CN114609650B - 一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，涉及完好性风险测试技术领域，所述方法针对北斗全链条开展压力测试，遍历北斗定位服务潜在故障场景，实现高可靠完好性能测试。所述方法包括以下步骤：步骤1，设定完好性性能测试指标，将待测试故障场景初始化；步骤2，开展卫星‑信号传输‑应用平台中全链路的应用平台测试区域范围划定；步骤3，选定故障北斗卫星；步骤4，模拟北斗卫星异常信号；所述模拟器根据所述故障北斗卫星的信号，进行模拟，依据所述故障北斗卫星的测距，添加一定误差值，得到模拟的异常信号；步骤5，开展完好性性能评估。

Description

一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法

技术领域

本发明涉及完好性风险测试技术领域，尤其涉及一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法。

背景技术

北斗导航卫星***(Global Navigation Satellite System，GNSS)涵盖我国海、陆、空等多个军民融合典型应用场景，例如海洋生态应用、智慧农机协同作业、舰载机批次全自动引导等，为保障北斗导航服务可信性，星基增强***(Satellite BasedAugmentation System，SBAS)、地基增强***(Ground Based Augmentation System，GBAS)等兼顾精度与完好性的GNSS增强***，被广泛应用于民航等与生命安全相关的导航应用领域。

目前我国的北斗星基增强***(BDSBAS)正处于关键建设时期，亟需可靠测试方案，以开展***完好性性能评估，为***服务性能优化提供参考。北斗导航定位涉及从卫星到信号到应用平台的整条服务链路，鉴于北斗导航“卫星-信号-应用平台”全链条服务体系潜在面临多类型故障场景，同时为满足北斗导航定位服务高可信性需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，所述方法针对北斗全链条开展压力测试，遍历北斗定位服务潜在故障场景，实现高可靠完好性能测试。

本发明采用以下技术方案：

一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，依据应用平台所规定的安全性能要求，设定应用平台的待测试完好性性能指标，将待测试故障场景初始化；选定待测试的性能指标和操作指标，设置应用平台的分布参数，确定故障场景需求；向模拟器输入北斗卫星历书文件；

步骤2，开展卫星-信号传输-应用平台中全链路的应用平台测试区域范围划定，所述测试区域包括多个测试地点，每个所述测试区域确定待测试地点的经度和纬度坐标；

步骤3，选定故障北斗卫星；根据所述待测地点的经度和纬度以及所述卫星历书文件，逐个计算待测试地点可视北斗卫星的位置，并从待测试地点所有可视北斗卫星中，通过所述模拟器选定当前历元几何构型下发生完好性事件概率最大的北斗卫星，该卫星即被选为故障北斗卫星；所述可视指可接收到北斗卫星信号；

步骤4，模拟北斗卫星异常信号；所述模拟器根据所述故障北斗卫星的信号，进行模拟，依据所述故障北斗卫星的测距，添加一定误差值，得到模拟的异常信号；

步骤5，评估应用平台的完好性性能；模拟器根据步骤1输入的北斗卫星历书，模拟北斗卫星导航***运行过程，按照步骤3确定故障北斗卫星，按照步骤4模拟北斗卫星异常；在北斗信号异常条件下，依次记录应用平台在步骤2所划分测试地点的完好性输出，计算完好性风险；最后与步骤1所设定的待测试完好性性能指标比较，当计算完好性风险小于待测试完好性性能指标时，证明应用平台的完好性性能合格。

通过设置经度和纬度的区间，确定所述待测区域；对所述待测区域进行网格点划分，确定待测试地点的经度和纬度的坐标。

所述待测试区域的范围划定包括以下步骤：

进行测试区域大小划定：设置所述待测试区域经纬度范围Lon°E-Lon°W、Lat°S-Lat°N；

进行测试区域内网格点划分：将所述待测试区域划分为K°×K°的网格，选所述网格的网格线交点为所述待测地点的经、纬度参数；

计算所述待测地点的总数：Station＝[(Lon°E－Lon°W)+1]×[(Lat°S－Lat°N)+1]/(K°×K°)；

其中，Lat为纬度、Lon为经度、K为网格点间隔。

所述模拟器通过数学模型选定所述故障北斗卫星，所述数学模型为：

其中A表示量测域投影至定位域转换矩阵，S表示量测域投影至检测统计域转换矩阵，q表示定位误差方向，j表示卫星星号；q在A中表示矩阵的第q行，j表示A的第j列；j在S中表示矩阵的j行j列；设置当前几何构型下Slope_j最大的北斗卫星为故障卫星，所述故障卫星的星号为k，在所述故障卫星k上模拟北斗卫星异常信号。

所述步骤4还包括：向所述故障卫星k，添加一定误差值，所述误差为测距误差，通过概率模型搜索获取，所述搜索的目标函数为：

max P_nd·P_pf·P_Hi (2)；

式中，P_nd为检测失败概率、P_pf为定位超限概率、P_Hi为先验故障概率，所述P_Hi由初始化参数给定，P_nd和P_pf通过计算得到：

其中，η表示检测阈值；n表示可视卫星个数；λ表示非中心化参数；b表示测距误差；σ表示定位误差标准差；Q表示标准正态分布尾部描述函数；P_ncx为非中心卡方分布概率分布函数；q表示定位误差方向，q在A中表示矩阵的第q行，l表示告警极限。

所述待测试性能指标包括：完好性风险指标IR_req，告警极限l，告警时间t；所述待测试性能指标用于完好性性能评估。

所述操作指标包括：测试时长T，测试采样间隔T_s；所述性能操作指标用于规定完好性测试时长与间隔。

所述应用平台的分布参数包括：经度Lon、纬度Lat和网格点间隔K；

所述故障场景需求包括：待测试故障类型H_i，i表示故障类型编号，故障类型包括：电离层梯度异常H_I、对流层梯度异常H_T、卫星轨道机动H_O、卫星钟跳变H_s及周跳H_C；待测试故障对应先验故障概率P_Hi；

所述故障场景包括重故障并发情形。

所述步骤5包括：

步骤51、定义测试样本即历元数目：根据待测试完好性性能指标IR_req，确定待测试样本量N＝P_Hi/IR_req，单个测试地点测试样本数N_S＝N/Station；

步骤52、根据测试地点位置、故障卫星号k以及测距误差取值b，组成故障场景；

步骤53、在故障场景下，激励完好性监测算法，并统计每个测在T时间内输出的完好性参数，完好性输出参数包括：保护水平p，告警间隔s，待测定位误差e；

步骤54、定义完好性丢失：当定位误差e大于告警极限l，但保护水平p未发出告警或告警超时，即{|e|＞l＞p∩s＞t}，则判定完好性丢失，统计完好性丢失总次数N_IR；

步骤55、计算完好性风险：N_IR/N。

本发明实施例提供的一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，该方法包括：应用平台测试地点规划操作，支撑不同地点下的应用平台完好性性能测试；故障卫星选取操作，支撑不同故障卫星下的应用平台完好性性能测试；故障信号异常模拟操作，支撑不同故障源下的应用平台完好性性能测试。通过应用平台测试地点规划、故障卫星选定以及信号异常模拟操作，严格测试北斗定位服务体系所涉及的卫星-信号传输-应用平台三类关键环节，实现可靠的完好性性能测试。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

参见图1，本发明实施例提供了一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，该方法可应用于在建或现有支持定位服务应用平台的完好性性能测试。具体步骤包括：

步骤1，待测试完好性性能指标以及待测试故障场景初始化。

步骤2，开展全链条“卫星-信号-应用平台”中，应用平台测试区域范围划定；

步骤3，开展全链条“卫星-信号-应用平台”中，故障北斗卫星选定；

步骤4，开展全链条“卫星-信号-应用平台”中，北斗卫星信号异常模拟；

步骤5，评估应用平台的完好性性能。

本发明实施例提供的针对北斗***“卫星-信号-应用平台”全链条测试方法，该方法包括：应用平台测试地点规划操作，支撑不同地点下的应用平台完好性性能测试；故障卫星选取操作，支撑不同故障卫星下的应用平台完好性性能测试；故障信号异常模拟操作，支撑不同故障源下的应用平台完好性性能测试。通过应用平台测试地点规划、故障卫星选定以及信号异常模拟操作，严格测试北斗定位服务体系所涉及的卫星-信号传输-应用平台三类关键环节，实现可靠的完好性性能测试。

本发明的基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，该方法通过模拟北斗定位服务“卫星-信号传输-应用平台”全链路所面临的潜在故障场景，激励并记录完好性监测算法输出响应值，统计完好性性能。

其中，涵盖“卫星-信号传输-应用平台”三个方面的全链条故障场景是由应用平台测试地点选定、北斗故障卫星选定以及北斗信号异常模拟环节构成；完好性性能评估是通过记录完好性监测算法在故障场景下的输出响应值，计算完好性丧失的次数在总测试历元数中的占比。

具体完好性测试总体流程如下：

首先，为保障应用平台在任意地点均满足完好性性能需求，需开展不同地点下的性能测试，因此开展测试区域选定及测试地点划分工作，该过程在步骤2中具体说明。

其次，为测试应用平台在多类型故障场景下的完好性性能，需针对步骤2中已经划分的全部测试地点，依次开展不同故障源Hi下的卫星故障及信号异常模拟，该过程在步骤3、4中具体说明。

在预设测试时间T内，依次收集每个测试地点在故障场景下(故障场景由步骤2、3、4决确定)所输出完好性响应值，当设定区域内所有测试地点均完成测试后，汇总完好性监测算法输出响应信息用于评估完好性性能，该过程在步骤5中具体说明。

测试如附图1所示，为本发明的一种基于北斗全链条故障模拟的完好性测试方法流程图。

步骤1，依据应用平台所规定的安全性能要求，设定应用平台的待测试完好性性能指标，待测试完好性性能指标以及待测试故障场景设定；将待测试故障场景初始化；选定待测试的性能指标和操作指标，设置应用平台的分布参数，确定故障场景需求；向模拟器输入北斗卫星历书文件；所述应用平台是指采用北斗定位服务开展导航、定位作业的***。

开展完好性性能测试，需首先实现待测试完好性工作指标以及待测试故障场景初始化。涉及初始化的参数及内容包括：

待测试完好性性能测试指标：

1、待测试性能指标：待测试完好性性能指标IRreq，告警极限l，告警时间t；上述指标用于步骤5中，完好性性能评估；

2、操作指标：测试时长T，测试采样间隔Ts；上述参数用于规定完好性测试时长与间隔；

待测试故障场景：

应用平台分布参数：经、纬度Lat、Lon，网格点间隔K；上述参数用于步骤2中，测试区域设定与测试地点划分；

故障场景需求：待测试故障类型H_i(i表示故障类型编号，常见故障类型包括：电离层梯度异常H_I、对流层梯度异常H_T、卫星轨道机动H_O、卫星钟跳变Hs及周跳H_C)；待测试故障对应先验故障概率P_Hi。这里需要说明，故障场景可以设置为多重故障并发情形；上述参数故障类型与先验故障概率参数用于步骤4中，卫星信号异常模拟；卫星钟的跳变，属于卫星导航领域一种常见故障

外部文件输入：北斗卫星历书，用于步骤3、4中卫星位置计算。

步骤2，开展全链条“卫星-信号-应用平台”中，应用平台测试区域范围划定；

为保障应用平台在任意地点均满足完好性性能需求，开展不同地点下的性能测试模拟。首先通过设置经、纬度区间，确定待测试区域大小；其次对测试区域开展网格点划分，确定具体待测试地点经、纬度坐标。具体待测试区域范围划定的操作流程如下：

1、测试区域大小划定：设置待测试区域经纬度Lon°E～Lon°W、Lat°S～Lat°N；

2、测试区域内网格点划分：待测试区域划分为K°×K°的网格，选网格线交点为待测试地点点经、纬度参数；

3、计算待测地点总数：Station＝[(Lon°E－Lon°W)+1]×[(Lat°S－Lat°N)+1]/(K×K)；

步骤2输入、输出参数归纳：

(1)步骤2所需初始化参数：经纬度Lon，Lat，网格点间隔K；

(2)步骤2输出参数：测试地点数目Station，测试地点经、纬度。

步骤3，开展全链条“卫星-信号-应用平台”中，故障北斗卫星选定

完成参数初始化及测试地点位置划分工作后，进行全链条“卫星-信号-应用平台”中，故障卫星选定操作。以步骤2划分的测试地点经、纬度位置以及历书文件计算卫星位置为基础，通过模拟器选定当前历元几何构型下最易发生完好性事件的北斗卫星，支撑完好性压力测试开展。最易发生完好性事件的北斗卫星可通过下述数学模型判定，

其中A为量测域投影至定位域转换矩阵，S表示量测域投影至检测统计域转换矩阵，q表示定位误差方向，j表示卫星星号；q在A中表示矩阵的第q行，j表示A的第j列；j在S中表示矩阵的j行j列。设置当前几何构型下的最大Slopej北斗卫星为故障卫星。步骤2完成后，可确定故障卫星号k，后续信号异常模拟将在卫星k上开展。

步骤3输入、输出参数归纳：

步骤3输入参数：测试地点经、纬度；

步骤3所需初始化参数：北斗卫星历书；

(3)步骤3输出参数：故障卫星号k，用于支撑信号异常模拟。

步骤4，开展全链条“卫星-信号-应用平台”中，北斗信号异常模拟

以步骤3中选定故障卫星k为基础，开展北斗卫星信号异常模拟。北斗信号异常是指向故障卫星k的测距添加一定误差值，该过程依据为美国航空无线电技术委员会RTCADO-245官方文档：卫星钟、轨异常，电离层、对流层梯度异常、周跳多类型故障均可等效转换为测距误差，开展统一测试。

故障卫星k的选定操作已在步骤2中完成，接下来需确定卫星发生故障时所产生的测距误差大小。由于测距误差的选取没有明确的范围限制，为避免测距误差选取不确定性，选择注入令应用平台最容易发生完好性事件的误差。上述最易发生完好性事件的测距误差可通过概率模型搜索获取，搜索的目标函数如下所示：

max P_nd·P_pf·P_Hi (2)

式由检测失败概率、定位超限概率、先验故障概率(初始化参数给定)组成，

其中η表示检测阈值；n表示可视卫星个数；λ表示非中心化参数；b表示测距误差；σ表示定位误差标准差；Q表示标准正态分布尾部描述函数。遍历搜索最易发生完好性事件的测距误差，并将其注入故障卫星开展完好性压力测试；q表示定位误差方向，q在A中表示矩阵的第q行。

步骤4输入、输出参数归纳：

(1)步骤4输入参数：测试地点经、纬度，上述参数用于计算卫星几何构型(步骤2)；卫星号k，用于确定故障卫星(步骤3)；

(2)步骤4所需初始化参数：故障场景H_i，先验故障概率P_Hi，故障先验概率，即设置故障发生的频率；两者均是用于计算所需注入测距误差；

(3)步骤4输出参数：故障测距误差b。

步骤5，评估应用平台的完好性性能。

1、定义测试样本数目：根据待测试完好性性能指标IR_req(初始化参数)，确定待测试样本量N＝(P_Hi/IR_req)，单个测试地点测试样本数NS＝N/Station；

2、根据步骤2、3、4输出测试地点位置、故障卫星号k以及测距误差取值b，组成故障场景；

3、在故障场景下，激励完好性监测算法，并统计每个测试地点在T时间内输出的完好性参数。所需统计完好性输出参数包括：保护水平p，告警间隔s，待测定位误差e；

4、定义完好性丢失：当定位误差e大于告警极限l，但保护水平p未发出告警或告警超时，即{|e|＞l＞p∩s＞t}，则判定完好性丢失，统计完好性丢失总次数N_IR；

5、计算完好性风险：N_IR/N。

步骤5输入、输出参数归纳：

(1)步骤5输入参数：测试数目Station(步骤2)；

(2)步骤5所需初始化参数：测试时长T，测试间隔TS，待测试完好性性能指标IR_req，先验故障概率P_Hi；卫星钟的跳变，属于卫星导航领域一种常见故障

(3)步骤5输出参数：完好性风险。

鉴于北斗导航“卫星-信号-应用平台”全链条服务体系潜在面临多类型故障场景，同时为满足北斗导航定位服务严格可信性需求，本文提出一种方法，针对北斗***全链条开展压力测试，遍历北斗定位服务潜在故障场景，实现高可靠完好性能测试。

本发明实施例提供的一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，该方法包括：应用平台测试地点规划操作，支撑不同地点下的应用平台完好性性能测试；故障卫星选取操作，支撑不同故障卫星下的应用平台完好性性能测试；故障信号异常模拟操作，支撑不同故障源下的应用平台完好性性能测试。通过应用平台测试地点规划、故障卫星选定以及信号异常模拟操作，严格测试北斗定位服务体系所涉及的卫星-信号传输-应用平台三类关键环节，实现可靠的完好性性能测试。

对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。***、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，依据应用平台所规定的安全性能要求，设定应用平台的待测试完好性性能指标，将待测试故障场景初始化；选定待测试的性能指标和操作指标，设置应用平台的分布参数，确定故障场景需求；向模拟器输入北斗卫星历书文件；

步骤2，开展卫星-信号传输-应用平台中全链路的应用平台测试区域范围划定，所述测试区域包括多个测试地点，每个所述测试区域确定待测试地点的经度和纬度坐标；

步骤3，选定故障北斗卫星；根据所述待测试地点的经度和纬度以及所述北斗卫星历书文件，逐个计算待测试地点可视北斗卫星的位置，并从待测试地点所有可视北斗卫星中，通过所述模拟器选定当前历元几何构型下发生完好性事件概率最大的北斗卫星，该卫星即被选为故障北斗卫星；所述可视指可接收到北斗卫星信号；

步骤4，模拟北斗卫星异常信号；所述模拟器根据所述故障北斗卫星的信号，进行模拟，依据所述故障北斗卫星的测距，添加一定误差值，得到模拟的异常信号；

步骤5，评估应用平台的完好性性能；模拟器根据步骤1输入的北斗卫星历书，模拟北斗卫星导航***运行过程，按照步骤3确定故障北斗卫星，按照步骤4模拟北斗卫星异常；在北斗信号异常条件下，依次记录应用平台在步骤2所划分测试地点的完好性输出，计算完好性风险；最后与步骤1所设定的待测试完好性性能指标比较，当计算完好性风险小于待测试完好性性能指标时，证明应用平台的完好性性能合格。

2.根据权利要求1所述的基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，其特征在于，通过设置经度和纬度的区间，确定所述待测区域；对所述待测区域进行网格点划分，确定待测试地点的经度和纬度。

3.根据权利要求2所述的基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，其特征在于，所述待测试区域的范围划定包括以下步骤：

进行测试区域大小划定：设置所述待测试区域经纬度范围Lon°E-Lon°W、Lat°S-Lat°N；

进行测试区域内网格点划分：将所述待测试区域划分为K°×K°的网格，选所述网格的网格线交点为所述待测地点的经、纬度参数；

计算所述待测地点的总数：Station＝[(Lon°E－Lon°W)+1]×[(Lat°S－Lat°N)+1]/(K°×K°)；

其中，Lat为纬度、Lon为经度、K为网格点间隔。

4.根据权利要求3所述的基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，其特征在于，所述模拟器通过数学模型选定所述故障北斗卫星，所述数学模型为：

其中，A表示量测域投影至定位域转换矩阵，S表示量测域投影至检测统计域转换矩阵，q表示定位误差方向，j表示卫星星号；q在A中表示矩阵的第q行，j表示A的第j列；j在S中表示矩阵的j行j列；设置当前几何构型下Slope_j最大的北斗卫星为故障卫星，所述故障卫星的星号为k，在所述故障卫星k上模拟北斗卫星异常信号。

5.根据权利要求4所述的基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，其特征在于，所述步骤4还包括：向所述故障卫星k，添加一定误差值，所述误差为测距误差，通过概率模型搜索获取，所述搜索的目标函数为：

max P_nd·P_pf·P_Hi(2)；

式中，P_nd为检测失败概率、P_pf为定位超限概率、P_Hi为先验故障概率，所述P_Hi由初始化参数给定，P_nd和P_pf通过计算得到：

其中，η表示检测阈值；n表示可视卫星个数；λ表示非中心化参数；b表示测距误差；σ表示定位误差标准差；Q表示标准正态分布尾部描述函数；P_ncx为非中心卡方分布概率分布函数；q表示定位误差方向，q在A中表示矩阵的第q行，l表示告警极限。

6.根据权利要求5所述的基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，其特征在于，所述待测试性能指标包括：完好性性能指标IR_req，告警极限l，告警时间t；所述待测试性能指标用于完好性性能评估。

7.根据权利要求6所述的基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，其特征在于，所述操作指标包括：测试时长T，测试采样间隔T_s；所述操作指标用于规定完好性测试时长与间隔。

8.根据权利要求7所述的基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，其特征在于，所述应用平台的分布参数包括：经度Lon、纬度Lat、网格点间隔K；

所述故障场景需求包括：待测试故障类型H_i，i表示故障类型编号，故障类型包括：电离层梯度异常H_I、对流层梯度异常H_T、卫星轨道机动H_O、卫星钟跳变H_s及周跳H_C；待测试故障对应先验故障概率P_Hi；

所述故障场景包括重故障并发情形。

9.根据权利要求8所述的基于北斗全链条故障激励的完好性测试方法，其特征在于，所述步骤5包括：

步骤51、定义测试样本即历元数目：根据待测试完好性性能指标IR_req，确定待测试样本量N＝P_Hi/IR_req，单个测试地点测试样本数N_S＝N/Station；

步骤52、根据测试地点位置、故障卫星号k以及测距误差取值b，组成故障场景；

步骤53、在故障场景下，激励完好性监测算法，并统计每个测试地点在T时间内输出的完好性参数，完好性输出参数包括：保护水平p，告警间隔s，待测定位误差e；

步骤54、定义完好性丢失：当定位误差e大于告警极限l，但保护水平p未发出告警或告警超时，即{|e|＞l＞p∩s＞t}，则判定完好性丢失，统计完好性丢失总次数N_IR；

步骤55、计算完好性风险：N_IR/N。

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