一種導航星座衛星備份方法
2023-06-08 18:43:46 1
專利名稱：一種導航星座衛星備份方法
技術領域：
本發明涉及導航星座，特別是一種導航星座衛星的備份方法。
背景技術：
導航星座是指由多顆導航衛星構成的、實現了特定的空間幾何構型、用於提供導航與定位相關服務的衛星系統。導航星座的突出特點是多顆衛星協同工作，服務的質量取決於各顆衛星的性能、衛星的數量和空間分布。在衛星在軌運行、提供服務的過程中，為了維持自身軌道，需要對衛星實施軌道機動操作；另外，衛星受自身部件或組件壽命和可靠性的制約，以及遭受惡劣多變的空間環境的影響，衛星會出現短期故障(可恢復的故障)或長期故障(不可恢復的故障)。軌道機動和衛星故障會導致衛星服務的中斷甚至終止，區別是前者可以預測、風險較小，後者不可預測、風險不明確。因此，為了保證星座向用戶提供連續、穩定、高質量的服務，星座需要結合實際情況採用衛星備份策略。星座衛星備份策略主要包括以下幾種內在冗餘備份策略，在軌備份策略，停泊軌道備份策略，地面備份策略，軟備份策略，星座重構策略。上述備份策略除地面備份策略外， 統稱為空間備份策略。作為一種特殊的星座，導航星座通常採用在軌備份策略、地面備份策略或者兩者結合的方式。在軌備份策略將備份衛星部署在工作軌道內並處於工作狀態，能夠保證備份衛星快速替換服務中斷衛星，從而維持星座連續可靠的功能和性能，而且在星座正常情況下，備份衛星能夠增強導航星座的服務性能，但是備份方式不夠靈活(僅針對特定衛星進行備份)。地面備份策略將備份衛星存儲於地面，當星座出現補網需求時進行發射，備份衛星可以定軌於相同類型的不同軌道上，因此備份方式比較靈活、便於控制星座使用壽命，其缺點是補網所需的時間很長(幾個月至幾年)。如何合理地選用星座備份策略是星座系統運營和維護的核心問題。在目前星座備份策略設計中普遍採用基於星座可靠度約束的計算方法，例如《衛星星座理論與設計》(張育林等，科學出版社，2008年9月，第一版)、《某星座可靠性與備份策略分析》(趙海濤，中國宇航學會飛行器總體專業委員會2004年學術研討會)、《星座設計中的衛星備份策略與置信度研究》(劉廣軍等，裝備指揮技術學院學報，2005年2月，第16卷第1期)。星座可靠度用於在統計意義上衡量星座在壽命期內提供既定服務的可能性，沒有考慮星座衛星在軌運行的實際情況，也無法評估個別衛星的服務中斷對星座性能的影響。此外，基於星座可靠度的星座備份方法僅考慮星座整體的可靠性，而忽略了單顆衛星的可靠性及失效風險。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種導航星座衛星備份方法，以系統服務連續性、可用性為目標，確保星座滿足用戶的實際應用需求以及延長星座壽命的需求。
本發明的技術解決方案是一種導航星座衛星備份方法，步驟如下(1)按照衛星可靠性模型計算星座壽命末期各顆在軌衛星的可靠度,其中i = 1，2，. . .，N為在軌衛星編號，N為組成導航星座的在軌衛星總數；(2)設定各顆在軌衛星的可靠度門限^hjngh2，其中/ ^為衛星一類可靠度門限，其值設置為星座系統用戶提出的星座壽命末期的衛星可靠度指標要求；<2為衛星二類可靠度門限，其值設置為衛星可靠度變化曲線上與星座原壽命末期的衛星可靠度指標要求對應的點開始沿可靠度曲線向時間軸負方向移動延壽時間後的點對應的可靠度；(3)統計各在軌衛星在軌工作期間的月均中斷頻度；Ih以及各在軌衛星月均中斷時間Γ/ ；(4)設置各在軌衛星在軌工作期間的月均中斷頻度門限;L^，以及各在軌衛星的月均中斷時間門限(5)設置導航星座可用性門限^hIpix5Pth，其中PDOP為位置精度因子，A為服務
可用性，PDOPth為位置精度因子門限，Ath為服務可用性門限，^hIpdopuiR表滿足PD0P ；L/h或r/ > : 的衛星j，j = 1，2，. . .，M，M為符合上述要求的衛星總數；計算當星座
不含該M顆衛星時，是否滿足d|pDpth >4, poop* ,如果不滿足，需要補充備份衛星，使得當星座不含該M顆衛星時滿足J ρ 0ρ(, >4, pdop* ；(7)如果用戶有星座延壽需求但延壽時間尚未確定，先執行步驟(6)，然後考慮補充備份衛星後的星座預計延壽時間，同時按照步驟O)重新確定《h2,如果存在滿足
<R\<<2的衛星，則需要補充備份衛星；(8)如果用戶有星座延壽需求且延壽時間確定，則根據延壽時間重新確定，通過統計和運算找到符合擬或7y > ^的衛星j，j = 1，2，. . .，M，M為符合
上述要求的衛星總數；計算當星座不含該M顆衛星時，是否滿足j|PDC)Pi >^fh|pDQpt*h ,如
果不滿足，需要補充備份衛星，使得當星座不含該M顆衛星時滿足J pDOpti > A PDOPfh。本發明與現有技術相比的優點在於(1)本發明方法運用部件、組件的先驗失效率參數和實際在軌失效狀態，分析計算衛星可靠度，與僅使用理論模型相比更加客觀準確。(2)本發明方法參考了衛星服務中斷頻度、中斷時間、衛星可靠度指標，因此可以綜合考慮導航星座服務在連續性、可用性方面面臨的風險，為衛星備份提供貼近實際情況的依據。
(3)本發明方法以用戶對星座延長壽命的潛在需求和確定性需求作為制定在軌備份策略的輸入條件，符合星座系統實際運營的需要。(4)本發明方法合理運用在軌備份策略和地面備份策略，在充分考慮星座性能下降的風險、確保星座服務性能的前提下，靈活控制星座使用壽命。導航星座需要向用戶提供高精度、連續、穩定的定位服務，本發明能夠滿足用戶對導航星座服務精度、連續性、可用性的需求。
圖1為本發明方法的流程框圖；圖2為本發明實施例中設定的衛星可靠度變化曲線。
具體實施例方式設組成導航星座的在軌衛星總數為N，在軌衛星編號分別為i = 1，2，. . .，N。如圖 1所示，通過以下步驟確定導航星座是否需要備份衛星及相應的備份方式(1)根據各在軌衛星各部件和組件的失效率參數、實際失效情況及工作狀態，按照衛星可靠性模型計算星座壽命末期各顆衛星的可靠度滅i。衛星可靠性模型由具體的衛星設計確定，具體可參考星座衛星的正樣設計報告，可靠度計算方法可以參見《衛星可靠性設計指南》(中華人民共和國航天行業標準， QJ2172A-2005)。(2)設置各顆衛星在星座壽命末期的一類可靠度門限^hl, 『I通常設置為星座系統用戶提出的星座壽命末期的衛星可靠度指標要求。如果用戶對導航星座有延長壽命使用的需求，那麼還需要設置各顆衛星在星座原壽命末期的二類可靠度門限, /42與/4對應相同的時刻，滿足、；^。『〗的設置方法是首先計算衛星在不同工作年份的可靠度，製作成衛星可靠度變化曲線，其橫軸為時間(單位為年)，縱軸為衛星可靠度；然後在可靠度變化曲線上找到/？^對應的點A，從A 開始沿可靠度曲線向時間軸負方向移動至點B，點A與點B對應的時間差剛好為星座延壽時間，點B的縱坐標即為^h2。(3)統計各衛星在軌工作期間的月均中斷頻度;^ (單位為次/月)，以及各在軌衛星月均中斷時間(單位為小時/月)。此處只需要統計衛星軌道機動或衛星故障帶來的導航服務中斷事件，如果衛星故障沒有造成用戶服務中斷，則不需要統計。(4)設置各顆衛星的月均中斷頻度門限;Lj1 (單位為次/月)，以及各顆衛星的月均中斷時間門限r/h (單位為小時/月)。通常這兩個門限依據系統用戶的應用需求確定。(5)根據用戶對星座系統服務的需求設置導航星座可用性門限dhlpDOT^，其中 PDOP為位置精度因子，A為服務可用性，PDOPth為位置精度因子門限，Ath為服務可用性門限，
權利要求
1. 一種導航星座衛星備份方法，其特徵在於步驟如下(1)按照衛星可靠性模型計算星座壽命末期各顆在軌衛星的可靠度<,其中i = 1， 2，...，N為在軌衛星編號，N為組成導航星座的在軌衛星總數；(2)設定各顆在軌衛星的可靠度門限Mh^nMh2，其中^hl為衛星一類可靠度門限，其值設置為星座系統用戶提出的星座壽命末期的衛星可靠度指標要求；『2為衛星二類可靠度門限，其值設置為衛星可靠度變化曲線上與星座原壽命末期的衛星可靠度指標要求對應的點開始沿可靠度曲線向時間軸負方向移動延壽時間後的點對應的可靠度；(3)統計各在軌衛星在軌工作期間的月均中斷頻度;Ij,以及各在軌衛星月均中斷時間Ti-1S ,(4)設置各在軌衛星在軌工作期間的月均中斷頻度門限；l/h,以及各在軌衛星的月均中斷時間門限7；。(5)設置導航星座可用性門限^thIpDOpth，其中PDOP為位置精度因子，A為服務可用性，PDOPth為位置精度因子門限，Ath為服務可用性門限，成h|pDQPftR表滿足PDOP < PDOPth條件的服務可用性門限；(6)如果確知沒有星座延壽需求，則通過統計和運算找到符合i / ；If7h或 Tj > TtiJ的衛星j，j = 1，2，. . .，M，M為符合上述要求的衛星總數；計算當星座不含該M顆衛星時，是否滿足j|PDOPth >Λ · PDOPfh，如果不滿足，需要補充備份衛星，使得當星座不含該M顆衛星時滿足J pDOpti > 4, poop* ；(7)如果用戶有星座延壽需求但延壽時間尚未確定，先執行步驟(6)，然後考慮補充備份衛星後的星座預計延壽時間，同時按照步驟⑵重新確定『2，如果存在滿足<Ris< 『2的衛星，則需要補充備份衛星；(8)如果用戶有星座延壽需求且延壽時間確定，則根據延壽時間重新確定^h2,通過統計和運算找到符合i / ；l/h或T1/ > rtij的衛星j，j = 1，2，. . .，M，M為符合上述要求的衛星總數；計算當星座不含該M顆衛星時，是否滿足」|ριχ)Ι^ S^^Ipdoi^ ,如果不滿足，需要補充備份衛星，使得當星座不含該M顆衛星時滿足W PD0Pti; > 4. PD0P,。
全文摘要
一種導航星座衛星備份方法。本發明提出了一種基於系統連續性、可用性風險的導航星座衛星備份方法，該方法採用衛星理論模型與在軌數據相結合、在軌備份策略與地面備份策略相結合的方式，通過充分評估星座衛星工作可靠度、中斷服務概率、中斷時間，及其對系統服務帶來的衝擊，生成面嚮導航星座服務性能的衛星備份策略。本發明方法區分星座延長壽命的不同情況，綜合運用在軌備份策略和地面備份策略，確保實現用戶對導航星座服務精度、連續性、可用性的要求，並且較好地控制了導航星座的建設和維護成本。
文檔編號G01S19/03GK102540197SQ20111033775
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者劉家興, 劉崇華, 崔小準, 李鵬, 米紅, 董海青, 陳忠貴 申請人:北京空間飛行器總體設計部