一种具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统的制作方法

专利名称：：一种具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统，属于卫星导航
技术领域：
，利用该评估系统可以对空间卫星性能测试、用户设备研发提供一种有效的分析手段，并得出导航性能评估结论，以便在导航卫星发射入轨前，完成卫星导航系统各部分的正确性验证工作和性能指标评估等工作。
背景技术：
：根据GPS系统、GL0NASS系统和目前正在筹建中的Galileo系统的运行情况和建设经验来看，研制开发仿真模拟评估系统对导航系统的设计与建设具有重要的指导、校核和验证作用。对于卫星导航系统性能的评估涉及飞行器动力学、卫星定姿定轨、无线电通讯与测量的理论与技术、定位解算理论与方法、电磁波大气层传输特性、可靠性工程等多个学科。在研究各种数学算法的基础上，要研究各种误差因素的特性、模型、仿真问题。涉及系统级、空间段、控制段、用户段四个方面性能指标的评估。为方便卫星导航系统各部分的正确性验证和性能评估工作，提高卫星导航仿真系统和试验系统性能综合评估的自动化水平，一方面尽可能的通过软件工具提供实时或事后评估，减少卫星试验或仿真消耗的物力和人力资源，提高评估准确性，另一方面通过建立一套综合性能评估系统提高卫星导航系统性能指标的规范性。我国已经建立了自己的卫星导航系统，但对于导航性能的评估，已有的其它评估系统目前存在可配置性不强、运行机制不够灵活等缺点，具体表现如下(l)支持的性能指标有限，评估算法固化和单一，可配置性差，不能完整覆盖系统级性能评估、空间段性能评估、控制段性能评估、用户段性能评估；(2)评估的数据来源单一，对多数据源的支持不够灵活；因此，研究一种可配置性好、运行机制灵活的导航系统性能评估系统，对卫星导航系统的评估和设计是具有重大意义的。目前国外尚无相关文献报道。
发明内容本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统，该系统看可配置性好，运行机制灵活，能够满足对多种性能指标类型、多数据源的评估。本发明的技术解决方案一种具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统，所述的评估系统采用客户端/服务器端(C/S)架构，包括如下管理控制系统，管理与协调控制整个性能评估系统的运行，根据评估服务器的仿真或测试请求，生成仿真或测试配置信息并启动仿真系统或测试系统，同时向评估服务器发送评估任务启动消息；数据库服务器，作为评估数据源以及相关配置的数据仓储，用来存储仿真系统得到的仿真数据、测试系统得到的测试数据和试验数据，及管理控制系统的配置数据，还包含客户端的评估任务信息；评估服务器，接收并汇总评估客户端的评估任务和评估算法，向管理控制系统提出仿真和测试数据请求，并接收管理控制系统评估任务的启动信息，及来自于仿真系统或测试系统的仿真数据或测试数据，并把仿真数据或测试数据分发给评估客户端；多个评估客户端用户可以在客户端选择感兴趣的性能指标及评估算法，生成评估任务，向评估服务器提交任务，并接收评估服务器发送的仿真或测试数据，根据仿真和测试数据进行导航性能评估以及可视化显示；千兆以太网络和实时光纤网络，用来为评估服务器、客户端、数据库服务器、管理控制系统、仿真系统、测试和试验系统相互之间的数据交互提供支持；在事后评估模式时，评估的数据源通过以太网事先存放在数据库服务器中，供评估服务器和客户端调用；在实时评估模式下，通过实时光纤网络来进行仿真系统、测试系统和评估服务器之间交换数据以保证实时性；所述事后评估模式也称为"回放分析模式"，在该模式下，评估系统的数据源是事先保存在数据库当中的，这些数据既可以是真实卫星物理测试时得到的测试数据，也可以是卫星仿真系统运行得到的仿真数据；所述实时评估模式为在该模式下，评估系统可以实时获取真实卫星物理测试时得到的测试数据，或实时获取卫星仿真系统运行得到的仿真数据。所述评估客户端实现如下(1)从评估服务器中获取已存在的性能指标列表及评估算法；(2)选择感兴趣的性能指标及评估算法；(3)生成评估任务，评估任务中包含需要评估的性能指标、评估算法信息及评估模式(实时或事后评估)；(4)向评估服务器发送评估任务；(5)等待接收评估服务器的评估任务启动消息；(6)如果接收到评估任务启动消息，则开始从评估服务器接收仿真或测试数据，如果没有接收到评估任务启动消息，则继续等待；(7)根据选择的评估算法和接收到的仿真或测试数据，开始运行评估算法；(8)得到评估结果并显示给用户。所述评估服务器实现如下(1)如果有新的客户端登录，则从数据库中查找已存在的性能指标列表及相应的评估算法，发送给该客户端；(2)等待接收客户端的评估任务；(3)接收到客户端的评估任务后，根据评估任务确定需要仿真系统或测试系统提供的数据名称、时间范围、仿真或测试系统数据的接收方地址，仿真系统或测试系统需要提供的数据名称即是评估算法中定义的输入参数；仿真或测试系统数据的时间范围应大于或等于评估算法中每个输入参数的时间范围；评估任务中评估模式如果设置为实时模式，则仿真或测试系统数据的接收方地址是评估服务器的地址，如果是事后分析模式，则仿真或测试系统数据的接收方地址是数据库服务器的地址。(4)根据(3)的结果生成仿真或测试请求，这个请求用来通知管理控制系统配置和启动仿真系统或测试系统，请求中包含的内容仿真或测试数据名称；仿真或测试数据时间范围；仿真或测试数据的接收方数据库或者评估服务器，如果接收方是数据库，请求中应包含数据库地址、数据表名称；如果接收方是评估服务器，请求当中应包含评估服务器ip地址、发送格式，该系统要求发送格式包含仿真或测试开始时间、仿真或测试的卫星信息以及仿真和测试数据；(5)如果评估任务中评估模式为实时模式，则等待接收仿真或测试系统的数据；(6)接收到的数据后，根据不同的评估任务分发各个客户端评估任务需要的数据；(7)如果是事后分析模式，则从数据库中查找满足任务需求的数据，并分发给客户丄山顺。所述管理控制系统实现如下(1)接收评估服务的仿真或测试请求；(2)由仿真或测试数据的时间范围，决定仿真或测试系统的运行时间，仿真或测试系统的运行时间大于并包含仿真或测试数据的时间范围；(3)向仿真或测试系统发送仿真或测试系统运行的配置信息，配置信息包含仿真或测试系统运行的时间；数据名称以及接收方地址。本发明与现有技术相比的有益效果(1)客户端对需要评估的导航系统性能指标以及评估算法具有良好的可配置管理能力，用户可以选择感兴趣的性能指标及相应的评估算法，甚至可以向系统添加新的评估算法。(2)支持多数据源来实施评估任务本发明既可以处理由仿真系统获得的仿真数据；也可以处理实际卫星测试系统的实测数据；还允许仿真数据和实测数据同时读入，共同参与评估。对多数据源的支持体现了运行机制的灵活性，在实际导航卫星制造过程中，生产周期比较长，刚开始可能只有导航卫星设计方案，没有实际产品，而仿真系统是可以根据方案快速开发的，通过运行仿真系统，得到的数据输入到导航性能评估系统进行评估，便可以验证方案是否满足需求，并可以重复试验；而一旦导航卫星制造完成，在发射之前也要经过测试并进行性能评估，以发现一些制造过程当中的问题。有以上特点可以看出本发明可配置性好，运行机制灵活，能够满足对多种性能指标类型、多数据源的评估，评估结果显示方式也更加全面。图1为本发明的组成示意图；图2为本发明的实现流程图；图3为本发明的客户端运行流程图；图4为本发明的评估服务器运行流程图；图5为本发明的管理控制系统运行流程图。具体实施例方式如图1所示，本发明一种具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统，采用C/S架构，包括如下管理控制系统，管理与协调控制整个性能评估系统的运行，根据评估服务器的仿真或测试请求，生成仿真或测试配置信息并启动仿真系统或测试系统，同时向评估服务器发送评估任务启动消息；数据库服务器，作为评估数据源以及相关配置的数据仓储(数据库)，用来存储仿真系统得到的仿真数据、测试系统得到的测试数据和试验数据，及管理控制系统的配置数据，还包含客户端的评估任务信息；评估服务器，接收并汇总评估客户端的评估任务和评估算法，向管理控制系统提出仿真和测试数据请求，并接收管理控制系统评估任务的启动信息，及来自于仿真系统或测试系统的仿真数据或测试数据，并把仿真数据或测试数据分发给评估客户端；n个评估客户端每个用户可以在客户端选择感兴趣的性能指标及评估算法，生成评估任务，向评估服务器提交任务，并接收评估服务器发送的仿真或测试数据，根据仿真和测试数据进行导航性能评估以及可视化显示；千兆以太网络和实时光纤网络，用来为评估服务器、客户端、数据库服务器、管理控制系统、仿真系统、测试和试验系统相互之间的数据交互提供支持；在事后评估模式时，评估的数据源通过以太网事先存放在数据库服务器中，供评估服务器和客户端调用；在实时评估模式下，通过实时光纤网络来进行仿真系统、测试系统和评估服务器之间交换数据以保证实时性；事后评估模式也称为"回放分析模式"，在该模式下，评估系统的数据源是事先保存在数据库当中的，这些数据既可以是真实卫星物理测试时得到的测试数据，也可以是卫星仿真系统运行得到的仿真数据；实时评估模式为在该模式下，评估系统可以实时获取真实卫星物理测试时得到的测试数据，或实时获取卫星仿真系统运行得到的仿真数据。如图2所示，本发明的具体实现过程如下(D评估客户端登陆评估服务器，评估服务器对客户进行权限验证(密码是否正确、是否有权限生成评估任务)，然后经过评估服务器从系统数据库中获取性能指标、评估算法资源列表；(2)评估客户端选择感兴趣的性能指标，以及算法，生成评估任务，向评估服务器发送评估任务请求。评估服务器把客户端的评估任务信息存放进系统数据库进行统一管理；(3)评估服务器根据系统数据库中的评估任务信息汇总仿真或测试数据需求，并将仿真或测试数据需求配置信息写入系统数据库；(4)评估服务器向管理控制系统发送仿真或测试请求；(5)管理控制系统根据评估服务器的仿真或测试数据需求生成仿真或测试任务配置信息，写入系统数据库，并向仿真或测试系统发送仿真或测试启动命令；(6)仿真或测试系统向从系统数据库获得仿真或测试任务配置信息，开始启动仿真或测试任务，并同时向管理控制系统发送仿真或测试开始消息；(7)管理控制系统接到仿真或测试开始消息后，向评估服务器端发送评估启动命令；(8)评估服务器接到评估启动命令后，开始获取仿真或测试数据；(9)评估服务器从系统数据库获取评估任务信息，开始向评估客户端分发仿真或测试数据，并同时向评估客户端发送评估启动命令；(10)评估客户端获取仿真或测试数据，并启动评估任务，调用定义好的评估算法进行评估，同时显示评估结果。如图3所示，本发明的评估客户端实现如下7(1)用户登录评估服务器(2)从评估服务器中获取已存在的性能指标列表及评估算法；(3)选择感兴趣的性能指标及评估算法；(4)生成评估任务，评估任务中包含需要评估的性能指标和评估算法信息，以及评估模式；(5)向评估服务器发送评估任务；(6)等待接收评估服务器的评估任务启动消息；(7)如果接收到评估任务启动消息，则开始从评估服务器接收仿真或测试数据，如果没有接收到评估任务启动消息，则继续等待；(8)根据选择的评估算法和接收到的仿真或测试数据，开始运行评估算法；(9)得到评估结果并显示给用户。如图4所示，本发明的评估服务器实现如下(1)等待客户端登录；(2)如果有新的客户端登录，则从数据库中查找已存在的性能指标列表及相应的评估算法，发送给该客户端；评估算法采用XML语言定义了算法名称，输入输出参数名称、每个参数的时间长度及运算过程函数名称；(3)等待接收客户端的评估任务；(4)接收到客户端的评估任务后，根据评估任务确定需要仿真或测试系统提供的数据名称、时间范围、仿真或测试系统数据的接收方地址。具体过程仿真或测试系统需要提供的数据名称即是评估算法中定义的输入参数；仿真或测试系统数据的时间范围应大于或等于评估算法中每个输入参数的时间范围；评估任务中评估模式如果设置为实时模式，则仿真或测试系统数据的接收方地址是评估服务器的地址，如果是事后分析模式，则仿真或测试系统数据的接收方地址是数据库服务器的地址。(5)根据(4)的结果生成仿真或测试请求，这个请求用来通知管理控制系统配置和启动仿真系统或测试系统。请求中包含的内容仿真或测试数据名称；仿真或测试数据时间范围；仿真或测试数据的接收方数据库或者评估服务器，如果接收方是数据库，请求中应包含数据库地址、数据表名称；如果接收方是评估服务器，请求当中应包含评估服务器ip地址、发送格式等，该系统要求发送格式包含仿真或测试开始时间、仿真或测试的卫星信息以及仿真和测试数据；(6)如果评估任务中评估模式为实时模式，则等待接收仿真或测试系统的数据；(7)接收到的数据后，根据不同的评估任务分发各个客户端评估任务需要的数据；(8)如果是事后分析模式，则从数据库中查找满足任务需求的数据，并分发给客户丄山顺。如图5所示，管理控制系统实现如下(1)接收评估服务的仿真或测试请求；(2)由仿真或测试数据的时间范围，决定仿真或测试系统得运行时间(大于并包含仿真或测试数据的时间范围)(3)向仿真或测试系统发送仿真或测试系统运行的配置信息，配置信息包含仿真或测试系统运行的时间；数据名称以及接收方地址—个实施案例对于一个给定的评估任务用户想对用户段中接收机误码率进行评估，具体的实现过程如下(图2显示了一个评估任务流程)a)评估客户端登陆评估服务器，评估服务器对客户进行权限验证(密码是否正确、是否有权限生成评估任务)，然后经过评估服务器从数据库服务器中获取性能指标、评估算法列表，包含了卫星导航系统级、空间段、控制段、用户段的性能指标及其评估算法(参见后面的介绍)。b)评估客户端选择对用户段中接收机误码率进行评估，系统会要求用户输入评估起始时刻和结束时刻(以北斗时表示)，同时会通知用户评估系统要求仿真或测试输入原始导航电文的二进制码和接收机解码出的导航电文的二进制码(这个输入即是要求仿真或测试系统给出的数据)。评估算法是利用接收机解码出的导航电文中错误的比特数除以原始电文总的比特数，算法计算函数名为Error_rate(该函数已经生成为DLL文件，DLL文件地址在数据库服务器上)。用户选择评估模式为事后分析模式，数据源选择为仿真系统的数据，确认无误后通过界面点击按钮向评估服务器提交评估任务。评估服务器把客户端的评估任务存放进系统数据库进行统一管理；c)评估服务器根据系统数据库中的评估任务信息汇总仿真或测试数据需求，对于接收机误码率的评估，需要提供b)中用户设置的评估起始时刻和结束时刻内的原始导航电文的二进制码和接收机解码出的导航电文的二进制码，评估服务器将此需求配置信息写入系统数据库；d)评估服务器向管理控制系统发送仿真数据请求；e)管理控制系统根据评估服务器的仿真数据需求生成仿真任务配置信息需要仿真系统从评估起始时刻和结束时刻内运行，数据接收方为数据库服务器ip地址，将此配置信息保存置数据库并向仿真系统发送仿真系统启动命令；f)仿真系统向从系统数据库获得仿真或测试任务配置信息，开始启动仿真任务(即开始产生原始导航电文的二进制码和接收机解码出的导航电文的二进制码)，并同时向管理控制系统发送仿真开始消息，仿真运行开始后把数据保存到数据库服务器中；g)管理控制系统接到仿真开始消息后，向评估服务器端发送评估启动命令；h)评估服务器接到评估启动命令后，开始从数据库中获取原始导航电文的二进制码和接收机解码出的导航电文的二进制码数据；i)评估服务器从系统数据库获取评估任务，开始向评估客户端分发仿真数据，并同时向评估客户端发送评估启动命令；j)评估客户端获取数据，并启动评估任务，调用定义好的评估算法进行评估评估算法的实现函数信息保存在数据库当中，用户先从数据库下载到该实现函数的DLL文件，再执行该DLL文件，统计接收机解码出的导航电文中错误的比特数和原始电文总的比特数，两者相除，得到用户接收机误码率。计算结果最终显示在用户界面上。上面的例子中数据源是仿真系统，如果数据源换做是测试系统，则d-g)步骤为d)评估服务器向管理控制系统发送测试数据请求；e)管理控制系统根据评估服务器的试数据需求生成测试任务配置信息需要测试系统从评估起始时刻和结束时刻内运行，数据接收方为数据库服务器ip地址，将此配置信息保存置数据库并向测试系统发送测试系统启动命令；f)测试系统向从系统数据库获得测试任务配置信息，开始启动测试任务(即开始产生原始导航电文的二进制码和接收机解码出的导航电文的二进制码)，并同时向管理控制系统发送测试开始消息，测试运行开始后把数据保存到数据库服务器中；g)管理控制系统接到测试开始消息后，向评估服务器端发送评估启动命令；如果用户选择实时评估模式，则f)中测试或仿真系统的数据不再保存到数据库当中，而是直接按评估服务器指定的格式发送给评估服务器，评估服务器再分发给客户端。其它步骤类同。本发明导航性能评估系统已经在数据库中预置了很多种评估指标信息及其典型评估算法，这些包含了卫星导航系统级、空间段、控制段、用户段的性能指标及其评估算法。实际用户使用时可以选定几个感兴趣的指标及其算法进行评估，甚至可以利用系统指定的定义接口，通过客户端定义新的性能指标或评估算法，添加到数据库，日后别的用户也可以很方便的查询到这种新定义的性能指标及评估算法。对卫星导航系统级的评估包括系统定位精度、系统测速精度等的评估；空间段评估分为星座性能评估、导航信号性能评估两大部分星座性能评估模块包括星座连续覆盖性能、构形保持能力、冗余维持能力、自主导航能力评估等，导航信号性能评估模块包括卫星信号误码率评估、卫星测距码性能等；控制段评估主要表现为对等效测距精度的评估，具体包括预报星历精度、预报星载时钟参数精度、电离层测量精度、对流层测量精度、电离层修正残差、对流层修正残差、海潮和固体潮修正残差、卫星轨道测量精度等；用户段评估主要表现为对用户接收机进行性能评估，主要性能评估模块冷/温/热启动时间、重捕时间、接收机接收信号功率范围、接收机误码率、接收机伪距测量精度、接收机RAIM能力评估等。评估算法最终体现在对每个性能指标的评估原理和评估方案上，下面给出了本发明导航性能评估系统中默认支持的部分性能指标的评估原理、评估方案和评估参数，其中评估参数体现了评估算法的输入和输出，而评估原理、评估方案描述了典型的评估算法实现过程。这些性能指标和评估算法只是个示例，本领域技术人员可以根据实际需要来增加。系统定位精度评估模块系统定位精度用于描述卫星导航系统的测量位置与理论位置的偏离程度。1.评估原理与模型(1)位置误差定义为Ax(ti)=x(ti)-x。/eT(1)其中x(ti)为卫星导航系统统各个卫星的测量位置向量，而x。为理论位置向量，ti表示第i个时刻。(2)距离误差定义为d(,,)=V崎,fer(2)(3)位置误差均值定义为1r—1"^Z绅,)(3)其中，T表示计算周期。(4)位置协方差定义为2^Al;Ax0,)AxC(4)7-l,=o(5)距离方差定义为O"2=^"j"Z崎;)r崎,.)(5)(6)置信水平定义为^=P(如0,fAx")So";/e"(6)a3(T=P(VAxO,;fAx(0《3cr;/e"(7)其中，P()表示概率运算。2.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到观测历元序列ti，/eT^0,l，…,r—1}。利用公式(1)(7)可以估计给定点x。处的位置误差、距离误差、位置误差均值、位置协方差、距离方差和置信水平。给定区域D，可以得到位置网格d，^,/^)eD，weM={0,l,'",M—l}，"e7V={0,l，."，iV—l}"eS={0,V"，S—1}其中Am，^,hs分别表示地球上某点的经度、纬度、高度。利用公式(1)(7)。可以估计给定网格点X。(入m，^,h》处的位置误差、距离误差、位置误差均值、位置协方差、距离方差和置信水平。进行评估时，在一个回归周期内对定位精度的各项指标进行评估，通常即可满足对定位精度的评估要求。3.评估参数表-27定位精度评估参数定位精度参数来源/去向说明11<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>0127]系统测速精度评估模块0128]用于评估系统测定的载体理论速度与载体测:0129]1.评估原理与模型0130](1)速度误差0131]Av(ti)=v(t》-v0(ti)/eT:0132]其中V(t》为每颗卫星对载体的测量速度向:向量，ti表示第i个时刻。O133](2)速度值误差0134]AV")=VAv"fAv(X)O135](3)速度误差均值t速度的偏离程度:(8):，v。(t》每颗卫星对载体理论速度(9):0136]0137]0138]0139]0140]:0141]:0142](4)速度协方差(10)r—1~0(5)速度值方差(6)置信水平<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>[OH4]2.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，ier={o,i,,r-i}。利用轨迹发生器产生载体的位置x。(ti)和速度信息v。(ti)，利用公式(8)(14)，可以估计入航线上的速度误差、速度值误差、速度误差均值、速度协方差、速度值方差和置信水平。3.评估参数表-28系统测速精度评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>星座连续覆盖性能评估1.评估原理与模型由于卫星的星下点轨迹直接关系到卫星对观测点的覆盖情况，卫星在旋转地球上的星下点轨迹方程为(ts=arcsin(sin(i)Xsin(9))(15)-180°(—180°^6^90°)4=A+arctan(cos(/)x柳))-j0°(0°"2卯°)(16)其中C^是卫星星下点的纬度；As是卫星星下点的经度；i是卫星轨道倾角；入。是升交点的经度；9是t时刻卫星与升交点之间的角距；t是飞行时间；"e是地球自转角速度；±分别用于顺行轨道和逆行轨道。设地面观测点的经纬度分别为A。、小。，卫星星下点的经纬度分别为As、cj3s。e为观测点对卫星的最小观测仰角，星下覆盖区对应的地球中心角Y(覆盖地心角)为足;k=arccos仰角e为g=arccoscose-sm;r(17)(18)式中，&为地球半径，h为卫星轨道高度。可见函数为(19)16^〇e<;其中emin为最小观测仰角的最小值。2.评估方案(1)单点覆盖性能给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，feT—0,l，…，r-"。利用公式(15)(19)可以估计给定点x。处ti时刻卫星是否可见；通过对所有卫星的可见性进行统计，可得给定点x。(A。，p。)处ti时刻的覆盖重数；统计给定观测时间内x。处的覆盖重数，可得到最大覆盖重数、最小覆盖重数和平均覆盖重数。统计给定点x。(A。，p。)一段时间内的覆盖情况，可得到时间覆盖百分比、最大时间覆盖间隔、平均时间覆盖间隙等。进行评估时，在一个回归周期内对给定点x。处的覆盖性能的各项指标进行评估，通常即可满足评估要求。(2)区域覆盖性能给定区域D，可以得到位置网格(4,A,/^)eA附eM二(0,l，…,M—1},"￡岸={0,1，.",^-1}^￡^={0,1,'.、5—1}网格采样间隔为^=(A^AP,AW;给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，/eT—0，l，…，:r-l)。利用公式(15)(19)可以估计给定点网格点(Am，^,h》处ti时刻卫星是否可见；通过对所有卫星的可见性进行统计，可得给定网格点(Am，％,hs)处ti时刻的覆盖重数以及在当前场景时刻，相对于整体覆盖区域的区域覆盖百分比；统计给定区域D和给定观测时间内的覆盖重数，可得到最大覆盖重数、最小覆盖重数、平均覆盖重数等。进行评估时，在一个回归周期内对给定区域D的覆盖性能的各项指标进行评估，通常即可满足评估要求。3.评估参数表-1单点覆盖性能评估参数14<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>构形保持能力评估模块1.评估原理与模型对于所有颗卫星，在一定时间内计算其位置误差均值A=XZ[xi("，z')-("，0](20)其中x。(n，i)，Xl(n，i)分别是卫星的理论位置和实际位置，N表示卫星个数，T表示计算周期。2.评估方案给定时间起始历元ts、结束历元^和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，/eT-(0，l,…,r-l)。给定观测历元内所有卫星的理论位置和实际位置，利用公式(20)可以估计星座整体的位置平均偏差。进行评估时，在一个回归周期内对星座整体的位置平均偏差进行评估，通常即可满足评估要求。3.评估参数表-6构形保持能力评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>冗余维持能力评估模块1.评估原理与模型当卫星出现故障时，区域平均可用性概率变化量定义为Sr=u。-uf(21)式中f，。分别为存在故障卫星和不存在故障卫星时的区域平均可用性概率。2.评估方案给定区域D，可以得到位置网格(4，％A)eA附e7y^(0,l,…,M—l}，"eiV={0,l,...,JV—l}je^={0,l,.",S—l}网格采样间隔为^=(AA,Ap,A/0;给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，/e:r—o,i,…,:r-1}。利用公式(2i)可以估计给定点网格点(、，％,hs)处ti时刻的GDOP(测距误差放大倍数因子)值，给定阈值GDOPth，利用统计方法可得观测时间内所有网格点GDOP〈GDOPth的百分比y。；设置卫星故障，并视为始终不可见，再利用同样方法获得GDOP〈GDOPth的百分比yf;利用公式(21)可得区域平均覆盖率变化量。进行评估时，在一个回归周期内对给定区域D内GDOP值进行统计评估，通常即可满足评估要求。3.评估参数表-5冗余维持能力评估参数冗余维持能力参数数据来源说明用户输入用大地测量坐标系给出待评估区域的理论位置，结构体中给出区域的左上前点和右下后点用户输入用大地测量坐标系给出位置采样间隔5*v—pay仿真或测试输入评估时间内，所有卫星的位置用户输入最观测小仰角。.用户输入用北斗时(BDT)给出评估起始时刻用户输入用北斗时(BDT)给出评估结束时刻//we/她rra/用户输入以为单位给出评估的时间采样间隔显示输出区域覆盖可用性概率变化量自主导航能力评估模块1.评估原理与模型设定自主运行的卫星，考察自主导航情况下，卫星的GDOP、覆盖性能、空间构图性能以及构形保持能力、卫星位置偏差等。172.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te;统计给定该时间段内自主运行卫星的GD0P、覆盖性能、空间构图性能以及构形保持能力、卫星位置偏差等指标随时间的变化情况。3.评估参数表-7卫星自主导航能力评估参数卫星自主导航能力参数数据来源说明/i,—加rt用户输入用北斗时(BDT)给出评估起始时刻用户输入用北斗时(BDT)给出评估结束时刻a咖wzWex仿真或测试输入自主运行卫星编号显示输出GDOPcovgr—jte7"/or謹wc6显示输出覆盖性能covc—/c;/w扁wcg显示输出空间构图性能显示输出构形保持能力显示输出卫星位置偏差卫星信号误码率评估模块1.评估原理与模型信号的误码率定义为r=J(22)其中Nf，N分别是导航电文中错误的比特数和总的比特数。2.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te;给定该时间段内理论导航电文和卫星解码后的导航电文，统计总比特数和错误的比特数，利用公式(22)式可以估计卫星信号误码率。3.评估参数表-8卫星信号误码率评估参数18<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>卫星测距码性能评估模块1.评估原理与模型通常通过分析导航测距码的自相关性和互相关性来评估测距码的性能。设x(t)，y(t)为两组测距码，则它们的互相关函数Rxy")定义为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>测距码x(t)的自相关函数R,")定义为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>2.评估方案给定测距码序列，根据公式(23)(24)式即可得到测距码序列的互相关序列和自相关序列。3.评估参数表-1测距码性能评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>预报星历精度评估模块1.评估原理与模型预报星历精度定义为Ax(t)=xjt)-x。(t)(25)其中x。(t)，Xl(t)分别为t时刻的卫星真实位置和由预报星历计算出来的预报位置。则在一定时间范围内(T)预报星历误差的均方误差为cr2，》Ax(((26)预报星历误差包含了定轨误差，预报误差和星历拟合误差，是衡量系统性能的主由预报星历计算卫星位置的步骤如下a)计算t时刻卫星的真近点角u和卫星相对升交点角距小计算平均运动角速度n和平近点角M，G为万有引力参数，a为加速度。=^GM/a3(27)M=M0+(n+An)(t_toe)(28)b)利用开普勒方程迭代公式计算偏近点角E，当|Ei+1-Ei|<I=10—12时停止迭代(e为轨道偏心率)Ei+1=M+esinEi，E0=M(29)c)计算真近点角u和升交点角距(K其中m=arctan-sin五(30)小=u+w(31)"为卫星角速度。d)计算摄动改正项Sr=Crccos24+Crssin2小(32)Si=Ciccos2(t+Cissin2小(33)Su=Cuccos2小+CUSsin2小(34)e)计算改正后的向径、真近点角、轨道倾角和升交点经度r=a(l_ecosE)+Sr(35)u'=u+Su(36)i=i。+i(t—t。e)+Si(37)Q=Q0+(Q-"e)(t-toe)-"etoe(38)f)计算卫星在轨道平面坐标系中的位置x=rcosu，y=rsi皿(39)g)计算卫星在地固系WGS-84中的位置X=xcosQ-ycosisinQ(40)Y=xsinQ+ycosicosQ(41)Z=ysini(42)2.评估方案给定时间起始历元ts、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，/er={o,i,-",r.1}。利用公式(25)步利用公式(25)(42)可以得到由预报星历计算出的卫星位置，进一(42)可以从卫星位置误差的角度估计预报星历的误差。进行评估时，个更新周期内对预报星历进行评估。3.评估参数表-2预报星历精度评估参数预报星历精度<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>预报星载时钟参数精度评估模块1.评估原理与模型预报星载时钟误差定义为预报星钟误差与真实星钟误差的偏离程度。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>(43)其中At"、At'依次为卫星预报星钟误差和真实星钟误差。预测星载时钟误差<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>(44)其中，a。、ai、a2为卫星钟改正参数，t、t。。依次为系统标准时、卫星时钟参数对应的参考时刻。实际星载时钟误差<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>其中，t。为卫星钟面时刻。则在一定时间范围内预报星载时钟参数精度用均方误差衡量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>2.评估方案给定评估起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，ZeT—0,l,…，r-l)。利用公式(43)(46)可以实现对预报星载时钟精度的评估。3.评估参数表-9预报星载时钟精度评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>电离层测量精度评估模块3.评估原理与模型电离层测量误差定义为Adr(t)=A巧(t)-Ar。(t)(47)其中Ar。(t)，A巧(t)分别为t时刻的实际电离层延迟量和地面测量拟合的电离层延迟量。则在一定时间范围内电离层测量误差的均方误差为一^iX0『(48)J,=12.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，/el^(O,l,…,:r-0。利用公式(47)(48)可以评估地面对电离层的测量精度。3.评估参数表-12电离层测量精度评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>对流层测量精度评估模块1.评估原理与模型对流层测量精度定义为dr(t)=A巧(t)-Ar。(t)(49)其中Ar。(t)，Ari(t)分别为t时刻的实际对流层的延迟和地面测量的对流层延迟。则对流层测量误差的均方误差为一4tlH0『(50)2.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，/eT"0,l,…,:T-l)。利用公式(49)(50)可以评估对流层测量精度。3.评估参数表-13对流层测量精度评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table>电离层修正残差评估模块1.评估原理与模型电离层修正残差定义为Adr(t)=A巧(t)-Ar。(t)(51)其中Ar。(t)，Ari(t)分别为t时刻的实际电离层延迟量和经电离层模型改正的电离层延迟量。则在一定时间范围内电离层模型修正残差的均方误差为^4力lA辟,)『(52)2.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，^丁={0,1,，7-1}。利用公式(51)(52)可以评估电离层模型的校正精度。3.评估参数表-19电离层模型修正残差评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>对流层修正残差评估模块1.评估原理与模型对流层修正残差定义为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage25</formula>其中Ar。(t)，Ari(t)分别为t时刻的实际对流层的延迟和经过某对流层模型修正的延迟。则某对流层模型修正残差的均方误差为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage25</formula>2.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，k:r—o,i，…,r-1}。利用公式(53)(54)可以评估对流层模型的校正精度。3.评估参数表-20对流层模型修正残差评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>coT6"et/一error显示输出修正残差平均值显示输出修正残差均方差海潮和固体潮修正残差评估模块1.评估原理与模型海潮和固体潮修正残差定义为dr(t)=A巧(t)-Ar。(t)(55)其中Ar。(t)，A巧(t)分别为t时刻的实际海潮和固体潮的延迟和经过海潮和固体潮模型修正的延迟。则某海潮和固体潮模型修正残差的均方误差为0"2=73一,)||(56)2.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，/er-(0,l,…,:r-ll。利用公式(55)(56)可以评估海潮和固体潮修正精度。3.评估参数表-21海潮和固体潮模型修正残差评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage26</column></row><table>卫星轨道测量精度评估模块1.评估原理与模型定义卫星轨道测量误差Ax(t)=Xi(t)-x。(t)(57)其中x。(t)，Xl(t)分别为t时刻卫星的测量位置和实际位置。则在一定时间范围内卫星轨道测量误差的均方误差为^4力MO『(58)2.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，feT—0,l,…,r-1}。利用公式(57)(58)可以估计卫星的轨道测量误差。进行评估时，在一个回归周期内对卫星的轨道测量误差的均方误差进行评估，通常即可满足评估要求。3.评估参数表-11卫星轨道测量精度评估参数卫星轨道测量精度参数数据来源说明ri附e—加W用户输入用北斗时(BDT)给出评估起始时刻用户输入用北斗时(BDT)给出评估结束时刻用户输入以为单位给出评估的时间采样间隔仿真或测试输入评估时间内，卫星的测量位置一—pew仿真或测试输入评估时间内，卫星的实际位置slor/ii_error显示输出卫星轨道测量误差sor/it—error—Kar显示输出卫星轨道测量误差均方差冷、温、热启动时间、重捕获时间评估模块1.评估原理与模型冷启动时间定义为接收机在不知道星历、历书、时间和位置的情况下的开机，到接收机能够正常定位的时间。tcold—twork_tstart(59)其中tstart，tWOTk，t。。ld依次为接收机冷启动时的开机时刻，接收机正常定位时刻和接收机冷启动时间。温启动时间定义为接收机在不知道星历，但存有历书、时间和位置的情况下开机，到接收机能够正常定位的时间。twarm—twork_tstart(60)其中tstart，tw。to，twa依次为接收机温启动时的开机时刻，接收机正常定位时刻和接收机温启动时间。热启动时间定义为接收机在存有星历、历书、时间和位置的情况下开机，到接收机能够正常定位的时间。th。t=tw。rk-tstart(61)其中tstart，tWOTk，th。t依次为接收机热启动时的开机时刻，接收机正常定位时刻和接收机热启动时间。27重捕获时间定义为接收机因信号遮挡等原因失锁到接收机重新捕获信号的时间treacquision—treacqi_tlost(62)其中tl。st，trea。qi，trea。quisi。n依次为接收机失锁时刻，接收机重捕获时刻和接收机重捕获时间。2.评估方案接收机分别在冷启动、温启动和热启动的情况下开机，同时分别记录冷启动开机时刻和冷启动情况下接收机正常定位时刻，温启动开机时刻和温启动情况下接收机正产定位时刻，以及热启动开机时刻和热启动情况下接收机正常定位时刻。分别依据公式(59)(61)可得到接收机的冷启动时间、温启动时间、热启动时间。对多次测量结果进行统计，可得到接收启动时间的平均值和均方误差。在接收机正常工作后，因为信号遮挡等原因发生信号失锁，记录此时接收机的失锁时刻和信号重捕获时刻，依据公式(62)可得到接收机重捕获时间。3.评估参数表-14冷、温、热启动时间、重捕获时间评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage28</column></row><table>接收机接收信号功率范围评估模块1.评估原理与模型评估接收机接收信号功率范围定义为接收机信号接收的适用功率范围，由最小接收功率和最大接收功率来确定。2.评估方案从小到大增加卫星下行信号的发射功率，记录接收机能够正常工作的范围。3.评估参数表-15接收机接收功率范围评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage29</column></row><table>接收机误码率评估模块1.评估原理与模型接收机误码率定义为r=J(63)TV其中Nf，N分别是接收机解码出的导航电文中错误的比特数和原始电文总的比特数。2.评估方案给定时间起始历元、、结束历元te，记录理论导航电文和接收机解码后的导航电文，利用公式(63)可以估计接收机解码的误码率。3.评估参数表-16接收机误码率评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage30</column></row><table>接收机伪距测量精度评估模块1.评估原理与模型接收机伪距测量误差定义为Ar(t)=r!(t)-r。(t)(64)其中r。(t)，巧(t)分别为t时刻的理论伪距和接收机实际测量伪距。则在一定时间范围内接收机伪距测量误差的均方误差为"2=^i>"0|2(65)2.评估方案给定时间起始历元、、结束历元^和时间采样间隔At，可以得到历元序列ti，/eT—0,l,…,r-1}。对理论伪距和接收机解算的伪距，利用公式(64)(65)可以评估由接收机热噪声带来的伪距测量误差。3.评估参数表-17接收机伪距测量精度评估参数接收机伪距测量精度参数数据来源说明一用户输入用北斗时(BDT)给出评估起始时刻用户输入用北斗时(BDT)给出评估结束时刻用户输入以ws为单位给出评估的时间采样间隔30<table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table>)其中HAL为水平报警门限，VAL为垂直报警门限，HPL为水平保护级别，VPL为垂直保护级别。则虚警率为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage31</formula>(2)漏警率定义漏警函数则漏警率为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage31</formula>(3)完好性风险R二R丄+R2(70)2.评估方案给定时间起始历元、、时间采样间隔At和回归周期数P，可以得到单个周期内的时间采样数T和历元序列(ti，pj)，/el^(0,l,…，r—1}，乂￡"={0,1,...，尸-1};给定周期内卫星故障出现延迟St、卫星的状态持续时间Atp，假定故障与正常状态交互出现，可以得到第m颗卫星第j周期第k个状态的起始时间为tm(Pj，fk)=ts+jXSt+kXAtF，Ael={0,l,,《-1}。仿真系统给出的第m颗卫星第j个周期内的状态变化时间序列为r(p,.，an)，"eW—0,l,…,iV-1}。利用公式(66)(70)对接收机的自主完好性进行评估。记录报警时间序列进行统计分析可以得到平均报警时间及其方差。进行评估时，给定水平告警门限HAL和垂直告警门限VAL，在多个回归周期内对系统的完好性指标进行评估，通常取P=△tF/△t即可满足对定位精度评估要求，△tF应大于最大报警时间，St为At的整数倍。3.评估参数表-18接收机RAIM能力评估参数<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。权利要求一种具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统，其特征在于所述的评估系统采用C/S架构，包括如下管理控制系统，管理与协调控制整个性能评估系统的运行，根据评估服务器的仿真或测试请求，生成仿真或测试配置信息并启动仿真系统或测试系统，同时向评估服务器发送评估任务启动消息；数据库服务器，作为评估数据源以及相关配置的数据仓储，用来存储仿真系统得到的仿真数据、测试系统得到的测试数据和试验数据，及管理控制系统的配置数据，还包含客户端的评估任务信息；评估服务器，接收并汇总评估客户端的评估任务和评估算法，向管理控制系统提出仿真和测试数据请求，并接收管理控制系统评估任务的启动信息，及来自于仿真系统或测试系统的仿真数据或测试数据，并把仿真数据或测试数据分发给评估客户端；多个评估客户端用户可以在客户端选择感兴趣的性能指标及评估算法，生成评估任务，向评估服务器提交任务，并接收评估服务器发送的仿真或测试数据，根据仿真和测试数据进行导航性能评估以及可视化显示；千兆以太网络和实时光纤网络，用来为评估服务器、客户端、数据库服务器、管理控制系统、仿真系统、测试和试验系统相互之间的数据交互提供支持；在事后评估模式时，评估的数据源通过以太网事先存放在数据库服务器中，供评估服务器和客户端调用；在实时评估模式下，通过实时光纤网络来进行仿真系统、测试系统和评估服务器之间交换数据以保证实时性；所述事后评估模式也称为“回放分析模式”，在该模式下，评估系统的数据源是事先保存在数据库当中的，这些数据既可以是真实卫星物理测试时得到的测试数据，也可以是卫星仿真系统运行得到的仿真数据；所述实时评估模式为在该模式下，评估系统可以实时获取真实卫星物理测试时得到的测试数据，或实时获取卫星仿真系统运行得到的仿真数据。2.根据权利要求1所述的具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统，其特征在于所述评估客户端实现如下(1)从评估服务器中获取已存在的性能指标列表及评估算法；(2)选择感兴趣的性能指标及评估算法；(3)生成评估任务，评估任务中包含需要评估的性能指标、评估算法信息及评估模式；(4)向评估服务器发送评估任务；(5)等待接收评估服务器的评估任务启动消息；(6)如果接收到评估任务启动消息，则开始从评估服务器接收仿真或测试数据，如果没有接收到评估任务启动消息，则继续等待；(7)根据选择的评估算法和接收到的仿真或测试数据，开始运行评估算法；(8)得到评估结果并显示给用户。3.根据权利要求1所述的具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统，其特征在于所述评估服务器实现如下(1)如果有新的客户端登录，则从数据库中查找已存在的性能指标列表及相应的评估算法，发送给该客户端；(2)等待接收客户端的评估任务；(3)接收到客户端的评估任务后，根据评估任务确定需要仿真系统或测试系统提供的数据名称、时间范围、仿真或测试系统数据的接收方地址，仿真系统或测试系统需要提供的数据名称即是评估算法中定义的输入参数；仿真或测试系统数据的时间范围应大于或等于评估算法中每个输入参数的时间范围；评估任务中评估模式如果设置为实时模式，则仿真或测试系统数据的接收方地址是评估服务器的地址，如果是事后分析模式，则仿真或测试系统数据的接收方地址是数据库服务器的地址。(4)根据(3)的结果生成仿真或测试请求，这个请求用来通知管理控制系统配置和启动仿真系统或测试系统，请求中包含的内容仿真或测试数据名称；仿真或测试数据时间范围；仿真或测试数据的接收方数据库或者评估服务器，如果接收方是数据库，请求中应包含数据库地址、数据表名称；如果接收方是评估服务器，请求当中应包含评估服务器IP地址、发送格式，该系统要求发送格式包含仿真或测试开始时间、仿真或测试的卫星信息以及仿真和测试数据；(5)如果评估任务中评估模式为实时模式，则等待接收仿真或测试系统的数据；(6)接收到的数据后，根据不同的评估任务分发各个客户端评估任务需要的数据；(7)如果是事后分析模式，则从数据库中查找满足任务需求的数据，并分发给客户端。4.根据权利要求1所述的具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统，其特征在于所述管理控制系统实现如下(1)接收评估服务的仿真或测试请求；(2)由仿真或测试数据的时间范围，决定仿真或测试系统的运行时间，仿真或测试系统的运行时间大于并包含仿真或测试数据的时间范围；(3)向仿真或测试系统发送仿真或测试系统运行的配置信息，配置信息包含仿真或测试系统运行的时间；数据名称以及接收方地址。全文摘要一种具有可配置管理与运行机制的自主导航性能评估系统主要包括管理控制系统，管理与协调控制整个性能评估系统的运行，根据评估服务器的仿真或测试请求，生成仿真或测试配置信息并启动仿真系统或测试系统，同时向评估服务器发送评估任务启动消息；数据库服务器，作为评估数据源以及相关配置的数据仓储；评估服务器，用户可以在客户端选择感兴趣的性能指标及评估算法；多个评估客户端，用户可以在客户端选择感兴趣的性能指标及评估算法，生成评估任务，向评估服务器提交任务，并接收评估服务器发送的仿真或测试数据，根据仿真和测试数据进行导航性能评估以及可视化显示。本发明可配置性好，运行机制灵活，能够满足对多种性能指标类型、多数据源的评估。文档编号G06F19/00GK101727542SQ20091024250公开日2010年6月9日申请日期2009年12月15日优先权日2009年12月15日发明者孙亚楠,张玥,杨雷,涂歆滢,许晓霞,钟选明,黄丽霞申请人:北京空间飞行器总体设计部