（控制科学与工程专业论文）基于smp2导航系统完好性仿真的设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 完好性是卫星导航系统的重要性能指标之一，导航系统的完好性仿真试验与 评估是面向导航总体性能评估系统的重要组成部分，因此，研制卫星导航完好性 仿真系统对导航系统的建设具有十分重大的指导意义。本论文研究了完好性仿真 系统设计和实现，为使仿真系统具有良好的通用性、可扩充性、可重用性、可维 护性等性能特征，借鉴了s m p 2 ( 仿真模型可移植规范) 来完成仿真模型的设计和开 发，较好的解决了复杂仿真系统开发过程中仿真模型重用、组合、扩充等一系列 问题，为卫星导航系统完好性性能的计算机仿真研究提供了较好的理论规范基 础。 论文以卫星导航系统完好性仿真为应用背景，对完好性仿真的模型框架和集 成等技术和方法问题进行了一定的创新研究和工程实践，主要体现在以下几点： ( 1 ) 在分析卫星导航系统的运行结构和相关设备的基础上，抽象出了完好性仿 真相关的模型算法，并采用面向对象的方法分析和建立了完好性仿真模型之间的 交互关系； ( 2 ) 针对完好性仿真模型的特点以及模型之间的关系，建立了基于s m p 2 规范 的仿真系统模型框架； ( 3 ) 在完好性仿真的想定元模型的支持下建立了完好性仿真想定应用框架； ( 4 ) 基于上述方法和技术，设计与实现了完好性仿真的想定系统和分析系统， 该系统支持仿真试验任务装配文档和调度文档的自动生成，并通过此系统对导航 系统完好性性能进行了仿真验证和评估。 论文的研究属于仿真理论与空间测绘领域的交叉性研究，在丰富系统仿真方 法学的基础上，对于促进导航系统完好性的研究具有一定的借鉴和指导意义。 主题词：卫星导航系统完好性仿真模型可移植规范模型框架元模型试 验分析 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e g r i t yi sas i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fs a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m ，t h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n de v a l u a t i o no fn a v i g a t i o ns y s t e m si n t e g r i t yi sai m p o r t a n t p a r to ft h es y s t e mo r i e n t e dt ot h ew h o l ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fn a v i g a t i o ns y s t e m s od e v e l o p i n gi n t e g r i t ys i m u l a t i o ns y s t e mo fs a t e l l i t en a v i g a t i o ni sb e n e f i c i a lm u c ht o t h eb u i l d i n go fn a v i g a t i o ns y s t e ma sai n s t r u c t i o n ，玎1 ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f i n t e g r i t ys i m u l a t i o ns y s t e mi sr e s e a r c h e di nt h ep a p e r i no r d e rt op r o v i d et h es y s t e m w i t hc h a r a c t e ro fw e l lc u r r e n c y ，e x t e n s i o n , r e u s a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y ，t h e s i m u l a t i o ns y s t e mu s i n gs m p 2 ( s i m u l a t i o nm o d e lp o r t a b i l i t y ) f o rr e f e r e n c ei sd e s i g n e d a n dd e v e l o p e d ，as e r i e so fq u e s t i o n ss u c ha st h er e u s a b i l i t y ，c o m p o s i b i l i t y ，e x t e n s i o no f t h es i m u l a t i o nm o d e li nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fc o m p l e xs i m u l a t i o ns y s t e ma r e r e s o l v e db e t t e r , t h e s ep r o v i d et h et h e o r yc r i t e r i o nf o r t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no f s a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m si n t e g r i t yp e r f o r m a n c e t h et h e s i su s e st h ei n t e g r i t ys i m u l a t i o no fs a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m 豁t h e a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，a n ds o m ei n n o v a t i o n a lr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gp r a c t i c ea b o u t t h et e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d sf o rt h em o d e lf r a m e w o r ka n di n t e g r a t i o no fi n t e g r i t y s i m u l a t i o ni si m p l e m e n t e di nt h et h e s i s t h ec o n t e n t sa r es u m m a r i z e di n t ot h ef o l l o w i n g p a r t s ： ( 1 ) a l g o r i t h m sa n dm o d e l sr e l a t e dt oi n t e g r i t ys i m u l a t i o na r eb u i l d e db a s e do n a n a l y z i n gt h eo p e r a t i o no r g a n i z a t i o na n dr e l a t e de q u i p m e n t ，t h em u t u a lr e l a t i o n s h i po f i n t e g r i t ys i m u l a t i o nm o d e l si sa n a l y z e da n db u i l d e du s 迦o b j e c to r i e n t e dm e t h o d ； ( 2 ) m o d e lf r a m e w o r ko fs i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do ns m p 2 i se r e c t e da c c o r d i n gt o t h et r a i to fi n t e g r i t ys i m u l a t i o nm o d e l sa n da n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e m ； ( 3 ) m s c e n a r i of r a m e w o r ko fi n t e g r i t ys i m u l a t i o ni se r e c t e do nt h es u s t a i no ft h e s c e n a r i om e t a - m o d e lo fi n t e g r i t ys i m u l a t i o n ； ( 4 ) as c e n a r i oe d i t o rs y s t e mo fi n t e g r i t ys i m u l a t i o ni sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d o n t h eb a s i so ft h er e s e a r c ho fa b o v et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s ，i ts u s t a i nt h ea u t o m a t i c g e n e r a t i o no fa s s e m b l yf i l ea n ds c h e d u l ef i l eo f t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt a s k , a n dt h e s i m u l a t i o nv a l i d a t i o na n de v a l u a t i o no fn a v i g a t i o ns y s t e m si n t e g r i 够i si m p l e m e n t e d t h r o u g hi n t e g r i t ys i m u l a t i o ns y s t e m t h er e s e a r c ho ft h et h e s i si sc r o s sr e s e a r c ha b o u ts i m u l a t i o nt h e o r ya n dt o p o g r a p h y ， b e s i d e sd e v e l o p i n gm e t h o d o l o g yo fs y s t e ms i m u l a t i o n , i tc a na l s oa p p l yi n s t r u c t i o na n d r e f e r e n c ef o ra d v a n c e dr e s e a r c ho f i n t e g r i t yf o rn a v i g e t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：s a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m ，i n t e g r i t y ，s i m u l a t i o n m o d e l p o r t a b i l i t y ，m o d e lf r a m e ，m e t am o d e l ，e x p e r i m e n td e s i g n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1g a l i l e o 系统完好性指标要求2 表3 1u e r e 表的基本形式3 8 表3 2 完好性仿真的模型和算法4 0 表5 1 完好性仿真任务想定配置信息6 3 表5 2g a l i l e o 系统试验的u e r e 文件6 5 表5 3s b a s 系统试验的u e r e 文件。6 6 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1g a l i l e o 系统级完好性数据流程图。1 1 图3 1 完好性仿真模型体系分析流程2 7 图3 2 完好性仿真模型组成31 图3 3 二体模型计算示意图3 2 图3 4 中间轨迹点的计算示意图3 7 图3 5 仰角和方位角示意图3 9 图3 7 空间段子系统模型关系图4 3 图3 8 用户段子系统模型关系图4 4 图3 9 环境段子系统模型关系图4 4 图3 1 0 空间段、用户段、环境段模型之间的关系图4 5 图4 1 基于s m p 2 的仿真模型开发集成框架5 0 图4 2 基于s m p 2 的仿真模型框架5 2 图4 3 卫星模型设计5 3 图4 4 用户段模型设计5 4 图4 5 环境段模型设计5 4 图4 6 记录模型设计5 5 图4 7 完好性仿真模型装配5 6 图4 8 完好性仿真模型调度5 7 图4 9 完好性仿真想定元模型5 9 图5 2 完好性仿真试验想定编辑系统的界面6 3 图5 3 无故障条件下g a l i l e o 系统完好性的可用性6 7 图5 4 故障条件下g a l i l e o 系统完好性的可用性6 7 图5 5 无故障条件下g a l i l e o 系统完好性的连续性6 7 图5 6 故障条件下g a l i l e o 系统完好性的连续性6 8 图5 7 静态接收机用户水平保护级别7 0 图5 8 静态接收机用户垂直保护级别7 0 图5 9 无r a i m 辅助导航时s b a s 完好性的可用性6 8 图5 1 0r a i m 辅助导航时s b a s 完好性的可用性6 8 图5 1 1g a l i l e o 系统的水平保护级别计算6 9 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 基王塑2 数昱航丕缠塞垣丝笾真数遮进盏塞理 学位论文作者签名：隧蟑一 日期： 纱p 7 年协月乡日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：睦鱼强 作者指导教师签名：翌缸犟一 日期：z 四年f 2 月日 日期：御年位月乡日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 在信息化时代的现代战争中，全球卫星导航系统以其高精度、全球覆盖、全 天候和连续性的特点，已经成为天战、远程作战、导弹战、电子战、信息战的重 要武器，使得精确打击成为信息化战争的有效手段，是影响战争成败的重要因 素，因此，研究具有自主产权的卫星导航定位系统具有十分重大的战略意义。目 前，美国正在增强和完善g p s 系统，欧盟也在抓紧建设g a l i l e o 系统，预计于 2 0 0 8 年投入使用，经济复苏的俄罗斯也开始进一步建设g l o n a a s 系统，我国 也发展了北斗双星定位系统。 卫星导航系统是一个复杂的系统工程，涉及多领域和多学科的专业知识。随 着卫星导航系统越来越广泛的应用于军事、经济和科学研究等各个领域，需要建 立一组性能指标参数来衡量卫星导航系统的好坏，为导航系统的建设和完善提供 理论依据。1 9 9 4 年，国际民用航空组织( i c a o ) 提出了必备导航性f l 邑( r e q u i r e d n a v i g a t i o np e r f o r m a n c e ，r n p ) 的概念，虽然不同的导航服务对性能指标的要求有 所不同，但基本的性能指标主要有以下四个l l 】：精度( a c c u r a c y ) 、完好性 ( i n t e g r i t y ) 、连续性( c o n t i n u i t y ) 和可用性( a v a i l a b i l i t y ) 。1 9 9 8 年b r e e u w e r 对导 航系统的完好性概率做了如下定义【2 】：在卫星覆盖区域的任何时刻和任何地点， 定位误差超过预警限制而没有在规定的告警时间内发出警报的概率。简单的说， 导航系统的完好性是指系统在不能用于导航时向用户提供及时、有效告警信息的 能力，由此可见，完好性是卫星导航系统的重要性能之一，对于安全性很高的民 用导航用户和军事用户具有十分重大意义，因此，建立什么样的指标体系来衡量 系统的完好性是否满足特定用户的需求，采用什么样的完好性策略和算法来检测 系统级异常( 包括卫星和地面运控中心的异常) 和用户级异常，对导航用户具有重 大的理论和实际意义。根据b r e e u w e r 的定义，导航系统的完好性包含两方面 的要求：一是对于超过告警限值的卫星故障要在给定的告警时间内发出报警：二 是完好性风险必须小于预先规定的限值，这里完好性风险是指导航定位误差超过 告警限值但这个事件被漏检的概率，因此，衡量导航系统完好性的指标主要有三 个：告警限值、告警时间、完好性风险。不同的卫星导航系统针对不同的服务类 型提供不同的完好性指标要求，以c m l i l e o 系统为例，不同的服务类型对完好性 指标要求的要求如下表所示【j j ： 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表1 1g a l i l e o 系统完好性指标要求 生命安全服务 服务类型公共管制服务 关键服务非关键服务 完好性风险 3 5 x 1 0 7 1 5 0 s1 0 。7 l h3 5 x 1 0 7 1 5 0 , 告警时间6 s 1 0 s 1 0 s 完好性 告警阀值 1 2 m 2 0 m 5 5 6 m 未要求 2 0 m 3 5 m ( 平面垂直) 连续性风险 1 0 5 1 5 s( 1 0 4 1 0 。8 ) l h1 0 t 1 5 s 完好性的可用性 9 9 5 9 9 5 使用频率 e a l 、e a 2 、e 1e 6 、e 1 服务区域 全球全球 为了保障全球卫星导航系统正常工作的卫星星座能够完好无误的为导航用 户，特别是那些对精度和安全性要求很高的实时动态用户提供完好性服务，必须 建立一套完整可靠的完好性监测技术来监测系统异常。美国的g p s 在导航电文中 发播用户距离精度( u r a ) 来标识卫星的完好性，但由于u r a 随卫星星历一起向用 户发播，更新周期较长，在系统出现异常时不能及时告警，从而又出现了用广域 增强方式来提高g p s 的完好性和可用性，如美国的w a a s 、我国自主研制的 g p s 广域增强系统、欧洲的e g n o s 和日本的m s a t 等。正在建设中的欧洲 g a l i l e o 系统较全面地具备了完好性监测性能。我国建设的北斗双星定位系统没有 涉及完好性，随着g a l i l e o 系统的建立，完好性监测技术在提升卫星导航系统的 整体性能方面将发挥越来越重要的作用，因此在导航系统的研制过程中，需要对 各种完好性监测技术进行仿真验证，同时也有必要对建设过程中的导航系统完好 性性能进行测试评估，建立导航系统的完好性仿真验证和评估系统。 1 - 2 1 完好性监测技术研究现状 1 2 研究现状 目前，用于完好性监测的技术主要有三种：( 1 ) 卫星自主完好性监澳t ( s a t e l l i t e a u t o n o m o u si n t e g r i t ym o n i t o r i n g s a i m ) 技术；( 2 ) 地面完好性通道( g r o u n di n t e g r i t y c h a n n e l o i c ) ；( 3 ) 接收机自主完好性监测技术( r e c e i v e r 加n o n o m o l l si n t e g r i t y m o n i t o r i n g r a i m ) 。 卫星自主完好性监测【4 】只针对某些异常，如导航数据出现数据跳位导致的导 航数据异常，反欺骗和一些类型的卫星钟错误。如果s a i m 监测到这些内部异 常，它将在6 秒钟内向用户发出报警，它具有如下特点：一是在星上完成，不依 靠其它设备，这种完好性监测技术比较可靠；二是卫星自主完好性监测只能监测 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 卫星自身故障对定位精度影响，不能检测星地误差源对定位精度的影响，2 0 0 1 年，s t a n f o r d 大学l a a s ( l o c a la r e aa u g m e n t a t i o ns y s t e m ) 实验室开发了一种完好 性监测测试床( i n t e g r i t ym o n i t o rt e s t e d ，i m t ) ，可以基于该测试床进行s a i m 的仿 真研究，基于i m t 的s a i m 仿真系统主要由信号强度测试，数据流奇偶校验测试 和原子钟性能指标参数测试等组成。 地面完好性通道技术最初是由美国m i t r e 公司针对g p s 系统提出的一种完 好性监测技术【5 】，g i c 主要由两部分组成：具有完好性监测功能的地面站和完好 性信息广播体制，监测站主要负责卫星观测数据的收集和处理，生成相应的完好 性信息，然后通过一定的完好性信息广播体制实时广播给用户使用。随后，y l e e 和m e l a g e 等学者对g i c 完好性监测算法进行了大量的研究嘲【7 】。g i c 技术主要 有三种：一是g p s 系统的o r a l o s e rr a n g ea c c u r a c y ) ，二是g a l i l e o 系统的 s l s a i f ( s i g n a l i n - s p a c e - a c c u r a c y i n t e g r i t yf l a g ) ， 三是广域增强系统的 u d r e g i v e ( u s e rd i f f e r e n t i a lr a n g ee r r o r g r i di o n o s p h e r ev e r t i c a le r r o r ) 。l i r a 是 g p s 卫星空间信号伪距精度的预报值，是扣除了大气层延迟影响的用户距离误差 的最大预报值；u r a 算法基于坐标已知的监测站和卫星的广播星历的理论值来判 断站星伪距观测量的异常，算法简单，占用系统资源少；但u r a 随卫星星历一 起向用户发播，更新周期较长，在系统出现异常时不能及时告警。g a l i l e o 系统通 过提供空间信号精度( s z s h ) 和完好性标记皿) 等完好性信息来维持系统级完好性， 空间信号精度是对卫星覆盖范围内所有可能用户的空间信号误差预测分布的限 值，空间信号误差是指由g a l i l e o 卫星广播的星历和钟误差所引起的用户距离误 差；完好性标志是指当g a l i l e o 卫星发送了一个包含大误差的信号不能用于用户 定位时的一个警告，g a l i l e o 系统的完好性概念形成了完整的体系结构，能够满足 多类用户的需求，但完好性的实施需要大量的地面监测站支持，结构复杂、造价 比较高、可靠性能较差。此外，为了改善g p s 的精度和其它性能要求，各国纷纷 建立了自己的增强系统，美国联邦航天局f f a a ) 在1 9 9 4 年建立了w a a s 的试验系 统n s t b ，启动了w a a s 开发计划；欧洲空间局s a ) 、欧洲空中导航安全组织 ( e u r o c o n t r o l ) 和欧委会( e c ) 于19 9 3 年联合创建的e g n o s ；日本于19 9 6 年 设计了基于多卫星的增强系统m s a t ，其它国家，如中国，加拿大，印度也在建 设自己的卫星增强系统，u d r e g i v e 是广域增强系统和地面完好性监测相结合 而提出的完好性概念，相比g a l i l e o 系统而言，它的作用范围是广域范围而不是 全球，其精度指标也相对较差。g i c 技术只适合监测系统级异常( 包括卫星和地面 运控中心的异常) ，不能监测用户端的异常。 接收机自主完好性监测是通过多余的导航观测量进行一致性效验的技术，它 具有故障检测( f d ) 和故障排除( f e ) 两方面的功能；r a i m 算法能够检测系统端和 用户端的异常，很好地弥补地面完好性通道监测技术的不足；相比g i c 技术而 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 言，r a i m 算法简单，计算周期短，便于用户端卫星故障的快速监测；接收机自 主完好性监测的概念最早由r m k a l a f u s 引入，r g b r o w n 提出了基于卡尔曼滤波 的r a i m 算法( 1 9 8 6 年) 峭】和定位解最大间隔法( 1 9 8 8 年) 【9 】，卡尔曼滤波方法可以 利用过去观测量提高效果，但必须给出先验误差特性，而实际误差特性难预测， 如果预测不准，反而会降低效果。定位解最大间隔法的数学分析过程较复杂，故 障检测的判断门限不易确定；较好的r a i m 算法还是仅利用当前伪距观测量的 “快照( s n a p s h o t ) 方法，包括y l e e 于1 9 8 6 年提出的伪距比较法i l o j 、 b w p a r k i n s o n 于1 9 8 8 年提出的最小二乘法【l l 】和m a s t u r z a 于1 9 8 8 年提出的奇 偶矢量法【1 2 1 ，这三种方法对于存在一个故障偏差情况都有较好地净效果，并且是 等效的。奇偶矢量法算法相对简单，因而被普遍采用，并被r t c as c 1 5 9 推荐为 基本算法。 从9 0 年代中后期开始，我国有越来越多的学者开始关注r a i m 算法的研 究，并且在这方面发表了不少学术论文，但关于g i c 技术，我国的广域增强系统 主要是借鉴美国的w a a s ，目前还鲜有该方面的研究成果。 11 2 2 完好性仿真研究现状 国内外在建设卫星导航系统时都非常重视系统的仿真验证和测试评估工作， 以降低系统研制的技术风险。美国在1 9 8 9 年大规模发射卫星之前，发射了多颗 b l o c ki 卫星用来验证设计思想、所采用的技术和相关设备。2 0 世纪9 0 年代以 来，随着计算机技术和通信技术的发展，各国都采用计算机仿真技术对卫星导航 系统建设过程中的关键技术和难题进行仿真验证。欧洲在建设e g n o s 系统时， 建立了e g n o s 系统测试床( e s t b ) 作为系统总体的验证和测试平台，e s t b 【1 3 j 是 e g n o s 系统的一个实时全覆盖的的雏形，它由欧洲空间局和a l c a t e l ，a s t r i u m ， g m v ，r a e a l ，s e a t e x 等公司共同开发，e s t b 最大限度的简化了e g n o s 系统， 主要用来仿真验证e g n o s 系统的可用性，完好性等重要性能指标，在建设 g a l i l e o 系统时也建立了g a l i l e o 系统试验床( g s t b ) ，g s t b 0 4 1 分成g s t bv 1 和 g s t bv 2 两个阶段。欧洲航天局于2 0 0 2 年启动g s t bv 1 ，g s t bv 1 主要用于定 轨、完好性和时间同步体制的测试和评估，目前已经研制完成：g s t bv 2 包括导 航服务性能评估、关键在轨技术的测试验证、空间信号试验分析等等，为了建设 g s t bv 2 ，欧洲空间局于2 0 0 3 年开始计划发射两颗g i o v e 试验g i o v e - a 和 g i o v e b ，这两颗试验卫星主要用于验证g a l i l e o 系统运作的关键技术，如星载 原子钟和导航信号发生器等，2 0 0 5 年1 0 月2 8 日g l o v e - a 在英国b a i k o n o u r 人 造卫星发射基地发射成功并进入2 3 ，2 6 0k m 的地球中圆轨道，g i o v e b 预计于 2 0 0 7 年发射。我国在建设一代卫星导航系统时也曾用两颗地球同步卫星通信卫星 进行试验用来验证定位机制是否可行。随着全球卫星导航系统的建设和应用，为 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 了降低技术风险和挖掘技术潜力，也有必要建立我国的卫星导航系统仿真验证与 测试评定系统。 为了对g a l i l e o 系统进行仿验证和评估，欧洲航天局委托v e g a 公司研制了 软件级的g a l i l e o 系统仿真设备g s s f 1 5 1 【1 6 】【1 7 ( g a l i l e os y s t e ms i m u l a t i o nf a c i l i t y ) 。 g s s f 主要对g a l i l e o 系统的功能和性能进行仿真验证，g s s f 主要由两部分组 成：服务段仿真s v s ( s e r v i c ev o l u m ns i m u l a t i o n s ) 和原始数据生成r d g ( r a wd a t a g e n e r a t i o n ) 。g s s fs v s 支持对大范围、长时间的导航系统的导航总体性能的分 析，这里导航性能的分析包括d o p ( 精度因子) 分析、n s p ( 导航系统精度) 分 析、完好性分析等；此外，s v s 还提供对g a l i l e o g p s 系统的全球干扰分析、链 路预算和误差预算分析以及导航系统的连续性和可用性的分析。g s s fr d g 使用 高精度的模型产生g a l i l e o g p s 系统的观测数据，同时定义了导航系统相关的异 常事件，并对g s s f 系统主控站的轨道同步单元( o s p f ) 和完好性处理设施( m f ) 的 相关模型进行了仿真验证。g s s f 除了支持对g a l i l e o 系统的仿真，还能提供对星 基增强系统如e g n o s 以及g p s 系统的仿真。g s s f 的各仿真模型之间以及模型 和外部数据之间采用接口的方式进行通信，g s s f 的输入数据主要包括s p 3 格 式、t l e s 格式和y u m a 格式的星历文件以及相应的对流层数据文件 ( t r o p e x ) 、电离层数据文件( i 饼幔均等，g s s f 的仿真执行和分析执行文件均采 用x m l 格式。在研发g s s f 的同时，欧洲航天局还支持发展了g a l i l e o 系统完好 性性能评估( g i p a ) 【1 8 】项目，对g a l i l e o 完好性的概念、表示方法、更新率、监测 站的数量和分布、监测站的高度截至角、用户的高度截至角等内容进行了研究和 评估。我国目前还没有一个对导航系统完好性进行仿真验证和评估的软件系统， 随着我国卫星导航系统的建设和发展，需要对导航系统的完好性进行仿真验证和 评估方面的研究。 1 3 1 论文的研究内容 1 3 论文的研究内容和意义 卫星导航系统具有在世界范围内实时提供高精度三维导航信息的能力，因此 被广泛的应用于各种军事和民事领域。为了使卫星导航系统能够应用于民用航空 这类对安全性要求极高的用户，必须对导航系统的完好性进行深入的研究和验 证。导航系统完好性仿真研究主要包括两个方面的内容：一是对当前存在的完好 性监测技术进行仿真验证和评估，其中，完好性监测技术的三种方法中r a i m 算 法易于软件实现：二是对导航系统的完好性指标进行仿真计算，以及完好性的可 用性、连续性等系统性能指标进行仿真试验分析。本文主要从软件实现的角度来 研究完好性仿真，因此，涉及的完好性仿真计算方法主要包括导航系统完好性指 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 标( 包括完好性风险和保护级别) 的仿真计算以及r a i m 算法的仿真验证。本文研 究的主要内容包括： ( 1 ) 研究g a l i l e o 系统、星基增强系统的用户完好性指标计算，包括g a l i l e o 系 统的完好性风险计算以及g a l i l e o 系统和星基增强系统的保护级别的计算。如前 所述，完好性风险是指导航定位误差超过告警限值但这个事件被漏检的概率；保 护级别( p r o t e c t i o nl e v e l ) 又称为定位误差保护限值，是衡量用户定位误差大小 的一个指标，它不仅反映了系统星历误差，卫星钟差，更重要的是它反映了可视 卫星的几何条件，它将伪距域的误差通过卫星几何条件转化到定位域，以确定当 前用户定位误差的限值； ( 2 ) 研究接收机自主完好性监测算法( r a i m ) ，包括基于最小二乘残差的 r a i m 算法和基于奇偶空间矢量的r a i m 算法，以及基于r a i m 算法的保护级别 计算； ( 3 ) 从完好性仿真计算的需求角度入手，采用面向对象的方法分析和建立完好 性仿真模型体系结构，分析仿真模型的特点，提出基于s m p 2 的仿真模型设计方 法； ( 4 ) 借鉴s m p 2 规范设计完好性仿真框架，并基于该框架进行仿真系统的设计 和开发，实现软件级的完好性仿真系统；然后使用该仿真系统，设计实验框架对 g a l i l e o 系统、星基增强系统的完好性以及r a i m 算法进行仿真验证和评估。 1 3 2 论文的研究意义 完好性是衡量卫星导航系统可靠性的重要指标，对于导航系统而言，如果在 给定的精度条件下可靠性很差，即使这样的系统能够提供保证精度的服务，也是 不可用的。因此，完好性的研究对于导航系统的建设和评估都具有极为重大的意 义。本文的研究意义主要表现在两方面： ( 1 ) 从完好性仿真计算的需求角度出发，采用面向对象的方法分析和建立了完 好性仿真模型体系； 但) 借鉴s m p 规范设计和开发了完好性仿真分析系统，可以对长时间和大范 围( 全球) 内的导航系统的完好性指标进行仿真计算，从而实现了对g a l i l e o 系 统和星基增强系统完好性性能的仿真验证和评估。 1 4 论文的组织结构 本论文主要分为六个部分，分别对应六个章节： 第一章：绪论；本章主要介绍论文的研究背景，目前国内外完好性监测技术 以及完好性仿真验证评估的研究现状，本文的主要研究内容和意义； 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章：完好性算法和相关指标计算；本章研究g a l i l e o 系统完好性仿真计 算方法，星基增强系统完好性仿真计算方法以及用户接收机自主完好性监测算 法，这些算法构成了完好性仿真验证评估的核心部分； 第三章：完好性仿真模型体系分析；本章基于上一章介绍的完好性仿真计算 方法，采用面向对象技术分析实现完好性仿真验证评估所需的仿真模型和算法，并 建立这些仿真元素之间的交互关系以支持完好性仿真系统的设计与实现； 第四章：基于s m p 2 的完好性仿真系统设计与开发；本章借鉴s m p 2 的思 想，基于上一章建立的仿真模型以及模型元素之间的交互关系相应的设计完好性 仿真模型框架，并根据该框架开发和实现完好性仿真验证评估系统； 第五章：完好性仿真试验分析；本章首先设计了完好性仿真的试验想定框 架，然后基于该试验框架对g a l i l e o 系统、星基增强系统的完好性进行了仿真验 证评估，并验证了r a i m 算法对导航系统完好性性能的影响； 第六章：结束语；本章在对本论文内容总结的基础下，提出了论文进一步的 研究方向。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章完好性算法和相关指标计算 2 1 引言 完好性仿真验证与评估的目的是对导航系统的整体完好性性能进行验证和评 估，以及对接收机自主完好性限a 田算法进行仿真验证，并分析r a i m 算法对导 航系统整体完好性性能的影响。对导航系统整体完好性验证评估的基础是完好性 指标的计算，这里完好性的指标是指完好性风险和保护限值，将计算得到的完好 性指标同表1 1 所示的导航系统完好性指标要求相比较，若超出完好性指标的限 值，则认为当前导航定位不能够满足用户的完好性服务要求。通过对一段时间内 全球或区域用户完好性指标计算结果的分析，即可实现对导航系统整体完好性性 能，即完好性的可用性和连续性的仿真验证和评估。 完好性仿真计算的核心思想是衡量导航定位误差是否超出告警限值，最早提 出的完好性计算是基于保护级别的概念基础上的，即在预先规定的误警概率圪和 漏检概率己d 的条件下，基于相应的分布函数、观测卫星几何结构计算对应的水 平或垂直方向定位误差保护值( i - i p l 和v p l ) ，即保护级别，然后与用户配置的告 警限值相比较以确定当前用户是否满足完好性要求。g p s 系统以及建立在g p s 系 统上的星基增强系统均采用这种完好性计算方法；g a l i l e o 系统的完好性计算略有 不同，g a l i l e o 系统的完好性仿真计算方法主要有两类【1 9 】： 1 通过用户配置的告警阀值计算完好性风险，然后与用户预先规定的完好 性风险限值相比较以确定当前用户是否满足完好性要求。 2 将完好性风险概率在水平和垂直方向进行分配，并基于分配的完好性风 险概率计算相应的水平和垂直保护级别，与用户配置的告警限值相比较以确定当 前用户是否满足完好性要求。 此外，在使用导航系统自身的完好性监测技术监测卫星故障之外，还可以采 用接收机自主完好性算法辅助用户的完好性监测，r a i m 算法包括故障检测和排 除算法，其核心思想是利用多余观测量关于距离残差构造检验统计量作一致性校 验来检测和排除故障卫星。r a i m 算法只是对伪距域的误差作假设检验，由于卫 星几何结构的影响，小的伪距误差也会引起较大的定位误差，因此，在实施 r a i m 算法之前，必须判断r a i m 算法的可用性，r a i m 算法的可用性用保护级 别来衡量，当保护级别大于预先规定的限值时，r a i m 算法不可用。 本章主要考虑g a l i l e o 系统和星基增强系统的完好性计算，r a i m 算法以及完 好性的可用性和连续性的计算，这些算法和指标计算将作为卫星导航系统完好性 仿真验证评估的基础。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2g a l i l e o 系统完好性计算 2 2 - 1g a l i l e o 系统级完好性监测技术简介 g a l i l e o 系统建立了一整套系统完好性概念，自身拥有完好性监测功能，这是 它同g p s 系统的最大区别，g p s 系统是通过r a i m 技术和增强系统( 如w a a s ) 来 弥补完好性监测方面的不足。由于完好性监测机制是g a l i l e o 系统的一部分，在 分析完好性算法之前有必要理解以下g a l i l e o 系统的完好性概念以及g a l i l e o 系统 完好性监测系统的构成及工作原理。在g a l i l e o 系统完好性的计算中主要用到以 下完好性概念u 9 1 ： s i s e ：空间信号误差，是指由g a l i l e o 卫星广播的星历和钟误差所引起的用 户距离误差。它是卫星覆盖范围内用户位置和时间的函数。 s i s a ：空间信号精度，它是对卫星覆盖范围内所有可能用户的空间信号误差 预测分布的限值，是一定置信水平的s i s e 的限值，表示卫星轨道和卫星钟差在 确定和预报过程的特征。 s i s m a ：由于受到平滑载波相位误差、g a l i l e o 系统监测站坐标误差、电离层 延迟计算误差、对流层延迟计算误差、g a l i l e o 系统监测站同步误差这五项误差的 影响，s i s e 的真实值不能准确得到，我们只能通过计算处理得到其估计值 e s i s e ，这两者之间存在着差异，s i s m a 表示一定置信水平的( s i s e e s i s e ) 的限 值。 完好性标识和完好性标识的限值t h ：如果空间信号误差的估计值( e s i s e ) 大于给定的完好性标识限值，则认为该卫星发送了一个包含大误差的信号不能用 于用户定位，该卫星完好性标识设置成