导航监测网的可用性分析方法技术

本发明专利技术公开了导航监测网的可用性分析方法，实现了对导航监测网可用性的全面分析。包括如下步骤：利用广义随机Petri网构建导航监测站可用性模型，同构马尔科夫链状态转移过程，确定导航监测站模型的微分方程，得到导航监测站的可用性。确定导航监测站间传输链路可用性。确定导航监测站间逻辑关系，以及确定导航监测区域间逻辑关系，并确定导航监测区域状态与导航监测网状态的逻辑关系。基于贝叶斯网络构建导航监测网可用性模型，确定导航监测网的可用状态概率、降阶状态概率以及中断状态概率。若导航监测网处于中断状态，求解各导航监测站的中断状态概率，将各导航监测站的中断状态概率由高到低的排序，顺次对导航监测站进行故障诊断与排查。

【技术实现步骤摘要】
导航监测网的可用性分析方法
本专利技术涉及卫星导航系统可用性
，具体涉及导航监测网的可用性分析方法。
技术介绍
导航监测网可用性是表征监测网运行状态的一项关键参数，是指监测网在任一随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度。上述“任务”包括：精密定轨与时间同步、导航信息上行注入、系统完好性监测等。与导航监测网可用性相关因素包括：导航监测站可用性、导航监测站间传输链路可用性、导航监测站间逻辑关系、导航监测区域间逻辑关系等。导航监测网是卫星导航系统的重要组成部分，负责导航星座的监测、指挥、控制等任务，其运行状态关系到卫星导航系统面向用户承诺的精度、可用性、连续性和完好性等服务性能指标。工程实践表明，导航监测网是一个软硬件集成系统，其运行状态与导航监测站的硬件短期故障、硬件长期故障、软件短期故障、软件长期故障、软硬件耦合故障，以及导航监测站间传输链路故障、导航监测站间逻辑关系，导航监测区域间逻辑关系密切相关。此外，传统的导航监测网可用性研究主要针对导航监测站硬件故障进行建模研究，较少考虑导航监测站的软件故障和软硬件耦合故障，较少考虑导航监测站间传输链路故障的共因失效问题。因此目前亟需一种能够综合考虑导航监测站各中断状态、导航监测站间以及导航监测区域间传输链路逻辑关系的导航监测网可用性分析方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了导航监测网的可用性分析方法，能够通过建模的方法对导航监测网进行可用性分析，综合考虑导航监测站各中断状态、导航监测站间以及导航监测区域间传输链路逻辑关系，能够实现对导航监测网可用性的全面分析，是一种量化的导航监测网可用性分析，并为导航监测网中断提供技术支持和决策建议。为达到上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：步骤一、利用广义随机Petri网构建导航监测站可用性模型，同构马尔科夫链状态转移过程，确定导航监测站模型的微分方程，进而确定导航监测站的可用性。步骤二、确定导航监测站间传输链路可用性。步骤三、确定导航监测站间逻辑关系，以及确定导航监测区域间逻辑关系，并确定导航监测区域状态与导航监测网状态的逻辑关系。步骤四、利用导航监测站的可用性、导航监测站间传输链路可用性、导航监测站间逻辑关系以及导航监测区域间逻辑关系，基于贝叶斯网络构建导航监测网可用性模型，确定导航监测网的可用状态概率、降阶状态概率以及中断状态概率。步骤五、若导航监测网处于中断状态，利用导航监测网可用性模型，求解在导航监测网处于中断状态的情况下，各导航监测站的中断状态概率，将各导航监测站的中断状态概率由高到低的排序，按照排序顺序顺次对导航监测站进行故障诊断与排查。进一步地，步骤一中，广义随机Petri网构建导航监测站可用性模型中包含：总体中断相关状态，包括：导航监测站可用状态PUP(t)、导航监测站中断状态PDOWN(t)、硬件或软件故障选择状态PHOS(t)。硬件短期故障相关状态，包括：硬件短期或长期故障选择状态PSOLH(t)、硬件短期故障状态PSH(t)。硬件长期故障相关状态，包括：硬件长期故障状态PLH(t)、硬件备件选择状态PSONH(t)、硬件备件等待状态PSWH(t)、硬件长期故障维修等待状态PRWH(t)。软件短期故障相关状态，包括：软件短期或长期故障选择状态PSOLS(t)、软硬件故障转移选择状态PSOHS(t)、软件短期故障选择状态PROIS(t)、软件重启故障状态PRS(t)、软件自修复状态PIS(t)。软件长期故障相关状态，包括：软件长期故障状态PLS(t)。软硬件耦合故障相关状态，包括：软件故障向硬件故障转移状态PSTH(t)。其中t为时间变量。进一步地，步骤一种，确定导航监测站模型的微分方程，具体为：PUP(t)+PDOWN(t)+PSH(t)+PLH(t)+PSWH(t)+PRWN(t)+PSTH(t)+PLS(t)+PRS(t)+PIS(t)＝1(2)且fH+fs＝1，fSH+fLH＝1，fSPH+fNSPH＝1，fSS+fLS＝1，fRS+fIS＝1，fSTHS+fNSTHS＝1其中：分别为PUP(t)、PDOWN(t)、PSH(t)、PLH(t)、PSWH(t)、PRWH(t)、PSTH(t)、PLS(t)、PRS(t)、PIS(t)的一阶导数。式中：为平均中断故障率。λOD为平均中断检测率。为硬件短期平均修复率。为硬件长期平均修复率；为硬件平均管理延误率；为硬件平均备件供应反应率；为软件平均重启修复率；为软件平均自修复率；为软件长期平均修复率；为软件故障传播至硬件的平均故障率；fH为硬件平均故障概率；fS为软件平均故障概率；fSH为硬件短期平均故障概率；fLH为硬件长期平均故障概率；fSPH为硬件备件平均保障率；fNSPH为硬件备件平均非保障率；fSS为软件短期平均故障概率；fLS为软件长期平均故障概率；fRS为软件平均重启概率；fIS为软件平均自修复概率；fSTHS为软硬件耦合故障发生平均概率；fNSTHS为软硬件无耦合故障发生平均概率。采用龙格库塔法求解公式(1)和(2)得到导航监测站可用状态PUP(t)的瞬态解为当时间t→∞时，导航监测站可用状态PUP(t)的瞬态解变为导航监测站可用状态的稳态解为进一步地，步骤二中，确定导航监测站间传输链路可用性，具体包括如下步骤：S201、导航监测站间的光纤可靠性为：其中m为光纤的形状参数，η为光纤的尺度参数。S202、光纤平均修复时间为TOF(t)，则导航监测站间传输链路的可用性为：进一步地，步骤三中，确定导航监测站间逻辑关系，以及确定导航监测区域间逻辑关系，包括如下具体内容：导航监测网划分为五个导航监测区域，分别为：东南导航监测区域、东北导航监测区域、中部导航监测区域、西南导航监测区域、西北导航监测区域，确定导航监测站间逻辑关系与导航监测区域间逻辑关系：导航监测区域的状态包括可用状态、降阶状态以及中断状态。其中单一导航监测区域可用性由k/n关系给出；其中n为当前导航监测区域内导航监测站的总数，k为当前导航监测区域内处于可用状态的导航监测站数量。若单一导航监测区域发生中断，则导航监测网处于降阶状态。若任意两个及以上导航监测区域发生中断，则导航监测网处于中断状态。进一步地，步骤四中，基于贝叶斯网络构建导航监测网可用性模型，其中导航监测网的状态S(t)包括三个状态，分别为可用状态O、降阶状态D以及中断状态F。则导航监测网可用状态概率为P(S(t)＝O)、导航监测网降阶状态概率为P(S(t)＝D)、导航监测网中断状态概率P(S(t)＝F)分别为：P(S(t)＝O)＝P(AN(t)＝O,RSE(t),RNE(t),RCE(t),RSW(t),RNW(t),MSE1(t),...,MNWn(t),TSE(t),...,TNW(t))本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.导航监测网的可用性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、利用广义随机Petri网构建导航监测站可用性模型，同构马尔科夫链状态转移过程，确定导航监测站模型的微分方程，进而确定导航监测站的可用性；/n步骤二、确定导航监测站间传输链路可用性；/n步骤三、确定导航监测站间逻辑关系，以及确定导航监测区域间逻辑关系，并确定导航监测区域状态与导航监测网状态的逻辑关系；/n步骤四、利用所述导航监测站的可用性、导航监测站间传输链路可用性、导航监测站间逻辑关系以及导航监测区域间逻辑关系，基于贝叶斯网络构建导航监测网可用性模型，确定导航监测网的可用状态概率、降阶状态概率以及中断状态概率；/n步骤五、若导航监测网处于中断状态，利用所述导航监测网可用性模型，求解在导航监测网处于中断状态的情况下，各导航监测站的中断状态概率，将各导航监测站的中断状态概率由高到低的排序，按照排序顺序顺次对导航监测站进行故障诊断与排查。/n

【技术特征摘要】
1.导航监测网的可用性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、利用广义随机Petri网构建导航监测站可用性模型，同构马尔科夫链状态转移过程，确定导航监测站模型的微分方程，进而确定导航监测站的可用性；
步骤二、确定导航监测站间传输链路可用性；
步骤三、确定导航监测站间逻辑关系，以及确定导航监测区域间逻辑关系，并确定导航监测区域状态与导航监测网状态的逻辑关系；
步骤四、利用所述导航监测站的可用性、导航监测站间传输链路可用性、导航监测站间逻辑关系以及导航监测区域间逻辑关系，基于贝叶斯网络构建导航监测网可用性模型，确定导航监测网的可用状态概率、降阶状态概率以及中断状态概率；
步骤五、若导航监测网处于中断状态，利用所述导航监测网可用性模型，求解在导航监测网处于中断状态的情况下，各导航监测站的中断状态概率，将各导航监测站的中断状态概率由高到低的排序，按照排序顺序顺次对导航监测站进行故障诊断与排查。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，所述广义随机Petri网构建导航监测站可用性模型中包含：
总体中断相关状态，包括：导航监测站可用状态PUP(t)、导航监测站中断状态PDOWN(t)、硬件或软件故障选择状态PHOS(t)；
硬件短期故障相关状态，包括：硬件短期或长期故障选择状态PSOLH(t)、硬件短期故障状态PSH(t)；
硬件长期故障相关状态，包括：硬件长期故障状态PLH(t)、硬件备件选择状态PSONH(t)、硬件备件等待状态PSWH(t)、硬件长期故障维修等待状态PRWH(t)；
软件短期故障相关状态，包括：软件短期或长期故障选择状态PSOLS(t)、软硬件故障转移选择状态PSOHS(t)、软件短期故障选择状态PROIS(t)、软件重启故障状态PRS(t)、软件自修复状态PIS(t)；
软件长期故障相关状态，包括：软件长期故障状态PLS(t)；
软硬件耦合故障相关状态，包括：软件故障向硬件故障转移状态PSTH(t)；
其中t为时间变量。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤一种，确定导航监测站模型的微分方程，具体为：



PUP(t)+PDOWN(t)+PSH(t)+PLH(t)+PSWH(t)+PRWN(t)+PSTH(t)+PLS(t)+PRS(t)+PIS(t)＝1(2)
且fH+fs＝1，fSH+fLH＝1，fSPH+fNSPH＝1，fSS+fLS＝1，fRS+fIS＝1，fSTHS+fNSTHS＝1其中：



分别为PUP(t)、PDOWN(t)、PSH(t)、PLH(t)、PSWH(t)、PRWH(t)、PSTH(t)、PLS(t)、PRS(t)、PIS(t)的一阶导数；
式中：为平均中断故障率；λOD为平均中断检测率；为硬件短期平均修复率；为硬件长期平均修复率；为硬件平均管理延误率；为硬件平均备件供应反应率；为软件平均重启修复率；为软件平均自修复率；为软件长期平均修复率；为软件故障传播至硬件的平均故障率；fH为硬件平均故障概率；fS为软件平均故障概率；fSH为硬件短期平均故障概率；fLH为硬件长期平均故障概率；fSPH为硬件备件平均保障率；fNSPH为硬件备件平均非保障率；fSS为软件短期平均故障概率；fLS为软件长期平均故障概率；fRS为软件平均重启概率；fIS为软件平均自修复概率；fSTHS为软硬件耦合故障发生平均概率；fNSTHS为软硬件无耦合故障发生平均概率；
采用龙格库塔法求解公式(1)和(2)得到导航监测站可用状态PUP(t)的瞬态解为当时间t→∞时，导航监测站可用状态PUP(t)的瞬态解变为导航监测站可用状态的稳态解为


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，确定导航监测站间传输链路可用性，具体包括如下步骤：
S201、导航监测站间的光纤可靠性为：
其中m为光纤的形状参数，η为光纤的尺度参数；
S202、光纤平均修复时间为TOF(t)，则导航监测站间传输链路的可用性为：





5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，确定导航监测站间逻辑关系，以及确定导航监测区域间逻辑关系，包括如下具体内容：
导航监测网划分为五个导航监测区域，分别为：东南导航监测区域、东北导航监测区域、中部导航监测区域、西南导航监测区域、西北导航监测区域，确定导航监测站间逻辑关系与导航监测区域间逻辑关系：
所述导航监测区域的状态包括可用状态、降阶状态以及中断状态；
其中单一导航监测区域可用性由k/n关系给出；其中n为当前导航监测区域内导航监测站的总数，k为当前导航监测区域内处于可用状态的导航监测站数量；
若单一导航监测区域发生中断，则导航监测网处于降阶状态；
若任意两个及以上导航监测区域发生中断，则导航监测网处于中断状态。


6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤四中，所述基于贝叶斯网络构建导航监测网可用性模型，其中导航监测网的状态S(t)包括三个状态，分别为可用状态O、降阶状态D以及中断状态F；
则导航监测网可用状态概率为P(S(t)＝O)、导航监测网降阶状态概率为P(S(t)＝D)、导航监测网中断状态概率P(S(t)＝F)分别为：
P(S(t)＝O)
＝P(AN(t)＝O,RSE(t),RNE(t),RCE(t),RSW(t),RNW(t),MSE1(t),...,MNWn(t),TSE(t),...,TNW(t))
＝P(AN(t)＝O|RSE(t),RNE(t),RCE(t),RSW(t),RNW(t))·P(RSE(t)MSE1(t),...,MSEn(t),TSE(t))·P(RNE(t)|MNE1(t),...,MNEn(t),TNE(t))·P(RCE(t)MCE1(t),...,MCEn(t),TCE(t))·P(RSW(t)|MSW1(t),...,MSWn(t),TSW(t))·P(RNW(t)MNW1(t),...,MNWn(t),TNW(t))·P(MSE1(t))·P(MSE2(t))...·P(MNWn(t))·P(TSE(t))·P(TNE(t))·P(TCE(t))·P(TSW(t))·P(TNW(t))
式中：P(S(t)＝O)表示导航监测网可用状态概率；
AN(t)表示导航监测网；
RSE(t)、RNE(t)、RCE(t)、RSW(t)、RNW(t)分别表示东南导航监测区域、东北导航监测区域、中部导航监测区域、西南导航监测区域、西北导航监测区域；
MSE1(t),...,MSEn(t)分别表示东南导航监测区域第1至第n导航监测站；
MNE1(t),...,MNEn(t)分别表示东北导航监测区域第1至第n导航监测站；
MCE1(t),...,MCEn(t)分别表示中部导航监测区域第1至第n导航监测站；
MSW1(t),...,MSWn(t)分别表示西南导航监测区域第1至第n导航监测站；
MNW1(t),...,MNWn(t)分别表示西北导航监测区域第1至第n导航监测站；
TSE(t)、TNE(t)、TCE(t)、TSW(t)、TNW(t)分别表示东南导航监测区域导航监测站间传输链路、东北导航监测区域导航监测站间传输链路、中部导航监测区域导航监测站间传输链路、西南导航监测区域导航监测站间传输链路、西北导航监测区域导航监测站间传输链路。
P(AN(t)＝O|RSE(t),RNE(t),RCE(t),RSW(t),RNW(t))表示导航监测网处于可用状态时，各导航监测区域的组合逻辑关系函数；
P(RSE(t)|MSE1(t),...,MSEn(t),TSE(t))表示东南监测区域处于可用或降阶或中断状态时，东南导航监测区域各导航监测站和站间传输链路的组合逻辑关系函数；
P(RNE(t)|MNE1(t),...,MNEn(t),TNE(t))表示东北监测区域处于可用或降阶或中断状态时，东北导航监测区域各导航监测站和站间传输链路的组合逻辑关系函数；
P(RCE(t)|MCE1(t),...,MCEn(t),TCE(t))表示中部监测区域处于可用或降阶或中断状态时，中部导航监测区域各导航监测站和站间传输链路的组合逻辑关系函数；
P(RSW(t)|MSW1(t),...,MSWn(t),TSW(t))表示西南监测区域处于可用...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卓鹏，张艳红，姚应权，杨超，马远青，王鑫，李虹，蒲洪波，王家胜，刘瑜，
申请(专利权)人：中国航天系统科学与工程研究院，火箭军装备部重大专项装备项目管理中心，
类型：发明
国别省市：北京;11