标论证
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海涛，熊笑，谢军，杨慧，谷岩，郑晋军，张旭，张孝功，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京;11